核磁共振波谱研究生用课件

1、核磁共振波谱法Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy , NMR 有机化合物波谱分析，姚新生药物结构分析，白小红有机波谱分析，宁永成有机结构分析 核磁共振波谱法简称核磁共振（ Nuclear Magnetic Resonance ），它是基于某些磁性原子核在很强外磁场的作用下，可以分裂成两个或两个以上量子化的能级，如果此时用一个其能量恰好等于裂化后相邻两能级之差的电磁波照射，则该核就可吸收能量，发生能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振波谱。所吸收的能量的数量级相当于频率为0.1到100MHz的电磁波，属于射频区。是研究和测定分子结构的强有力工具。

2、第一节 核磁共振原理 3.1 原子核的自旋与磁矩 原子核的自旋:由于原子核是带电荷的粒子，若有自旋现象，即产生磁矩。并非所有的原子都会自旋，都具有磁性。物理学的研究证明，各种不同的原子核，自旋的情况不同，原子核自旋的情况可用自旋量子数 I 表征（见下表 ）。 自旋量子数I=0的原子核有 16O , 12C , 32S , 28Si 等。实验证明，这些原子核没有自旋现象,因而没看磁矩，不产生共振吸收谱，故不能用核磁共振来研究。 自旋量子数I=1/2的原子核有1H，19F，31P，15N，13C等。这些核可当作一个电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁矩形成。这些核特别适用于核磁共振实验。

3、前三种原子在自然界的丰度接近100%，核磁共振容易测定。尤其是氢核（质子），不但易于测定，而且它又是组成有机化合物的主要元素之一，因此对于氢核核磁共振（1H-NMR）谱的测定，在有机分析中十分重要。对于13C的核磁共振（13C-NMR）的研究也有重大进展，并已成为有机化合物结构分析的重要手段。 .1.1 原子核的自旋 I0的原子核，都有自旋现象，其自旋角动量（P）为： （3-1） 式中，h普朗克常数； I自旋量子数。 自旋量子数I为1/2的原子核（如氢核），可当作电荷均匀分布的球体。当氢核围绕着其自旋轴转动时就产生磁场。由于氢核带正电荷，转动时产生的磁场方向可由右手螺旋定则确定，如图。由此可将

4、旋转的核看作是一个小的磁铁棒。 3. 2 原子核在磁场中的行为3.2.1 自旋核在外磁场B0中的自旋取向 将自旋原子核置于外磁场B0中，根据塞曼效应进行能级分裂（空间量子化）。它共有2I+1个取向，用磁量子数m表示。 核自旋角动量在z轴上的投影为： zh/(2)=m （3-3） z与m一样，共有2I+1个数值，各值之间相差整数倍。同样，核磁矩在外磁场B0中也有2I+1个向： I=1/2 I=1 I=3/2这些不连续的能量值（量子化）称为原子核的能级，可用能级图表示： I=1/2 I=1 I=3/2 可见，核磁矩在磁场中的能级的数目取决于核自旋量子数I，能级总数为2I+1。m为正值的状态，核磁矩

5、与外磁场B0同向，能量为负值，处于低能级；反之为高能级。则 E=- B0 (3-8)也就是说，当具有磁矩的核置于外磁场中，它在外磁场的作用下，核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，因而原子核的运动状态除了自旋外，还要附加一个以外磁场方向为轴线的回旋，它一面自旋，一面围绕着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称进动(precession)或拉摩尔进动(Larmor precession) 它类似于陀螺的运动，陀螺旋转时，当陀螺的旋转轴与重力的作用方向有偏差时，就产生摇头运动，这就是进动。进动时有一定的频率，称拉摩尔频率。 自旋核的角速度0，进动频率（拉摩尔频率）0与外加磁场强度 B0的关系可用拉摩尔公

6、式表示： 即对于I=1/2的H、C而言，如没有外磁场，其自身产生的磁场方向是杂乱无序的，如处于外磁场中，其自身产生的磁场会有两种取向，一种与外磁场方向相反（能量低），一种与外磁场方向相同（能量高）。3.1.2.4 核磁共振的条件 在磁场中核倾向于具有两种进动取向不同的氢核，其能量差 E 等于： （3-10）由（3-5） （3-11） 由于I=1/2，故 E=2B0=h0 （3-12） (0:miu) 由图可见，当磁场不存在时，I=1/2的原子核对两种可能的磁量子数并不优先选择任何一个，此时具有简并的能级。 若置于外加磁场中，则能级发生裂分，其能量差与核磁矩有关（由核的性质决定）, 也和外磁场强

7、度有关式(3-12)。换言之，核吸收2B0的能量后，便产生共振，此时核由 m=+1/2的取向跃迁至 m=-1/2的取向。所以，与吸收光谱相似，为了产生共振，可以用具有一定能量的电磁波照射核。因此面磁场中，一个核要从低能态向高能态跃迁，就必须吸收2B0的能量。进动核便与辐射光子相互作用（共振），体系吸收能量，核由低能态跃迁至高能态。式（3-12）中，0=光子频率=进动频率。式（3-9）可改写成： （3-13） 式（310）或式（313）是发生核磁共振时的条件，即发生共振时射电频率0与磁场强度B0之间的关系。此式还说明下述两点： （1）对于不同的原子核，由于（磁旋比）不同，发生共振的条件不同；即发

8、生共振时0和B0 的相对值不同。表11-2 列举了数种磁性核的磁旋比和它们发生共振时0和B0 的相对值。根据这一点可以鉴别各种元素及同位素。 例如用核磁共振方法测定重水中的H2O的含量，D2O和H2O的化学性质十分相似，但两者的核磁共振频率却相差极大。因此核磁共振法是一种十分敏感而准确的方法。（2）对于同一种核，值一定。当外加磁场一定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时，共振频率也随着改变。 例如氢核在1.409T的磁场中，共振频率为60MHz，而在2.350T时，共振频率为100MHz。 已知1H的磁矩=2.793核磁子，1核磁子单位=5.0510-27JT-1，h=6.6310-34Js。

9、因此根据公式（3-12），氢核在1.409T的磁场中，0=60106s-1=60MHz。 例 若外加磁场的强度为1T，1H和13C的共振频率各为多少？解：1H的频率： 1T=1JA-1m-2 1H=1HB0/2 =2.68108Am2J-11JA-1m-2 /23.14 =0.426108s-1 =42.6MHz13C的频率： 1T=1JA-1m-2 13C =13C B0/2 =0.68108Am2J-11JA-1m-2 /23.14 =0.107108s-1 =10.7MHz例 有些型号的核磁共振仪，如FX-60和XL-200等，后边的数字代表1H的共振频率兆赫数（MHz），问（1）这些仪

10、器的磁场强度为多少特斯拉（T）？（2）它们的13C谱的共振频率为多少？解： FX-60的磁场强度为： B0=(2)/1H = 23.1460106s-1/ 2.68108Am2J-1 =1.409JA-1m-2 =1.409T XL-200的磁场强度为： B0=2/1H = 23.14200106s-1/ 2.68108Am2J-1 =4.697JA-1m-2 =4.697T这2种仪器上13C谱的共振频率分别为: 13C =13C B0/2 =0.68108Am2J-1 1.409JA-1m-2/23.14 =15.08108s-1 =15.08MHz 13C =13C B0/2 =0.681

11、08Am2J-1 4.697JA-1m-2/23.14 =50.29108s-1 =50.29MHz3.1.3 饱和与弛豫 在有磁场存在下，m=+1/2比m-1/2的能态更为有利，然而核处于m=+1/2的趋向，可被热运动所破坏。根据波尔兹曼分布定律，可以计算，在室温（300K）及1.409T强度的磁场中，处于低能态的核仅比高能态的核稍多一些，约多百万分之十左右：因此在射频电磁波的照射下（尤其在强照射下），氢核吸收能量发生跃迁，其结果就使处于低能态氢核的微弱多数趋于消失，能量的净吸收逐渐减少，共振吸收峰渐渐降低，甚至消失，使吸收无法测量，这时发生“饱和”现象。但是，若较高能态的核能够及时回复到较

12、低能态，就可以保持稳定信号。 由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量E是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回到低能态（如发射光谱那样），这种由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程称为弛豫(relaxation)过程。 弛豫过程有两种，即自旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫。( 1 )自旋一晶格弛豫（spin-lattic relaxation） 处于高能态的氢核，把能量转移给周围的分子（固体为晶格，液体则为周围的溶剂分子或同类分子）变成热运动，氢核就回到低能态。于是对于全体的氢核而言，总的能量是下降了，故又称纵向弛豫（longitudinal relaxati

13、on）。 ( 2 )自旋自旋弛豫（ spinspin relaxation ） 两个进动频率相同、进动取向不同的磁性核，即两个能态不同的相同核，在一定距离内时，它们会互相交换能量，改变进动方向，这就是自旋自旋弛豫。通过自旋自旋弛豫，磁性核的总能量未变，因而又称横向弛豫（transverse relaxation）。 自旋自旋弛豫时间以T2表示，一般气体、液体的T2也是1s左右。固体及高粘度试样中由于各个核的相互位置比较固定，有利于相互间能量的转移，故T2极小。即在固体中各个磁性核在单位时间内迅速往返于高能态与低能态之间。其结果是使共振吸收峰的宽度增大，分辨率降低。因此在核磁共振分析中固体试样宜

14、先配成溶液。第二节 化学位移一 化学位移产生的原因 当氢核处于磁场中时，实际证明，在外加磁场的作用下，电子运动限制在与外界磁场垂直的平面上绕核循环，并产生一个与外磁场方向相反的感应磁场，因而外围电子云起到对抗磁场的作用，这种对抗磁场的作用称为屏蔽作用(shielding effect）。由于核外电子云的屏蔽作用，使原子核实际受到的磁场作用减小，为了使氢核发生共振，必须增加外加磁场的强度以抵消电子云的屏蔽作用。 （如乙醇） 一个化合物中的所有氢原子如果环境相同，在固定强度的磁场中能量分级是一样的，吸收光的能量是一样的，则无法看到分子中氢的区分。图5.6 自旋核在B0中的感生磁场 图中，a 是赤裸

15、裸的核（实际不存在），共振时的磁场强度为B1；b是屏蔽着的核，共振时的磁场强度为B2。B2Bl，核外电子对核的屏蔽作用以屏蔽常数（shielding constant) 表示： B=B0(1-) (3-14)式中，B为核的实受磁场强度。 因此由屏蔽作用所引起的共振时磁场强度的移动现象称为化学位移（Chemical shift)。 屏蔽作用的大小与核外电子云密切有关，电子云密度愈大，屏蔽作用也愈大，共振时所需的外加磁场强度也愈强。而电子云密度又和氢核所处的化学环境有关，与相邻的基团是推电子还是吸电子等等因素有关。因此就有可能根据化学位移的大小来考虑氢核所处的化学环境，也就是有机物的分子结构情况。

16、 可以采用两种方式得到核磁共振谱： 固定电磁波的频率，连续变化外磁场的强度，这种方式称为扫场 固定外磁场的强度，连续变化电磁波的频率，这种方式称为扫频 一般以扫场较方便，扫频应用较少。 CH3CH2OH 乙醇为例：固定频率，需磁场 5T 4T (H核实际需要3 T）固定磁场：需频率 4Hz 5Hz 二 化学位移的表示方法 一般用四甲基硅烷（tetramethy-silane, Si(CH3)4,TMS）作内标，即在试样中加入少许 TMS，以TMS中氢核共振时的磁场强度作为标准，人为地把TMS的定为零。 用TMS作标准是由于下列几个原因：(1)TMS中的12个氢核处于完全相同的化学环境中，它们的

17、共振条件完全一样，因此只有一个尖峰。(2)它们外围的电子云密度和一般有机物相比是最密的，因此这些氢核都是最强烈地被屏蔽着，共振时需要的外加磁场强度最强，值最大，不会和其它化合物的峰重叠。(3)TMS是化学惰性，不会和试样反应。(4)易溶于有机溶剂，且沸点低（27），因此回收试样较容易。 而在较高温度测定时可使用较不易挥发的六甲基二硅醚 HMDS，(CH3)3SiOSi(CH3)3，0.055；水溶液中则可改用3三甲基硅丙烷磺酸钠DSS, (CH3）3Si(CH2)3SO3Na，0.015作内标。 化学位移用位移的相对比值表示。化学位移一般很小，为10-6数量级；变化磁场强度时，化学位移的计算式

18、为： 从上式可知，用表示的化学位移与外磁场强度无关。因此，样品中的某一磁核，在不同的磁场强度的核磁共振仪上所得到的值相同。106106TMSTMS 根据NMR谱主要得出以下信息1. 化学位移值可提供化合物H的化学环境信息2. 峰的裂分和偶合常数可提供其相邻H的数目和相隔键数3. 峰面积可提供H的数目（积分曲线） 凡是值较大的氢核，就称为低场，位于图谱中的左面；较小的氢核是高场，位于图谱的右面，TMS峰位于图谱的最右面。 早期的文献中用表示化学位移,与的关系为: =10- 各种不同结构的质子的化学位移三 影响化学位移的因素（一）电性效应（质子周围的电子云密度）（1）诱导效应 影响电子云密度的一个

19、重要因素是与质子连结的原子的电负性，电负性强，质子周围的电子云密度就减弱，结果质子信号就在较低的磁场出现。 例如，乙醚的核磁共振图中，-CH3的质子的=1.2，高场；-CH2-O-的质子的=3.3，较低场。这是由于O（氧）具有一定的电负性，电子向O移动，使-CH2-O-质子外围的电子云密度减小，电子云的屏蔽效应就比较小，因此 -CH2-O-的质子信号出现在较低场。 又如将O-H键与C-H键相比较，由于氧原子的电负性比碳原子大，O-H的质子周围电子云密度比C-H 键上的质子要小，因此O-H键上的质子峰在较低场。（2）共轭效应例如,乙烯的=5.28，乙烯醚由于氧原子的未共用电子对与双键的P-共轭作

20、用，使双键的电子云移向H，屏蔽效应增加，化学位移移向高场（=3.99）。而,-不饱和酯中，由于C=O双键与C=C双键共轭，H电子云密度降低，表现为去屏蔽，因而化学位移移向低场（=5.50）。（二）磁各向异性效应 除电子屏蔽作用外，化学位移还受到一些别的因素的影响。实践证明，化学键尤其是键，因电子的流动将产生一个小的诱导磁场，并通过空间影响到邻近的氢核。这个由化学键产生的第二磁场是各向异性的，即在化学键周围是不对称的，有的地方与外加磁场方向一致，将增加外加磁场，并使该处氢核共振移向低磁场处（去屏蔽效应），故化学位移值增大；有的地方与外加磁场方向相反，将削弱外加磁场，并使该处氢核共振移向高磁场处（

21、屏蔽效应），故化学位移值减小。这种效应叫做磁的各向异性效应（magnetic anisotropic effect） 在含有键的分子中，如芳香系统、烯烃、羰基、炔烃等，其磁的各向异性效应对化学位移的影响十分重要 。 i 芳烃 以苯环为例，在外加磁场B0条件下，苯环电子的电子流系统产生的磁的各向异性效应如图电子流动形成环电流，环流垂直于外磁场，产生与外界相反的磁场。+：屏蔽区：去屏蔽区 显然，在苯环平面的上下方，因环电流形成的第二磁场方向相反，将使该处氢核共振信号移向高磁场处，化学位移值减小，故为屏蔽区。而其它方向，如苯环周围，则因两者方向正好一致，将使氢核共振信号移向低磁场处，因此化学位移值增

22、大，故为去屏蔽区。 屏蔽区位于苯环的上下方，而苯环平面为去屏蔽区，故苯环上1H核的= 7.27ppm 思考题：判断CH3-CH3、CH2=CH2、CHCH中H的化学位移值大小顺序，并解释原因。ii 双键化合物 以醛基为例，在一外加磁场B0条件下，因C=O基电子流的磁的各向异性效应，如图5.7 双键质子的去屏蔽 显然，由于环电子流与C=O平行，故上下为正屏蔽区，左右为去屏蔽区，氢核共振信号将发生在很低的磁场处。故醛基上1H核的 = 910ppm。 烯烃情况与芳环相似，因为氢核（烯烃）位于键各向异性作用与外加磁场方向一致的地方，即位于去屏蔽区，故氢核共振信号将出现在较低的磁场处，= 4.55.7p

23、pm iii 炔烃 由图看出，炔烃三键上的电子云围绕三键运行，形成电子的环电子流，因此生成的磁场与三键之间两个氢核平行，正好与外加磁场相对抗，故其屏蔽作用较强。=2.03.0ppm。iiii C-C单键 He位于去屏蔽区，较低场，其化学位移大于Ha在NMR上，低温时会出现两组H（高温时，构象反转Ha与He动态变化，出现一组峰）思考题：解释同碳中两甲基质子的化学位移为何不同（1）（2）（3）= 0.3ppm（4）（三）氢键效应 化学位移受氢键的影响较大，当分子中形成氢键以后，由于静电作用，使氢键中1H核周围的电子云密度降低，1H核处于较低的磁场处，其值增大。 共振峰的峰位取决于氢键缔合的程度，即

24、样品浓度，浓度大，越易形成氢键。显然，样品浓度越高，则值越大。随着样品用非极性溶剂稀释，共振峰将向高磁场方向位移，故值减小。（四） 质子快速交换 所谓活泼氢，就是连接在O、N、S等电负性较大原子上的H原子；在一定条件下，活泼氢可发生快速交换，从而使静态下化学环境不同的H核，在动态下成为化学等同核，具有相同的化学位移 。 交换速度：OHNHSH当在同一个化合物分子中有多种活泼氢，或者在溶质和溶剂分子中都行活泼氢时，由于它们快速交换位置使它们所处化学环境平均化，从而使静态下本来不同的活泼H核，成为化学等同核。（溶质与溶剂间交换）OH和NH2由于快速交换，具有相同的化学位移，2.82ppm单峰CDC

25、l3（溶质间交换）SH交换慢，分别出现峰，并裂分，a三峰，b双峰。OH快速交换，没有裂分，出现单峰CDCl3（溶质间交换）（五）溶剂效应 溶剂的影响也是一种不可忽视的因素，1H核在不同溶剂中，因受溶剂的影响而使化学位移发生变化，这种效应称为溶剂效应。（1）活泼氢快速交换 溶质与溶剂之间交换溶剂CDCl3溶剂CDCl3+D2O（溶质与D2O交换，使位移改变）C6H5CH2OH利用活泼H核和D2O的D核的快速交换，可很方便地确认活泼H核的存在：实验方法：先用CDCl3作溶剂，测得样品的H-NMH波谱；在样品溶液中加几滴D2O，充分摇荡后再测一次，如果某一共振峰发生了很大的位移，或者从波谱图中消失了

26、(当样品静置后，水相和有机相完全分离，水相浮在上层活泼H核几乎都以HOD的形式存在于水相之中，故原化合物共振峰消失)，那么该种H核就是活泼H核。（2）芳香性溶剂的电子云磁屏蔽各向异性 苯作溶剂，会使两甲基位移发生改变(六)温度的影响 温度是分子平均功能的标志。随着温度的降低，分子的平动、转动、单键的旋转、环的翻转、活泼H核的交换都将变慢，分子热运动的减弱，有利于分子间的缔合，故降低温度是一种去屏蔽效应，这种效应在氢键缔合时尤为明显。低高CH3OH的NMR随着温度的降低，CH3的H核的化学价移没有变化，但OH的H核的化学位移随者温度的降低而增加。因温度的降低使氢键缔合加强的缘故。另外随着温度的降

27、低， CH3的共振峰逐渐变为双峰， OH核的共振峰逐渐变为四重峰、这是活泼H的交换随温度降低逐渐变慢的结果。- 二甲基甲酰胺的C-N键因p-共轭而具有双键性，在室温下旋转缓慢，两个-CH3各自显示一个单峰，分别为2.8l和2.98处；随着温度的升高C-N键的旋转加快，两个共振峰逐渐加宽并相互靠近；升高到118时，合并为一个宽的中峰；升到170 时，合并为一个尖锐单峰。二甲基甲酰胺 各种质子的化学位移（一）烷基质子 通常烷基质子中的甲基质子屏蔽效应较大，在高场出现。 亚甲基和次甲基质子上取代基的影响与甲基质子有相同趋势。但是对于亚甲基、次甲基，它们可能附有23取代基，有双重取代效应，故会出现化学

28、位移相加或相减。（单键去屏蔽所致） 有2个取代基的亚甲基或次甲基可用肖雷利（Shoolery）公式计算： =0.23+（二） 烯烃质子的化学位移 由于C=C双键的磁各向异性效应，其化学位移比烷烃的要低47ppm，约在5.25ppm处。由于烯烃质子受磁各向异性效应的影响很大，取代基电负性与其化学位移之间的相关性不明显。从1H-NMR谱确定有机化合物中是否有双键，要比其他光谱法容易。烯烃的化学位移可用下式估算（P87表3-6）： C=C-H=5.25+Z同+Z顺+Z反 （3-18）例例1例2（三）炔烃质子 炔烃质子在1.72.5ppm之间（四） 芳香族质子的化学位移 芳香族化合物由于大键电子环流产

29、生的磁各向异性效应比烯烃质子更明显，其化学位移在更低场，约在7.27ppm处左右。其中，邻位质子受取代基的影响最大，对位次之，间位最小。取代基较少的苯环上芳氢的化学位移可用下式估算（表）： =7.27+S （3-19）（五） 活泼质子的化学位移 醇的羟基质子一般峰形较尖，而且由于羟基质子的交换作用快，在常温下看不到与邻近氢的偶合（单峰）；在低温下可以看到（同-CH-）。在非极性溶剂CCl4中一般在3.06.0ppm（范围大），随着溶液稀释向高场移动（氢键少）。 羧酸的羟基质子在1013ppm范围内共振。由于羧酸有强氢键效应引起二聚体结构，即使用非极性溶液稀释，羧基质子也几乎不发生位移。 脂肪族

30、胺的氨基质子的峰形有的尖、有的钝，甚至难以看到明显的峰形。RCONH2中的-CO-NH2一般为双峰，这是由于-CO-N中的-C-N单键不能自由旋转（不等价质子）。 脂肪族胺的氨基质子一般在3.06.0ppm，在非极性溶剂其情况与醇相同；但在极性溶剂中，不同的pH会改变氨基质子分子间的交换速度，使信号变宽或者与氮核的自旋-自旋相互作用，使氨基质子峰分裂。（六）醛 910ppm（C=O的诱导和去屏蔽）（七）杂环质子 分析上面化学位移产生的原因 第三节 自旋偶合与自旋裂分 每一种化学环境的H所受的周围电子的磁屏蔽强度是一定的，理应只 有一种共振频率出现单峰。然而CH3CH2CH2Br的HNMR（下图

31、）中，-CH3的质子是3重峰；-CH2Br-的质子是3重峰，在较低场；中间CH2为6峰。这种峰的裂分是由于质子之间相互作用所引起的，这种作用称自旋自旋偶合（spin-spin coupling，简称自旋偶合) 。由自旋偶合所引起的谱线增多的现象称自旋自旋裂分（简称自旋裂分) 。偶合表示质子间的相互作用，裂分表示谱线增多的现象。产生原因，是因为H感受到的邻位H的磁场有多种（每一H核在外加磁场中有两种取向）一、自旋-自旋偶合原理 先以下面简单的为例来介绍， 磁性核HA在外磁场中有两种取向，一种与外磁场Ho相同，另一种与外磁场Ho相反，这两种取向分别使Ho加强或减弱，而邻近HB核所感受到的磁场是这两

32、种磁场， HA的两种取向几率相等，所以HB被分裂成双重峰，强度之比为1：12个HA和1个HB的情况：则会使HB裂分为三个峰，强度比为1：2：1H0HAH=H0+2HH=H0+H- HH=H0-2H面积比 1：2：1CCHHH(n+1)规律：即二重峰表示相邻碳原子上有一个质子；三重峰表示有二个质子；四重峰则表示有三个质子等。（a+b)n规律：裂分后各组多重峰的强度比为：二重峰1:1；三重峰1:2:1；四重峰1:3:3:1等。即比例数为（a+b)n展开后各项的系数。 示例二、偶合常数 裂分后各个多重峰之间的距离，用偶合常数J(coupling constant）表示： (l) 偶合裂分由质子之间相

33、互作用引起，J值的大小表示相邻质子间相互作用力的大小，与外部磁场强度无关。作用力通过成键的价电子传递：如果相隔四个或四个以上单键，相互间作用力很小，J值减至1Hz左右或=0。 根据相互偶合的氢核之间相隔键数，可分为：同碳偶合（相隔二个键），邻碳偶合（相隔三个键）和远程偶合（相隔三个键以上），并用2J,3J， 表示。 偶合常数有正负之分，一般用绝对值，J大，代表偶合作用强。 (2)由于偶合是质子相互之间彼此作用的，因此互相偶合的二组质子，其偶合常数 J 值相等。（如下乙醚） (3) J 值与取代基团、分子结构等等因素有关。 (4)等价质子或磁全同质子之间也有偶合，但不分裂，谱线仍是单一尖峰。 目

34、前已累积大量偶合常数与结构关系的实验数据并据此得到一些估算偶合常数的经验式。一些质子的自旋自旋偶合常数见下表。1.0940，1.1297（200MHz)偶合常数的计算方法*化学等价核：分子中化学位移相等的核。 例如1,1,2-三氯乙烷中的-CH2-的两质子是 化学等价核。 Cl-CH2-CH-Cl2 又如对氯苯甲醛中的2,6位两质子或3,5两质 子是化学等价核。*磁等价核：分子中的一组自旋核，其化学位移相同，对组外任何一个磁核的偶合常数彼此也相同。例如1,1,2-三氯乙烷中的-CH2-的两质子既是化学等价，又是磁等价。 Cl-CH2-CH-Cl2 化学等价的核不一定磁等价，磁等价的核一定化学等

35、价。*磁不等价核：在有机化合物中普遍存在，用于结构推断。（1）双键同碳质子磁不等价。例如由于双键不能旋转，所以和是磁不等价的。（2）单键带有双键性质时，质子磁不等价。例如RCONH2中的C-N带有双键性质，因此-NH2中的2个质子是磁不等价的。（3）单键不能自由旋转时，质子磁不等价。例如BrCH2CH(CH3)2有3个构象，亚甲基中的2个氢核和处于不同的化学环境中，是磁不等价的。（低温时，旋转变慢）和等价（4）与不对称C原子相联接的-CH2-是磁不等。 例如，下式C*为不对称C原子，分子中不管-CH2-的旋转速度有多快，-CH2-中的2个质子所处于的化学环境不同，是磁不等价的。（5）构象固定的

36、环上-CH2-质子是磁不等价。 环己烷（低温,没有构象反转），甾体环（6）苯环上H和邻位质子也可能是磁不等价， 2个间位质子也可能是磁不等价。例如下列2个化合物中，虽然和，和化学位移相同，但，所以是磁不等价的。 磁等价核间也会偶合，但不裂分，磁不等价核间会偶合并裂分。 如CH4 偶合常数-12.4Hz，但不裂分核磁共振谱图的积分线三类质子的峰面积之比约等于3：2：1，积分线高度比亦为3：2：1，依次对应于甲基中3个质子、亚甲基中2个质子和羟基上1个质子。 化学位移、偶合常数、积分线3个参数是1H-NMR谱为化合物定性、定量解析提供的重要依据。1、 同碳偶合常数（J同，2J） 系因相互干扰的两个

37、氢核（如不同构象）处于同一碳原子上引起。两者之间的偶合常数叫 J同。同碳偶合经过两个CH键（HCH），因此，可用2J表示。J同一般为负值，但变化范围较大（通常-12-15Hz），与结构紧密相关。 三、自旋偶合系统分类与影响偶合不裂分多数情况下，构象反转，为磁等同核，不裂分2、 邻位偶合常数（J邻，3J） 两个（组）相互偶合的氢核位于相邻的两个碳原子上，偶合常数可用J邻或3J表示。偶合常数的符号一般为正值。J邻的大小与许多因素有关，如键长、取代基的电负性、两面角以及CCH间键角的大小等。影响因素（1）二面角的影响（）为0o或180o时，J最大， 为90o时，J最小 GalNAc: 端基氢 J4H

38、Z ea GlcUA: J8HZ aaFuc: J4HZ ea 例如，可以借此确定糖端基构型 乌贼墨糖胺聚糖（2） 取代基电负性影响 电负性越大，J越小乙烯基质子(3) 键角影响 键角越大，J越小3、 远程偶合常数 间隔三个以上化学键的偶合叫做远程偶合，偶合常数用J远表示。 饱和化合物中，间隔三个以上单键时，J远0，一般可以忽略不计。不饱和化合物中系统，如烯丙基、高烯丙基以及芳环系统中，因电子流动性大，故即使超过了三个单键，相互之间仍可发生偶合，但作用较弱，J远约03Hz，在低分辨1HNMR谱中多不宜观测出来，但在高分辨1HNMR谱上则比较明显. 典型结构远程偶合（1）取代芳环（2）烯丙式结构

39、（3）小桥或桥环（4）折线形结构虽然理论上有远程偶合，但当偶合常数很小时，共振峰并不能表现出清晰的裂分，仅仅显得稍微“胖”些。“W”型偶合“W”型偶合J12 Hz4. 与活泼氢的偶合 活泼氢如果交换，则不发生偶合；如不交换或交换慢，则会有偶合现象活泼氢不交换（1）降低温度，（2）样品高纯，除去其中对交换有催化作用的水、碱性或酸性物质，即使在室温下也可使OH质子的共振峰显示出清晰的裂分。低高CH3OH的NMR随着温度的降低，CH3的H核的化学价移没有变化，但OH的H核的化学位移随者温度的降低而增加。因温度的降低使氢键缔合加强的缘故。另外随着温度的降低， CH3的共振峰逐渐变为双峰， OH核的共振

40、峰逐渐变为四重峰、这是活泼H的交换随温度降低逐渐变慢的结果。- 由于偶合裂分现象的存在，使我们可以从核磁共振谱上获得更多的信息，如根据偶合常数可判断相互偶合的氢核的键的连接关系等，这对有机物的结构分析极为有用。第四节 一级偶合类型图谱 自旋偶合系统及分类*自旋偶合系统：指相互偶合的一组核。 如丙基异丙基醚中丙基是一种自旋偶合系统，异丙基是另一种自旋偶合系统。 自旋偶合系统的分类及命名 用大写英文字母代表自旋系统中的各个磁核，26个字母分成三组：一般A、B、C为高磁场核；M、N、O为中磁场核；X、Y、Z为低磁场核。注：写自旋体系时，自旋量子数I=1/2的原子核19F，31P，15N，13C等也应

41、写入，它们对氢也有偶合。主要自旋系统符号的意义：化学位移；J偶合常数举例：An CH4中的4个质子为A4 AA CH2=CF2中的2个质子为AA AB ClH=CHBr中的2个质子为AB ABC CH2=CHI中的3个质子为ABC CH3-CH2-CH2-NO2 属于A3M2X2 属于AA BB和A3X2 1 一级谱 满足下列2个条件的为一级谱：（1）相互偶合作用的各基团化学位移差值(频率差值，单位Hz)与偶合常数J之比大于等于10，即/J10；（2）自选体系内的每一组化学等同核也是磁性等同核。 根据上述规定，一级偶合体系只能是AnXm , AnMmXh, 而不能是AnBm , AnBmCh一

42、级图谱规则相邻峰数n裂分峰数（n+1）相对峰面积011121 1231 2 1341 3 3 1451 4 6 4 1561 5 10 10 5 1671 6 15 20 15 6 1781 7 21 35 35 21 7 1一级多重峰相对强度A6XA3M2X2异丙基为A6X苯环上H不是一级图谱，为ABC试分析Ha、Hb、Hc的化学位移及偶合分裂？ 第五节 高级偶合类型图谱 在NMR谱中大量的谱图为高级谱（二级谱或复杂谱），它不满足一级谱的2个条件，也不遵守n+1规律。在NMR谱中出现以下变化：（1）裂分峰的数目增加，不遵守n+1规律；（2）裂分峰的强度也不满足（a+b）n规律；（3）裂分峰的

43、间距不相同，一般峰的间距不能代表偶合常数。几种常见的自旋系统（1）AB系统 AB系统属于高级谱，和AX系统相同的是仍有4条谱线，其中A与B各占2条，2线间距等于偶合常数JAB；不同的是4条谱线高度不等，内侧2线高于外侧2线， A与B的化学位移不在2线中心，而在中心和重心之间，需要计算。 偶合常数 JAB=1-2=3-4 化学位移 A与B的化学位移之差AB为内侧2线高于外侧2线。 C=1/2(1-4)-AB A=1-C B=4+C 各峰的强度比 在AB系统中不能发生交叉，即1-=-4JAB。例如，顺-乙氧基苯乙烯的1H-NMR谱中在56间的4条谱线为双键上的2个H，构成AB系统。AB系统一般出现

44、在H-C=C-H和四取代苯中（2）AB2系统 AB2系统中2组核干扰较强，最多可看到9条谱线，其中14条为A，58条为B，第9条为综合峰，综合峰是由两个或两个以上的核同时参与跃迁产生的，一般很弱，往往观察不到。第5、第6两线常并在一起呈单峰。第3条线为A的化学位移，第5、第7两线的中心为B的化学位移。A和B的偶合常数为 JAB=1/3（1-4）+（6-8 ） AB2系统各条谱线间的距离有如下规律：1-2=3-4 =6-71-3 =2-4=5-83-6=4-7 =8-9 AB2系统如图所示： 图中谱线的标号顺序为从左向右，即AB；若AJXM见张正杭p169上图中HA 、HM的化学位移值与结构式相

45、符。偶合关系也相符。但不符合字母A 一般代表处于最高场的原则 下图为-呋喃甲酸甲酯的NMR谱，其中在68间的12条谱线，构成了一个典型的AMX系统。（4）ABX系统 在AMX系统中，若M的化学位移向A靠近，即构成ABX系统。ABX系统共有14条谱线，其中有两条（9与14）为综合峰，强度小，难以观察。 在解析ABX系统时，可把它分成两部分：即AB部分和X部分。在AB部分可分别找出两个AB系统，然后决定JAB。上图中，1、3、5、6为一个AB系统；2、4、7、8为另一个AB系统。其JAB为：JAB=1-3=2-4=5-6=7-8 划分这两个AB系统的原则是：两个AB系统的裂距都是JAB，AB系统不

46、能交叉，各峰的强度要符合AB系统的强度公式。 X部分共有6条谱线，其中两条是综合峰。X部分的中心为X质子的化学位移。从图上不能直接得到JAX、JBX和A、B质子的化学位移，需要通过比较复杂的计算。（5）ABC系统 ABC系统是一个比较复杂的系统，最多可出现15条谱线，其中3条为综合峰，由于强度太弱，有时观察不到。 ABC系统的分裂情况与AMX、ABX系统相似，如忽略综合峰，很多可近似地按AMX系统处理。可以找到3个四重峰，共有3种裂距，每种裂距都重复出现4次，但都不等于偶合常数JAB、JAC和JBC。例如，丙烯腈CH2=CHCN中的3个H构成了典型的ABC系统。 图中，9、10、13和14属于

47、A；7、811和12属于B；1、3、4和6属于C。（6）A2B2系统 在A2B2系统中，A2和B2都是磁等价核，所以整个系统只有一个偶合常数JAB，共有18条谱线，其中4条为综合峰。强度都很弱，难以观察。所以，一般A2B2系统只出现14条谱线。 A和B各占7条，且左右对称，其中A4与A5（B4与B5），A6与A7（B6与B7）不易分开，在图中表现为两条强的谱线，很容易识别。 在A2B2系统中 1-3=4-6 JAB=1/21-6并且，A在A5，B在B5。（7）AABB系统 若A2和B2都不是磁等价核时，则构成AABB系统。理论计算应有28条谱线， AA和BB各占14条，图形呈现左右对称。但实际

48、上由于谱线重叠或强度过小，仅能看到少数几条谱线。 下图为对二取代苯的AABB系统，谱图中有明显地接近J邻的裂距，表观上呈现对称的四重峰，可粗略地用解析AB系统的类似方法处理。系统谱图 苯环1H-NMR波谱特征一、苯 尖锐单峰 7.26二、 单取代苯 AA,BB, C 供电，整体移向高场 （1）强供电基(-OH, -OR,-NH2) 出现2组信号，邻对位高场低场氢：高场氢=2:32）强吸电基(-NO2, -COOH) 吸电，整体移向低场 出现2组信号，邻位低场邻位一组（ -NO2去屏蔽），间位、对位一组 由于硝基或羰基具有去屏蔽作用，使得邻位氢处于低场，间、对位处于较高场，低场氢：高场氢=2:3

49、（3）弱电子效应取代基（-R，-CH2X, -Cl, -SR) 出现一个单峰，仍属于ABB/CC/系统，只是共振频率差别太小，重叠在一块。三、对位取代（1）取代基相同：AA,A,A, 单峰 （2）取代基不同:AA,BB, 粗看是左右对称的四重峰，中间一对峰强，外面一对峰弱，每个峰可能还有各自小的卫星峰。四、邻二取代（1）两取代基相同 AA,BB, 均为供电基：一单峰为吸电基：左右对称复杂峰（2）两取代基不同 ABCD 最复杂峰形 相同基团间位取代，苯环1四个氢形成AB2C体系，若二基团不同则形成ABCD体系。 间位取代苯环的图谱一般也是相当复杂的，但两个取代基团中间的隔离氢因无邻位偶合，经常显

50、示粗略的单峰。当该单峰未与别的峰组重叠时。由该单峰可以判断间位取代苯环的存在。当该单峰虽与别的峰组重叠但从中仍然看出有粗略的单峰时，由此仍可估计间位取代苯环的存在。五、间二取代呈现单峰：单取代（弱电子效应取代基，-R、-Cl) 邻位取代（取代基均为供电基） 对位取代（两取代基相同）呈对称峰：邻位取代（两取代基相同且都为吸电基） 对位取代 （两取代基不同） 因为两共振吸收峰的频率差正比于为加磁场强度: =rH0(1-2)/2 增大H0能增大，而偶合常数J不变，从而使/J6，就将高级谱转化为一级谱。第六节 1H-NMR谱在有机药物结构分析中的应用一、高兆周核磁共振光谱例如，丙烯腈H2C=CH-CN

51、在60MHz仪器（对应磁场强度为1.4092T）上为ABC系统,但在220MHz仪器（对应磁场强度为5.1700T）上为AMX系统。二、 去偶法（双照射技术） 根据照射强度大小，可分为自旋去偶，核欧沃豪斯（Overhauser）效应（简称NOE效应），自旋微扰和核间双共振（简称INDOR）等。 *自旋去偶 该法的目的是减少自旋偶合，减少重峰数，并找出偶合关系。原理：设A、B两组质子相互偶合引起谱线裂分，为使其去偶，需要同时使用两个射频振荡器。第一个射频振荡器产生低强度的射频，通过扫描使A组质子产生共振吸收。第二个射频振荡器产生高强度的射频，照射B组质子， B组质子产生共振吸收并达到饱和。此时B

52、组质子在两个能级上的粒子数相等，但两个能级上的原子核并不静止，而是在两个能级之间快速跃迁。从宏观上看，B组质子的磁距在两种状态（平行于磁场和逆平行与磁场）之间快速翻转。因此，大大缩短了在每个能级上的平均寿命。当平均寿命小于1/JAB时，由于它所产生的局部磁场的平均值为0，这就去掉了B组质子对A组质子的偶合作用，使A组质子呈现一单峰。*NOE效应 当分子内有空间位置上互相靠近的两个氢核A和B，如果采用双共振法照射B，使其饱和，则与其靠近的A核的共振信号就会增加，这种现象称为NOE效应。 原因：由于两个氢的空间位置靠得很近，相互弛豫较强，当B受到照射达饱和时，它要把能量转移给A，于是A吸收的能量增

53、多，共振信号增大。NOE效应的大小与质子之间距离的六次方成反比，当质子间距离超过0.3nm时，就看不到这一现象。NOE效应对于确定有机物分子的空间构型很有用。 例如，在化合物(CH3)2C=CHaCOOHb中，若对=1.97ppm的甲基质子进行双照射，Ha信号不变；照射=1.42ppm的甲基质子，Ha信号增加了17%，说明Ha与=1.42ppm的甲基为顺式，与=1.97ppm的甲基处于反式位置。注：只有吸收强度的改变大于10%，才能肯定两个氢在空间邻位； 即使观察不到NOE效应，也不能否定两个氢在空间邻近，可能存在其他干扰，掩蔽了NOE效应。三 位移试剂 在含氮或含氧化合物中，某些质子可因加入

54、特殊的化学试剂后，使其化学位移发生不同程度的变化。即它具有把各种质子信号分开的功能，这类试剂称化学位移。最常用的位移试剂为铕（Eu+）或镨（Pr +）与-二酮的配合物。 质子信号的位移是由于顺磁性金属如铕或镨的不成对电子引起的，原子中不成对电子的自旋也会产生磁矩，因为它的方向与外磁场一致，所以称为顺磁性金属。结果使外磁场加强引起质子的信号改变。 上式中，M为Eu+或Pr+；n一般为3；R及R随不同化合物而变。例如，对于M(DPM)3 ； R及R均为C(CH3)3；对于M(FOD)3 ， R为C3F7，R为C(CH3)3。 铕（Eu+）或镨可与氮或氧中的孤对电子发生络合，从而使各基团质子的化学位

55、移发生变化，从而使重叠的谱线分开。 例如，正戊醇分子CH3（6）-CH2（5）-CH2（4）-CH2（3）-CH2（2）-OH（1）的NMR谱，如图所示。其中3、4、5位的三个CH2峰无法分辨。加入位移试剂铕或镨的配合物后，所得图谱为下图，与氧靠近的质子显著移向低场，其他位置上的质子也有位移，使谱图容易解析。四1H-NMR谱的解析方法1 定性分析 （1）图谱解析的一般程序 *对图谱进行初步观察 检查TMS信号是否在零点，是否尖锐、对称，尾波是否明显；弄清楚扫描范围；区分出杂质峰、溶剂峰、旋转边带和13C卫星峰。*根据峰面积计算分子中各类氢核的数目*已知分子式时，应计算不饱和度 U=1+n4+2

56、n6+1/2(n3+3n5-n1) U=n4+1+(n3-n1)/2 *看峰的位置，利用值确定各吸收峰所对应的氢核类型 先确定强单峰的归属，如CH30-、CH3N、CH3-CO-（羰基）、CH3-Ar、CH3-C-、-CH3-C=C等孤立的甲基质子信号，以及典型的CH3CH2-峰。然后确定位于低磁场区羧基(=9.713.2)、醛基(=9.010.O)及具有分子内氢键的-OH基(=11.O16.0)等质子峰。总的原则是，先解析没有偶合的质子，然后再解析有偶合的质子信号。*看峰的裂分，根据重峰数、偶合常数及峰形确定基团的连接关系 先识别谱图中的一级光谱，利用n+1规律，根据重峰数目推断相邻的氢核数

57、；然后根据各种系统高级谱的特征来辨认，以确定化合物中可能存在的自旋系统。(这一步分析的难目较大，可以采用高磁场强度的仪器、双共振技术、位移试剂，重水交换等辅助手段协助解析。)*将推断的结构式与NMR谱图核对 在上述分析的基础上，推出可能存在的结构单元，并以一定的方式组合起来，然后对推断的结构作进一步的核对。不同类型的氢核均应在谱图上找到相应的峰组，峰组的值、峰形，J值大小和相对面积应该和结构式相符，否则应予否定，重新推断。 （）定性分析应用实例C6H7NO第五节 13C核磁共振波谱简介一、13C核磁共振波谱的特点1. 灵敏度低，信号强度低2. 分辨能力高 ，化学位移范围宽，图谱简单。碳棒个数代

58、表化合物含碳数目（非重叠状态下）。3. 不能用积分高度来计算碳的数目4.从13C-NMR谱中还可以直接观测不带氢的含碳官能团的信息，如（ C=O）、氰基（-C=N）和季碳原子。二、13C核磁共振波谱参数（一）化学位移 在13C-NMR中，有机化合物分子中不同的13C核对应不同的化学位移范围，因此， 值是结构鉴定的主要依据。13C-NMR的化学位移 内标：TMS。以其中的13C核的化学位移为标准。变化范围：0250ppm。各种常见的13C核的化学位移如下： 影响13C化学位移的主要因素如下：1.杂化状态 13C核杂化状态对值影响很大。-CH3、-CH2-等是sp3杂化的碳核在高场区；=C=C=、

59、-CH=CH2是sp2杂化的碳核在低场区；三键是sp杂化的碳核介于两者之间。2.诱导效应 由电负性大的原子或基团与13C核相连，同样也产生去屏蔽效应，使共振峰向低场方向移动，即值增大。但重卤代原则例外。3.立体效应 13C核化学位移对分子的构型、构象反映很灵敏，只要碳在空间比较接近，即使相隔好几个化学键，它们之间也有强烈相互作用，使电子密度转移沿C-H键向13C核转动，导致13C核的屏蔽增加，共振峰向高场移动，即值减小。4.共轭效应 有孤对电子的基团如-NH2、-OH等与不饱和健体系连接时，由于P- 共轭作用使芳环邻、对位碳的电子密度增加，屏蔽效应加强，共振峰向高场区移动，即值减小。 而一些吸

60、电子基团如-NO2、-C=N等与苯环相连时，邻、对位碳受到去屏蔽效应，共振峰向低场区移动，即值增大，如苯乙晴与 苯比较邻位碳的值增大3.6，对位碳的值增大3.9。5.介质影响 溶剂对13C核化学位移也发生影响。（二）偶合常数 J13CNMR中一般存在三种类型：1.13C-13C偶合（JC-C） 由于13C核天然峰度很低，实际上这种偶合很难观测到，只有 在富集13C化合物中才可以观测到。2.13C-X偶合 X是指除1H以外的其它磁性核，如31P、19F等核的偶合。例如13C-P（）的JC-P在100150HZ，13C-P（）的JC-P约为几十赫兹，13C-F的JC-F在150350HZ。3.13