核磁共振波谱法(1)(共73张)课件

1、回顾已学光谱法核磁共振紫外可见 分子电子能级分子荧光光谱紫外可见原子外层价电子能级原子吸收光谱2.5-50 m 分子振动-转动能级红外光谱190-1000nm分子价电子所处分子轨道能级紫外可见光谱波长范围能级跃迁类型光谱法第1页，共73页。回顾已学光谱法核磁共振紫外可见 分子电子能级分子荧光光谱紫外核磁共振在强磁场的诱导下，一些原子核能产生核自旋能级分裂，当用一定频率的无线电波照射分子时，便能引起原子核自旋能级的跃迁。这种原子核在磁场中吸收一定频率的无线电波而发生自旋能级跃迁的现象，称为核磁共振。第2页，共73页。核磁共振在强磁场的诱导下，一些原子核能产生核自旋能级分裂，核磁共振波谱与核磁共振

2、波谱法以核磁共振信号强度对照射频率（或磁场强度）作图，所得图谱称为核磁共振波谱。利用核磁共振波谱进行分子结构（包括构形和构象）测定、定性及定量分析的方法称为核磁共振波谱法或称核磁共振光谱法。第3页，共73页。核磁共振波谱与核磁共振波谱法以核磁共振信号强度对照射频率（或乙苯的核磁共振谱第4页，共73页。乙苯的核磁共振谱第4页，共73页。发展简史 1945年 斯坦福大学的F. Bloch和哈佛大学 E M Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共同荣获1952年诺贝尔物理奖。初期应用仅限于物理学领域。1950年前后，W.G Proctor等发现化学

3、位移和自旋偶合现象，开拓了NMR在化学领域中的应用。20世纪60年代，计算机技术的发展使脉冲傅立叶变换核磁共振方法和仪器得以实现和推广，引起该领域的革命性进步。第5页，共73页。发展简史 1945年 斯坦福大学的F. Bloch和哈佛大现代NMR技术特点更高灵敏度和分辨率，300、400,1000MHz超导NMR 谱仪；二维、三维和多维核磁谱的实现，利于复杂分子的谱线归属；固体高分辨NMR 技术、HPLC-NMR 联用技术、碳、氢以外核的研究，扩展了NMR 的应用范围；核磁共振成象技术。第6页，共73页。现代NMR技术特点更高灵敏度和分辨率，300、400,10NMR在分析化学中的应用 主要用

4、于测定有机化合物的结构1H-NMR，又称质子核磁共振谱（PMR）。提供的信息：质子类型及其化学环境；氢的分布；核间关系。不足：不能提供无氢基团的信息。13C-NMR提供的信息：碳骨架及相关结构和分子运动。不足：灵敏度低；峰面积与碳数一般不成比例。第7页，共73页。NMR在分析化学中的应用 主要用于测定有机化合物的结构第7原子核的自旋核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核。 自旋量子数 I 0 的原子核具有核磁矩。 第8页，共73页。原子核的自旋核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核。 自旋各种核的自旋量子数和核磁共振质量数原子序数自旋量子数（I）自旋形状NMR讯号原 子 核偶数偶数0非自旋球体无奇

5、数奇或偶数1/2自旋球体有奇数奇或偶数3/2，5/2自旋椭圆体有偶数奇数1，2，3自旋椭圆体有第9页，共73页。各种核的自旋量子数和核磁共振质量数原子自旋量子数（I）自旋N无外磁场时，核磁矩的取向是任意的。若将原子核置于磁场中，则核磁矩可有不同的排列，共有2I+1 个取向，以磁量子数m表示(m=I,I-1,-I)。原来简并的能级分裂成个2I+1个磁能级。氢原子核I =1/2，则裂分成2个磁能级。ZZm+1/2m-1/2氢核磁矩的取向核的能级分裂EH0=0m-1/2m+1/2I1/2核的能级分裂0H0第10页，共73页。无外磁场时，核磁矩的取向是任意的。若将原子核置于磁场中，则核原子核的进动La

6、rmor进动：自旋磁场与外加磁场作用，产生的以外加磁场方向为轴线的回旋运动。第11页，共73页。原子核的进动Larmor进动：自旋磁场与外加磁场作用，产生的不足：不能提供无氢基团的信息。因1H所处化学环境不同而造成的共振频率的变化称为化学位移。1945年 斯坦福大学的F.磁场强度增加，灵敏度增加05(-COR)=2.在无组外核干扰时，组内核虽有偶合，但不产生裂分。扩展纵坐标、运用更高频率的仪器、或使用位移试剂使谱线的化学位移拉开。7046T(30MHz)或1.二级图谱（second order spectrum)某基团的H与n个相邻H偶合时，将被分裂成（n+1）峰，各峰的高度比为二项式展开式的

7、系数比。96ppm, J=6.自旋量子数 I 0 的原子核具有核磁矩。若扫描太快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。由于影响氢键形成的因素很多，所以羟基和氨基上的氢核值都有一个较大的变化范围。各种核的自旋量子数和核磁共振 在垂直于H0的方向施加频率为射频区域的电磁波，作用于1H，而其能量正好等于能级差E，1H就能吸收电磁波的能量，从低能级跃迁到高能级，这就是核磁共振现象。外加电磁波的频率 为：核磁共振的条件1.2.第12页，共73页。不足：不能提供无氢基团的信息。 在垂直于H0的方向施加部分核的磁性质第13页，共73页。部分核的磁性质第13页，共73页。饱和高能态核和低能态核的比例服从B

8、oltzmann分布：H01.4092T, T=300K时，核磁共振的信号靠多出的低能态核的净吸收产生，射频照射一段时间后， NMR信号消失，这种现象称为“饱和”。第14页，共73页。饱和高能态核和低能态核的比例服从Boltzmann分布：第1自旋驰豫(spin relaxation)高能态核通过非辐射途径回到低能态的过程称为核自旋驰豫。自旋-晶格驰豫，半衰期T1，固体T1大，可达几小时，液体、气体T1小，约10-410-2 s。测定NMR时一般多采用液体试样。自旋-自旋驰豫：半衰期T2,固体约10-510-4s，液体、气体T2约1s。第15页，共73页。自旋驰豫(spin relaxatio

9、n)高能态核通过非辐射屏蔽效应（shielding） 在外磁场H0的作用下，氢核外电子云产生一个方向与H0相反，大小与H0成正比的感应磁场。该感应磁场对原子核起屏蔽作用，使原子核实际所受到的外磁场强度减小。第16页，共73页。屏蔽效应（shielding） 在外磁场H0的作用下，氢核外化学位移(chemical shift)分子中不同位置质子(化学环境不同)的核外电子云密度有差别，实际受到H0的作用不同。屏蔽作用大小可用屏蔽常数(shielding constant) 表示：核外电子云密度增加， 值增大，核实际受到的外磁场作用减小，核的共振频率下降。因1H所处化学环境不同而造成的共振频率的变化

10、称为化学位移。第17页，共73页。化学位移(chemical shift)分子中不同位置质子化学位移的表示方法没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（内标） 位移常数 TMS=0低场高频高场低频第18页，共73页。化学位移的表示方法没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。低场高影响化学位移的因素1.局部屏蔽（local shielding)化合物CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4(CH3)4Si元素XFOClBrIHSiX的电负性4.03.53.12.82.52.11.84.263.403.052.682.160.230相邻基

11、团或原子的电负性增大，屏蔽效应减弱，氢核值增大。第19页，共73页。影响化学位移的因素1.局部屏蔽（local shieldi影响化学位移的因素2.磁各向异性（magnetic anisotropy）化学键，尤其是键在外磁场中产生的感应磁场，在周围空间各个方向上的磁性并不完全相同，因此对邻近的不同方向上的氢核的化学位移将产生不同的影响，使值升高或降低。这种现象称为磁各向异性效应。第20页，共73页。影响化学位移的因素2.磁各向异性（magnetic ani苯环的磁各向异性7.39.28第21页，共73页。苯环的磁各向异性7.39.28第21页，共73页。双键和叁键的磁各向异性=5.25=2.8

12、8第22页，共73页。双键和叁键的磁各向异性=5.25=2.88第22页，共7氢键的形成能使羟基或其它基团上的氢核的值明显增大，氢键起到了相当于去屏蔽的作用。由于影响氢键形成的因素很多，所以羟基和氨基上的氢核值都有一个较大的变化范围。影响化学位移的因素3.氢键的去屏蔽效应第23页，共73页。氢键的形成能使羟基或其它基团上的氢核的值明显增大，氢键起到氢键的去屏蔽效应 随样品浓度的增加，羟基氢信号移向低场。第24页，共73页。氢键的去屏蔽效应 随样品浓度的增加，羟基氢信号移向低场。第常见结构单元化学位移范围第25页，共73页。常见结构单元化学位移范围第25页，共73页。甲基氢、亚甲基氢与次甲基氢值

13、计算OCH3 CH2 C O CH CH2 CH3abcdeCH3f例：a =0.87+0=0.87 (0.90)e =1.20+1.05(-COR)=2.25 (2.30)f =1.55+3.43( -OCOR)=4.98 (4.85)第26页，共73页。甲基氢、亚甲基氢与次甲基氢值计算OCH3 CH2 NMR图谱的计算机模拟利用Chemdraw等软件对给定化学结构的分子模拟NMR图谱和化学位移，可省去人工计算。计算机模拟是有误差的，只能提供解谱时参考，对已知化合物，最后图谱要与标准图谱对照确定。第27页，共73页。NMR图谱的计算机模拟利用Chemdraw等软件对给定化学结练习题1. 三个

14、质子A、B、C，其屏蔽常数大小的顺序为BAC，则这三个质子共振时，哪个质子所需的外磁场最大？2. 下列化合物中，哪一个或几个质子有较低的化学位移？为什么？第28页，共73页。练习题1. 三个质子A、B、C，其屏蔽常数大小的顺序为B练习题3. 若外加磁场强度H0逐渐增大时，则使质子从低能级跃迁到高能级所需要的能量：A. 不发生变化 B. 逐渐变大 C. 逐渐变小 D. 不确定4. 下列各组原子核中核磁矩等于0，不产生核磁共振信号的是：A. B. C. D. 第29页，共73页。练习题3. 若外加磁场强度H0逐渐增大时，则使质子从低能级跃练习题5. 下列化合物中各带标志质子的化学位移归属正确的是（

15、 ）：A. a在1.52.0ppm, b和c在1.83ppm, d在910ppmB. a在1.52.0ppm, b和c在5.57.5ppm, d在1015ppmC. a在01ppm, b和c在5.57.5ppm, d在910ppmD. a在1.52.0ppm, b和c在5.57.5ppm, d在910ppm第30页，共73页。练习题5. 下列化合物中各带标志质子的化学位移归属正确的是（练习题6. 使用60MHz核磁共振仪测定，化合物中某质子和TMS之间的频率差为180Hz，如果使用40MHz的仪器，他们之间的频率差为多少？在两种仪器中的该质子的化学位移分别为多少？第31页，共73页。练习题6.

16、 使用60MHz核磁共振仪测定，化合物中某质子和T每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）第32页，共73页。每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合和自旋分裂 磁核之间的相互作用称为自旋-自旋偶合(spin-spin coupling)，吸收峰产生裂分的现象称为自旋分裂。裂分峰之间的裂距表示磁核之间相互作用的程度，称作偶合常数(coupling constant)，用 J 表示。偶合常数是一个重要结构参数。第33页，共73页。自旋偶合和自旋分裂 磁核之间的相互作用称为自旋-自旋偶合(峰裂分数与峰面积第34页，共73页。峰裂分

17、数与峰面积第34页，共73页。n+1规律某基团的H与n个相邻H偶合时，将被分裂成（n+1）峰，各峰的高度比为二项式展开式的系数比。若有不同组磁核，H数分别为n和n，且偶合常数相同，则峰的裂分数为（n + n+1）。若有不同组磁核，数目分别为n和n，但偶合常数不同，则峰的裂分数为(n+1)(n+1)。 n+1规律只适用于I=1/2，且/J 10 的初级谱。对于其它I1/2，该规律可改为2nI+1。第35页，共73页。n+1规律某基团的H与n个相邻H偶合时，将被分裂成（n+1）n+1规律示例偶合常数相等2-溴丙烷的NMR谱第36页，共73页。n+1规律示例偶合常数相等2-溴丙烷的NMR谱第36页，

18、共n+1规律示例偶合常数不等acJacJabJacJbcbJabJbc丙稀腈三个氢的自旋分裂图第37页，共73页。n+1规律示例偶合常数不等acJacJabJacJbc偶合常数自旋-自旋偶合时核磁共振谱线发生分裂，产生的裂距反映了相互偶合作用的强弱，称为偶合常数，单位为赫兹。对简单偶合（ /J10），峰裂距即偶合常数。高级偶合 （ /J Jae第41页，共73页。偶合常数与角度的关系ababae为90时J最小第41化学等价(chemical equivalence)在核磁共振谱中，有相同化学位移的核称为化学等价。如：第42页，共73页。化学等价(chemical equivalence)在核磁

19、共分子中一组化学等价核与分子中的其他任何核都有相同强弱的偶合，则这组核为磁等价。如：CH3CH2I。磁等价(magnetic equivalence):磁等价核性质：组内核化学位移相等；与组外核偶合的偶合常数相等；在无组外核干扰时，组内核虽有偶合，但不产生裂分。第43页，共73页。分子中一组化学等价核与分子中的其他任何核都有相同强弱的偶合，化学等价与磁等价磁等价化学等价H1与H2化学等价，磁不等价F1与F2化学等价，磁不等价H1与H2磁不等价Ha与Ha化学等价，磁不等价Hb与Hb化学等价，磁不等价第44页，共73页。化学等价与磁等价磁等价化学等价H1与H2化学等价，磁不等价自旋系统烯氢的自旋系

20、统：AMX第45页，共73页。自旋系统烯氢的自旋系统：AMX第45页，共73页。一级图谱（first order spectrum)由一级偶合产生的图谱， /J10。服从n1律，多重峰的峰高比为二项式的各项系数比。多重峰的中间位置是该组质子的化学位移多重峰的裂距是偶合常数第46页，共73页。一级图谱（first order spectrum)由一级偶一级图谱示例CH =5.80ppm,CH2 =3.96ppm, J=6.5Hz，仪器射频为60MHz。第47页，共73页。一级图谱示例CH =5.80ppm,CH2 =3.96p二级图谱（second order spectrum)由二级偶合产生的

21、图谱，/J10。不服从n1律，多重峰的峰高比不服从二项式的各项系数比。化学位移一般不是多重峰的中间位置，需由计算求得。多重峰的裂距一般不等于偶合常数，需由计算求得。第48页，共73页。二级图谱（second order spectrum)由二级高级谱示例对双取代苯，取代基XY时，AABB系统。第49页，共73页。高级谱示例对双取代苯，取代基XY时，AABB系统。第4仪器频率越越高，谱图越简单，由高级谱向一级谱转化。如丙烯腈的三个氢核，在60MHz仪器中测得的谱图属ABC系统，在220MHz时，就变为AMX系统。第50页，共73页。仪器频率越越高，谱图越简单，由高级谱向一级谱转化。如丙烯腈的核磁

22、共振仪分类按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按照射频率：90MHz、200MHz、 400MHz按扫描方式：连续波NMR仪（CW-NMR）和脉冲傅立叶变换NMR仪 （PFT-NMR）第51页，共73页。核磁共振仪分类按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁第51核磁共振仪磁铁产生一个恒定的、均匀的磁场。磁场强度增加，灵敏度增加永久磁铁：提供0.7046T(30MHz)或1.4092T(60MHz)的场强。特点是稳定，耗电少，不需冷却，但对室温的变化敏感，因此必须将其置于恒温槽内，再置于金属箱内进行磁屏蔽。恒温槽不能断电，否则要将温度升到规定指标要23天！电磁铁：提供2.3T的场强，由软磁铁外

23、绕上激磁线圈做成，通电产生磁场。它对外界温度不敏感，达到稳定状态快，但耗电量大，需要水冷，日常维护难。超导磁铁：提供5.8T的场强，最高可达12T，由金属(如Nb、Ta合金)丝在低温下(液氦)的超导特性而形成的。在极低温度下，导线电阻为零，通电闭合后，电流可循环不止，产生强磁场。特点是场强大、稳定性好，但仪器价格昂贵，日常维护费用极高。第52页，共73页。核磁共振仪磁铁产生一个恒定的、均匀的磁场。磁场强度增加，灵核磁共振仪 CW-NMR扫场法：固定照射频率，改变磁场强度；扫频法：固定磁场强度，改变照射频率；记录吸收分量与场强或频率的关系，即核磁共振波。扫描速度不能太快，通常全扫描时间为200-

24、300s。若扫描太快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。灵敏度低、所需样品量大。对一些难以得到的样品，无法进行NMR分析。第53页，共73页。核磁共振仪 CW-NMR扫场法：固定照射频率，改变磁场强度核磁共振仪 PFT-NMR以等距脉冲调制的RF信号作多道发射机，以快速傅立叶变换作多道接收机，它在一个脉冲中给出所有的激发频率，如果此脉冲满足NMR条件，则在脉冲之后，于接收线圈上能感应出该样品所有的共振吸收信号的干涉图（自由感应衰减，FID）信号。它包括分子中所有信息，是时间的函数，对此函数作傅立叶变换处理后，可将FID信号转换为常用的扫场波谱。灵敏度提高（100倍）。测量速度快：一次脉冲

25、相当于CWNMR的一次扫描。扩大应用范围：除常规1H，13C谱外，还可用于扩散系数、化学交换、固体高分辨和弛豫时间测定等。第54页，共73页。核磁共振仪 PFT-NMR第54页，共73页。Bruker600M核磁共振谱仪属BrukerAvance系列核磁共振谱仪，配备Bruker600MHzUltraShield超导磁体和带XYZ三轴梯度场的5mm反相3共振探头, 主要进行和生物大分子结构相关的核磁共振测试，以及生物大分子动力学的核磁共振研究。 第55页，共73页。Bruker600M核磁共振谱仪属BrukerAvan峰面积和氢核数目的关系在1HNMR谱上，各吸收峰的面积与氢核数目成正比。 峰

26、面积常以积分曲线高度表示。第56页，共73页。峰面积和氢核数目的关系在1HNMR谱上，各吸收峰的面积与氢核NMR解析的一般步骤1. 区分出杂质峰、溶剂峰、旋转边带。杂质含量较低，峰面积较小，样品和杂质峰面积之间也无简单的整数比关系。氘代试剂的微量氢会有相应的边带峰。2. 求不饱和度U。3. 根据峰面积积分曲线，求出H数比例，再由分子式，求出各组峰的质子数。4. 先解析孤立的峰(如CH3-O-, CH3-N-, CH3-Ar-,等),再解析特征峰（主要是醛基、羧基、羟基等）。5. 据 /J 确定一级偶合与高级偶合。第57页，共73页。NMR解析的一般步骤1. 区分出杂质峰、溶剂峰、旋转边带。NM

27、R解析的一般步骤6. 一级偶合根据值、（n+1）规律及质子数，确定偶合系统，推测结构。7. 高级偶合则需采取其他方法 扩展纵坐标、运用更高频率的仪器、或使用位移试剂使谱线的化学位移拉开。也可根据高级偶合的特征谱形确定偶合系统，推测结构。8. 其他辅助手段 重水交换活泼氢；参考UV、IR、MS等数据；标准谱图对照，计算数据核查。第58页，共73页。NMR解析的一般步骤6. 一级偶合根据值、（n+1）规律及 谱图解析示例15223化合物 C10H12O28 7 6 5 4 3 2 1 0第59页，共73页。 谱图解析示例15223化合物 C10H12O28 正确结构：解：U=1+10-122=5

28、2.1单峰三个氢，CH3峰 结构中有氧原子，可能具有： 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代 3.0和 4.30三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰 O3.0 4.302.1CH2CH2OCCH3bca第60页，共73页。正确结构：解：U=1+10-122=5 2.1单峰三个氢dcba0.60.51.01.6NMR解析示例2分子式为C4H7BrO2，a1.78(d), b2.95(d), c4.43(sex), d10.70(s), Jac=6.8Hz, Jbc=6.7Hz第61页，共73页。dcba0.60.51.01.6NMR解析示例2第61页，共dcba0.60.51.01.6解：U=（2

29、248）/2=1，只有一个双键。 各峰的氢核数目： a=1.67/(1.6+1+0.5+0.6) 3H b=17/(1.6+1+0.5+0.6) 2H c=0.57/(1.6+1+0.5+0.6) 1H d=0.67/(1.6+1+0.5+0.6) 1H据n+1律，又因JacJbc，推测应该含有 -CH2-CH-CH3C4H7BrO2第62页，共73页。dcba0.60.51.01.6解：U=（2248）/可能的结构为：计算CH： 结构(1) CH=1.55+1.05+0.25=2.85 结构(2) CH=1.55+2.68+0= 4.23由此推测该化合物的结构应该是结构（2）第63页，共73

30、页。可能的结构为：计算CH：由此推测该化合物的结构应该是结构（谱图解析示例3化合物 C8H8O2，推断其结构987654310第64页，共73页。谱图解析示例3化合物 C8H8O2，推断其结构9876543解：化合物 C8H8O2，U=（2288）/2=57-8芳环上氢，四个峰对位取代 9.87醛基上氢，低场正确结构： 3.87 CH3峰，向低场位移,与电负性基团相连第65页，共73页。解：化合物 C8H8O2，U=（2288）/2=57-练习：9 5.30 3.38 1.37C7H16O3，推断其结构61第66页，共73页。练习：9 5.30 3.38 1.37C7H16O3，解：C7H16O3， U=（22716）/2=0a