核磁共振-近代测试技术

★背景介绍★核磁共振基本原理

★核磁共振与化学位移

★自旋偶合与自旋裂分★谱图解析与化合物结构确定nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR第四章核磁共振波谱法2023/2/4BackgroundNMR现象发现于1945年，发展迅速，已成为当代研究物质结构最有力的工具。1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几乎同时观测了石蜡中质子的信号，1952年获诺贝尔物理奖。1951年发现化学位移现象。1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技术可用来研究分子结构。1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。2023/2/41965年提出快速FT变换方法。1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采集由频率域→时域，使信号累加变得容易，大大提高NMR灵敏度，13C核的测量成为可能，这是一次革命。利用不同的脉冲组合来加工核自旋体系的信息，获得特定的分子结构信息：驰豫时间，共振峰的分类（DEPT，INEPT）1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验，NMR进入全新时代。2023/2/4上世纪80年代是NMR迅速发展的十年。1991年R.R.Ernst本人获诺贝尔化学奖。2023/2/4一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振现象nuclearmagneticresonance三、核磁共振条件conditionof

nuclearmagneticresonance四、核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometerprinciplesofnuclearmagneticresonance

核磁共振基本原理2023/2/4范围光区光谱类型跃迁类型10-4～10-2nm

-rayMossbauer谱核能级跃迁10-2～1nmX-rayX-光电子能谱核内层电子能级100～400nm

紫外光区紫外光谱核外层电子（价400～800nm可见光区可见光谱电子或非键电子)2.5～25m红外光区红外光谱分子振动-转动(4000～400cm-1)～1cm微波区微波谱分子转动能级

顺磁共振谱电子自旋能级

（磁诱导）50～500cm

射频区核磁共振谱核自旋能级(600～60MHz,无线电波区）（磁诱导）

2023/2/4NMR是由磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。研究最多、应用最广的是1H核的NMR，可用PMR或1HNMR表示。NMR给出的信息√①化学位移：各种结构的1H、13C有不同的化学位移，对结构敏感。（有点像IR中的特征吸收）√②磁性核附近的取代情况及空间排列：通过偶合常数J和自旋－自旋裂分来判断。（IR谱中没有）核磁共振谱中的每一个峰都有归属！√③峰面积（积分高度）：a.

用于结构分析：各种化学环境相同的核（1H）的个数；b.用于成分分析：由特征峰定量。2023/2/4Bruker(Europe)Virian(U.S.A.)Joel(Japan)2023/2/4核磁共振的分类

固体核磁共振

不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性的金属及非金属材料液体核磁共振

有机化合物，天然产物，生物大分子核磁共振成像

临床诊断的成像、研究动植物形态的微成像、功能成像和分子成像。核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。

2023/2/42023/2/41.是不是所有的原子核都具有核磁共振信号？2.核磁共振信号是怎么产生的？需要解决的问题：核磁共振的原理2023/2/4

若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：核磁子=eh/2Mc；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，核磁矩：一原子核的自旋2023/2/4(1)

I=0的原子核16

O；12C；22S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或I>0的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P

原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。Discussion2023/2/4静磁场B0下原子核的磁性质没有静磁场时，原子核磁矩的方向是随机的，它们的加和为零有静磁场B0存在时，所有原子核磁矩μ的加和形成了体系的宏观量－磁化矢量2023/2/41H原子核的自旋

1H核带一个正电荷，它可以像电子那样自旋而产生磁矩（就像极小的磁铁）。在外加磁场（HO）中，质子自旋所产生的磁矩有两种取向：与HO同向或反向，对应于或两个自旋态。2023/2/41H核自旋能级分裂及其与H0的强弱有关：2023/2/4核磁共振的条件

根据量子化学，有：γ——磁旋比；h——普朗克常数；H0——外加磁场强度。如果用一个处于射频范围的电磁波照射处于H0中的1H，当电磁波的频率ν射恰好满足DE＝hν——②时，处于低能级态的1H就会吸收电磁波的能量，跃迁到高能级态，发生核磁共振。2023/2/4发生核磁共振时，必须满足下式：

③式称为核磁共振基本关系式。可见，固定H0，改变ν射或固定ν射，改变H0都可满足③式，发生核磁共振。但为了便于操作，通常采用后一种方法。2023/2/4不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比：两能级上核数目差：1.610-5；弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。能级分布及弛豫过程2023/2/4如果含有此类核的物质置放于磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布.在数量上同向与反向的差别很小,但正是这一微小的差别造就了核磁共振光谱学.2023/2/4共振条件：0=

H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比

为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0

，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定，改变H0

（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz

磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）Discussion2023/2/41H和13C在不同静磁场中的共振频率B0[T]共振频率[MHz]1H13C1.416015.11.888020.12.119022.632.3510025.154.7020050.35.6725062.97.0530076.49.40400100.611.74500125.714.09600150.92023/2/4

四核磁共振波谱仪

nuclearmagneticresonancespectrometer1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。2023/2/43．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。2023/2/4试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30mg；

傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg

；标样浓度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶剂：1H谱四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；样品制备2023/2/4核磁共振仪

a.

连续波核磁共振仪根据，连续改变νRF或H0，使观测核一一被激发。扫频：固定H0，改变νRF；√扫场：固定νRF，改变H0（操作更为方便）。连续波仪器的缺点是工作效率低，因而有被PFT仪器取代的趋势。

(高P161图7-5)

2023/2/4不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）傅立叶变换核磁共振波谱仪2023/2/4超导核磁共振波谱仪：

永久磁铁和电磁铁：

磁场强度<25kG

超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；在低温4K，处于超导状态；磁场强度>100kG

开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：

200-400MHz；可高达600-900MHz；2023/2/4一、核磁共振与化学位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift二、影响化学位移的因素factorsinfluencedchemicalshift第二节

核磁共振与化学位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift2023/2/4一、核磁共振与化学位移

nuclearmagneticresonanceandchemicalshift1.屏蔽作用与化学位移

理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：

0=

H0/(2)

产生单一的吸收峰；实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：

H=（1-）H0

：屏蔽常数。

越大，屏蔽效应越大。

0=[

/(2)]（1-）H0

屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。2023/2/4化学位移：

chemicalshift

0=[

/(2)]（1-）H0

由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。

在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。2023/2/42.化学位移的表示方法(1)位移的标准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(2)为什么用TMS作为基准?1.TMS化学性质不活泼，与样品之间不发生化学反应和分子间缔合；2.TMS是一个对称结构，四个甲基有相同的化学环境，因此无论在氢谱还是在碳谱中都只有一个吸收峰；3.因为Si的电负性（1.9）比C的电负性（2.5）小，TMS中的氢核和碳核处在高电子密度区，产生大的屏蔽效应，它产生NMR信号所需的磁场强度比一般有机物中的氢核和碳核产生NMR信号所需的磁场强度都大得多，与绝大部分样品信号之间不会互相重叠干扰；4.TMS沸点很低（27度），容易去除，有利于回收样品。2023/2/4化学位移的来源

有机化合物分子中的氢核与裸露的质子不同，其周围还有电子！各种化学环境不同的氢核，其周围的电子云密度也不同。在H0作用下，核外电子的环流运动会产生一感应磁场H感应。而H感应的方向总是与H0相反，用化学的语言来说，就是核外电子的存在使1H核受到了屏蔽作用。1H核真正感受到的磁场强度H实为：2023/2/4在真实分子中，发生核磁共振的条件是：这里σ是屏蔽常数。不同化学环境的质子，因其周围电子云密度不同，裸露程度不同，其σ值也不同，从而发生核磁共振的H0不同。这就是化学位移的来源。所以，化学位移也可定义为由于屏蔽程度不同而引起的NMR吸收峰位置的变化。2023/2/4化学位移的表示方法

在实际测量中，化学位移不是以裸露的1H为标准，而是以某一标准物为标准，测得样品共振峰与标准样共振峰的距离。以δ表示：ν样品——样品的共振频率；ν标样——标准样的共振频率；ν0——仪器的工作频率；乘106是为了读数方便。标样——TMS（(CH3)4Si）。其分子中只有一种1H，且屏蔽作用特大，在高场出峰。一般有机物的δ＞0，在TMS的低场（左边）出峰。2023/2/4例：在60MHz的仪器上，测得CHCl3与TMS间吸收频率之差为437Hz，则CHCl3中1H的化学位移为：2023/2/4常见的各种1H的化学位移如下：

2023/2/4

(1)诱导效应

核外电子云的抗磁性屏蔽是影响质子化学位移的主要因素。元素的电负性↑，通过诱导效应，使H核的核外电子云密度↓，屏蔽效应↓，共振信号→低场。邻近原子或基团的电负性大小CH3X CH3F CH3OCH3 CH3ClCH3Br 4.26 3.24 3.052.68

X电负性4.0 3.5 3.1 2.8

CH3XCH3CH3 CH3H CH3Li

0.88

0.2 －1.95

X电负性2.5 2.1 0.98

与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。二、影响化学位移的因素

2023/2/4相邻电负性基团的个数

CH3ClCH2Cl2CHCl3

3.055.307.27与电负性基团相隔的距离（键数）CH3OHCH3CH2OHCH3CH2CH2OHCH33.391.180.932023/2/4碳杂化轨道电负性：SP>SP2>SP32023/2/4(2)各向异性效应

非球形对称的电子云，如电子，对邻近质子附加一个各向异性的磁场，即该磁场在某些区域与外磁场B0的方向相反，使外磁场强度减弱，起抗磁性屏蔽作用（＋），而在另一些区域与外磁场B0方向相同，对外磁场起增强作用，产生顺磁性屏蔽作用（－）。2023/2/4芳烃和烯烃的各向异性效应苯环上H的＝7.27;乙烯的＝5.23＋＋＋＋－－－－2023/2/4安纽烯有18个H。12个环外H，受到强的去屏蔽作用，环外氢

8.9；6个环内H，受到高度的屏蔽作用，环内氢

-1.8。2023/2/4三键的各向异性效应炔氢正好处于屏蔽区域内，振动向高场移动。杂化作用使其向低场移动，结果炔氢的

在2～3。＋＋－－2023/2/4单键的各向异性效应形成单键的sp3杂化轨道是非球形对称的，也有各向异性效应，但很弱。在沿着单键键轴方向是去屏蔽区，而键轴的四周为屏蔽区。只有当单键旋转受阻时这一效应才能显示出来。如环己烷直立氢（Hax）和平伏氢（Heq）的化学位移值不同。2023/2/4环己烷C－1上的氢,2－3键和5－6键的作用使直立氢（Hax）处于屏蔽区，而平伏氢（Heq）处于去屏蔽区，两者的化学位移差HeqHax0.5ppm。2023/2/4(3)空间效应2023/2/4空间效应Ha=3.92ppmHb=3.55ppmHc=0.88ppmHa=4.68ppmHb=2.40ppmHc=1.10ppm去屏蔽效应2023/2/4(4)氢键的影响两个电负性基团分别通过共价键和氢键产生吸电子诱导作用，使共振发生在低场。分子间氢键的形成与样品浓度、测定温度以及溶剂等有关，因此相应的质子不固定，如醇羟基和脂肪胺基的质子一般在0.5～5，酚羟基质子则在4～7。氢键有去屏蔽效应，使质子的δ值显著增大。浓度100%20%10%5%2%1%δ/ppm7.456.86.45.94.94.35PhOH中酚羟基质子的化学位移与浓度的关系2023/2/4氢键形成对质子化学位移的影响规律：氢键缔合是放热过程，温度升高不利于氢键形成，能形成氢键的质子谱峰向高场移动；在非极性溶剂中，浓度越稀，越不利于形成氢键。随着浓度减小，质子共振向高场移动；改变测定温度或浓度，观察谱峰位置改变可确定OH或NH等产生的信号；分子内氢键的生成与浓度无关，相应的质子总是出现在较低场。TIPS：2023/2/4(5)溶剂效应由于溶质分子受到不同溶剂影响而引起的化学位移变化称为溶剂效应。例如：

-在氘代氯仿溶剂中，2.88；2.97。-逐步加入各向异性溶剂苯，和甲基的化学位移逐渐靠近，然后交换位置。

2023/2/4由于存在溶剂效应，在查阅或报道核磁共振数据时应注意标明测试时所用的溶剂。如使用混合溶剂，还应说明两种者的比例。2023/2/4(7)交换反应当一个分子有两种或两种以上的形式，且各种形式的转换速度不同时，会影响谱峰位置和形状。如N,N-二甲基甲酰胺在不同温度下甲基信号的变化：2023/2/4三.各类有机化合物的化学位移①饱和烃-CH3:

CH3=0.791.10ppm-CH2:

CH2=0.981.54ppm-CH:

CH=CH3+(0.50.6)ppmH=3.2~4.0ppmH=2.2~3.2ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=2~3ppm2023/2/4各类有机化合物的化学位移②烯烃

端烯质子：H=4.8~5.0ppm

内烯质子：H=5.1~5.7ppm

与烯基，芳基共轭：H=4~7ppm③芳香烃

芳烃质子：H=6.5~8.0ppm

供电子基团取代-OR，-NR2时：H=6.5~7.0ppm

吸电子基团取代-COCH3，-CN，-NO2时：H=7.2~8.0ppm2023/2/4各类有机化合物的化学位移-COOH：H=10~13ppm-OH：（醇）H=1.0~6.0ppm

（酚）H=4~12ppm-NH2：（脂肪）H=0.4~3.5ppm

（芳香）H=2.9~4.8ppm

（酰胺）H=9.0~10.2ppm-CHO：H=9~10ppm2023/2/42023/2/4一、自旋偶合与自旋裂分spincouplingandspinsplitting二、峰裂分数与峰面积numberofpearsplittingandpearareas三、磁等同与磁不等同magneticallyequivalentandnonequivalent第三节

自旋偶合与自旋裂分spincouplingandspinsplitting2023/2/4一、自旋偶合与自旋裂分

spincouplingandspinsplitting化学位移---考虑了磁核的电子环境（核外电子云对核的屏蔽作用）相邻的磁不等性H核自旋相互作用（即干扰）的结果。这种原子核之间的相互作用，叫做自旋－自旋耦合（spin-spincoupling)。由自旋耦合引起的谱线增多的现象，叫做自旋－自旋裂分（spin-spinsplitting)。每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰CH3CH2OH2023/2/4峰的裂分峰的裂分原因:自旋偶合相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；多重峰的峰间距：偶合常数（J），用来衡量偶合作用的大小。偶合常数——反映两核之间自旋偶合作用大小的量度，用J表示。

J常常等于两裂分峰之间的裂距，一般在20Hz以下。偶合常数的特点：①J与H0无关。不同H0作用下或不同场强的仪器测得的J值相同。②两组相互干扰的核J值相同。例如，CH2ClCHCl2中三重峰间裂距等于二重峰间裂距。③在复杂体系中，J≠裂距！解析图谱时，需进行繁杂的计算以求得δ和J。2023/2/4自旋偶合与二个等性核(Ｉ＝½)AX2的偶合与三个等性核(Ｉ＝½)AX3的偶合2023/2/4二、峰裂分数与峰面积

numberofpearsplittingandpearareas

峰裂分数：n+1规律；相邻碳原子上的质子数；系数符合二项式的展开式系数；

峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。2023/2/4峰裂分数2023/2/4峰裂分数1:11:3:3:11:11:2:12023/2/4峰裂分数1H核与n个不等价1H核相邻时，裂分峰数：（n+1)(n´+1)……个；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=2×2×2=8Ha裂分为8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:12023/2/4峰裂分数Ha裂分为多少重峰？01234JcaJbaJca

JbaHa裂分峰:(3+1)(2+1)=12实际Ha裂分峰:(5+1)=6强度比近似为：1:5:10:10:5:12023/2/4三、磁等同与磁不等同

magneticallyequivalentandnonequivalent1.化学等价（化学位移等价）若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。化学不等价例子：

⑴对映异构体

在手性溶剂中：两个CH3化学不等价在非手性溶剂中：两个CH3化学等价2023/2/4⑵固定在环上CH2的两个氢化学不等价。⑶单键不能快速旋转，连于同一原子上的两个相同基化学不等价。⑷与手性碳相连的CH2的两个氢化学不等价。2023/2/4

分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核称为磁等同的核。磁等同例子：三个H核化学等同磁等同二个H核化学等同，磁等同二个F核化学等同，磁等同六个H核化学等同磁等同2.磁等同2023/2/4两核（或基团）磁等同条件①化学等价（化学位移相同）②对组外任一个核具有相同的偶合常数（数值和键数）Ha，Hb化学等价，磁不等同。JHaFa≠J

Hb

FaFa，Fb化学等价，磁不等同。磁不同等例子：

2023/2/4一、谱图中化合物的结构信息structureinformationofcompoundinspectrograph二、简化谱图的方法methodsofsimpling

spectrograph三、谱图解析spectrumunscrambling四、谱图联合解析deducethestructuresfromNMRspectrumandIRspectrum第四节

谱图解析与化合物结构确定analysisofspectrographandstructuredetermination2023/2/4

一、谱图中化合物的结构信息（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；（2）峰的强度(面积)：每类质子的数目(相对)，多少个；（3）峰的位移()：每类质子所处的化学环境，化合物中位置；（4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；（5）偶合常数(J)：确定化合物构型。不足之处：仅能确定质子（氢谱）。2023/2/4一级谱图和(n+1)规律

一级谱图：满足（(△ν/J)＞6）条件的谱图。△ν——化学位移之差；J——偶合常数。(n+1)规律——一个信号被裂分的数目取决于相邻碳上1H的数目，如果相邻碳上有n个氢，则该信号被裂分为(n+1)重峰。裂分峰强度比符合二项式展开系数比，可由巴斯卡三角形求得。2023/2/4常见复杂谱图782023/2/4二、简化谱图的方法1.采用高场强仪器60MHz100MHz220MHzHCHBHA2023/2/42.活泼氢D2O交换反应3.介质效应OH>NH>SH12CDCl3溶液12吡啶溶液2023/2/44.去偶法（双照射）第二射频场H2υ2Xn（共振）AmXn系统消除了Xn对的Am偶合照射Ha照射Hb2023/2/45.位移试剂(shiftreagents)稀土元素的离子与孤对电子配位后，相邻元素上质子的化学位移发生显著移动。常用：Eu（DPM）3