核磁共振波谱分析-2

例2：计算在25oC时，样品在4.69T磁场中，其处于高、低磁能级原子核的相对个数。例1：许多现代NMR仪器所使用的磁场强度为11.74T。请问在此磁场中，氢核可吸收多大频率的辐射？二、核磁共振重要参数、术语和方法化学位移1.化学位移现象

核磁共振的条件是改变频率或磁场强度，使满足特定核的共振条件：

υ=B0

若质子的共振磁场强度只与γ(磁旋比)、电磁波照射频率v有关，那么，试样中符合共振条件的1H都发生共振，就只产生一个单峰，这对测定化合物的结构是毫无意义的。化学位移：质子或其它的核，由于在分子中所处的化学环境不同，因而在不同的磁场下共振的现象叫化学位移。

出现化学位移的原因是各种氢核所处的化学环境不同，所受到的屏蔽作用不同造成的。实验证明：在相同的频率照射下，化学环境不同的质子将在不同的磁场强度处出现吸收峰。化学位移定义屏蔽作用：当氢核处在外加磁场中时，其外部电子在外加磁场相垂直的平面上绕核旋转的同时，将产生一个与外加磁场相对抗的附加磁场。附加磁场使外加磁场对核的作用减弱。这种核外电子削弱外加磁场对核的影响的作用叫抗磁屏蔽。化学位移产生的原因

显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之，共振信号将移向低场区。化学位移产生的原因

其中表示屏蔽常数，与核所处的化学环境有关，外加磁场为B0，核的实受磁场B=B0-B0。

υ=B=B0（1-）

核磁共振的条件应表达为：化学位移的表示方法

化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。化学位移用表示，以前也用表示，与的关系为：

=10-零点-1-2-31234566789TMS低场高场为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?(1)由于四个甲基中12个H核所处的化学环境完全相同，因此在核磁共振图上只出现一个尖锐的吸收峰；(2)屏蔽常数较大，因而其吸收峰远离待研究的峰的高磁场(低频)区；(3)容易回收(b.p低)，与样品不反应、不缔合。

（ppm）化学位移的表示方法

（HZ）=ppm仪器MHz数

化学位移值与仪器无关。是一个无因次的参数。同一个物质的某一个质子其出峰位置即化学位移用（ppm）表示时，其数值是不变的；但若用Hz作单位，则其数值因仪器MHz数而异。化学位移的表示方法

例如一个质子=2ppm，这个质子在100MHZ的仪器中，离开标准物的距离=2100=200HZ；而在500MHZ仪器中，=2500=1000HZ。质子的屏蔽常数()、化学位移值()与共振磁场(B0)之间的关系影响化学位移的因素影响质子的化学位移的因素有两类：一类是分子结构因素，即所谓质子的化学环境，主要从影响质子外部电子云密度的因素（如共轭效应、诱导效应、范德华效应及分子内氢键效应等）及化学键各向异性效应两方面来考虑。第二类因数是外部因素，即测试条件，如溶剂效应、分子间氢键等。外部因数对非极性的碳上的质子影响不大，主要是对OH、NH、SH及某些带电荷的极性基团影响较大。（1）诱导效应(Induction)

质子相连的碳原子上，接有电负性强的基团，吸电子诱导效应使质子周围的电子云密度减弱，便屏蔽作用减弱，质子共振移向低场，化学位移值增大。影响化学位移的因素-1诱导效应(Induction)影响化学位移的因素-1(2)共轭效应(Conjugate)

苯环上的氢被推电子基（如CH3O）取代，由于p-π共轭，使苯环的电子云密度增大，δ值高场位移；拉电子基（如C=O、NO2）取代，由于π–π共轭，使苯环的电子云密度降低，δ值低场位移。影响化学位移的因素-2(3)化学键各向异性效应影响化学位移的因素-3

化学键，尤其是键将产生一个小磁场，并通过空间作用影响邻近的氢核。其特征是有方向性，所以叫各向异性效应。各向异性的小磁场，有些区域在方向上与外加磁场一致，将增强外加磁场的作用，使受影响的核的共振移向低场，值增大，这是去屏蔽效应，用“-”表示。有些地方的小磁场方向与外加磁场方向相反，削弱了外加磁场，受影响的氢核的共振移向高场，值减小，是屏蔽效应，用“+"表示。（a）单键的各向异性

C-C键是去屏蔽区的轴。这些C-C键的两个碳原子上的氢都受这个C-C单键的去屏蔽效应。碳上质子被碳取代，受到的去屏蔽作用增大，值增大，所以它们的值有这样一个顺序：(3)化学键各向异性效应(CH3)3CH>(CH3)2CH2>CH3CH3

（b）双键的各向异性

在双键(C=C双键和羰基C=O)平面的上、下部分电子云密度大，双键上下为两个锥形的屏蔽区；双键的平面上为去屏蔽区。(3)化学键各向异性效应例1：醛基的质子δ值为8~9.5左右，其δ值如此大就是因为醛基质子正好处在羰基平面上，受到了强的去屏蔽效应。例2：化合物中羰基有两个β-H，顺式β-H的δ值大些，这是因为它受到羰基的去屏蔽效应大些。例3：下面化合物(A)的CH2上两个质子受到C=C的去屏蔽效应所以δ值大。（c）炔键的各向异性

(3)化学键各向异性效应

碳碳三键是直线构型，π电子云围绕碳碳σ键呈筒型分布，形成环电流，它所产生的感应磁场与外加磁场方向相反，故三键上的H质子处于屏蔽区，屏蔽效应较强，使三键上H质子的共振信号移向较高的磁场区，其δ=2～3。(3)化学键各向异性效应（d）三元环体系

三元环的屏蔽作用很强，在环的平面上下为屏蔽区。（e）苯环的各向异性环上下为屏蔽区，环平面上为去屏蔽区。

苯氢较烯氢位于更低场（7.27ppm）

随着共轭体系的增大，环电流效应增强，即环平面上、下的屏蔽效应增强，环平面上的去屏效应增强。其它大共轭体系的化合物和苯环的情况类似。如十八轮烯，外质子的化学位移为δ8.9，而环内质子为δ-1.8。（4）范德华(VanderWaals)效应两个原子在空间非常靠近时，电子云就会互相排斥，使原子周围的电子云密度减少，屏蔽作用减小,δ值增大。

化合物A的Ha比B的Haδ值大，而两个化合物中Hb都比Hc的δ值大，都是由于邻近原子的范德华效应引起的。

影响化学位移的因素-4(5)氢键的影响

在O、N、S原子上的质子形成氢键后，其化学位移值移向低场。形成分子内氢键时，化学位移值移向更低场。如分子间形成氢键，其化学位移与溶剂特性及其浓度有关;如分子内形成氢键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构有关。

氢键的形成与溶液浓度、pH值、温度、溶剂都很有关系，所以这些质子的化学位移值与测试条件关系很大，δ在较大的范围内变化。影响化学位移的因素-5（6）溶剂效应

溶剂不同使得化学位移值发生变化的效应叫溶剂效应。不同的缓冲液也会引起化学位移的偏移，比如柠檬酸在磷酸缓冲液、Tris缓冲液和HEPES缓冲液中的化学位移差别很大。影响化学位移的因素-6常用氘代溶剂和杂质峰在1H谱中的化学位移(ppm)常用氘代溶剂和杂质峰在1H谱中的化学位移(ppm)（7）位移试剂的影响

位移试剂对化合物的化学位移值影响很大。镧系元素有机配合物与待测物形成络合物，从而影响到质子外围电子密度，改变化学位移，这样可以使原子重叠的吸收峰分开，使谱图较易辨认。影响化学位移的因素-7影响化学位移的因素-7中心原子为铕、铒、铥、镱的配位化合物，使共振峰向低场移动；而铈、镨、钕、钐、铽的配位化合物则使共振峰移向高场。最常用的是铕和镨的配位化合物，对含氮、氧或其它有孤电子对的化合物(如醇、酯、胺)有明显的位移作用。但是，由于位移试剂是顺磁性化合物，往往会造成NMR谱峰的加宽，降低分辨率，并且随着谱仪场强的升高，谱线的加宽与磁场强度的平方成正比。

小结自旋偶合与自旋分裂

在低分辨NMR中，一个分子中同一种氢只出一个峰，它们的峰面积之比等于氢原子个数之比。乙醇(CH3-CH2-OH)的低分辨NMR图谱

在高分辨NMR中，一种氢可产生多重峰。各种质子之间的互相干扰引起的。各种质子的峰面积之比仍然为1:2:3。乙醇(CH3-CH2-OH)的高分辨NMR图谱首先，分析―CH3上的氢（以Ha表示）：它的邻近―CH2―上有两个H核（以Hb表示），Hb对Ha的影响可表示如下：

∵H核的自旋量子数I

=1/2，在磁场中可以有两种取向，即：

+1/2（以↑表示）和－1/2（以↓表示）

这样，Hb的自旋取向的排布方式就有以下几种情况：CH3-CH2-OH

同理，也可画出Ha对Hb的影响。

由此可见，裂分峰的数目有如下规律：

峰的数目=n+1n：为相邻H核的数目自旋偶合：两种核的自旋之间引起能级分裂的相互干扰叫做自旋偶合。它是通过化学键传递的。一般只考虑相隔两个或三个键的两个核之间的偶合，相隔四个或四个以上单键的偶合基本为零。(有远程偶合的情况除外)自旋分裂（自旋裂分）：由自旋偶合所引起的谱线增多的现象叫自旋分裂。自旋偶合作用的大小用偶合常数J表示。以Hz作单位。大小不受外界磁场的影响。

自旋偶合与自旋分裂n+1规则

某核和n个磁等价的核耦合时，可产生n+1条谱线，若它再与另一组m个磁等价核耦合，且J值不等，则谱线的数目是（n+1）(m+1）条。一级类型的多重峰通过其中点作对称分布，中心位置即为化学位移值。注意：实测峰的数目小于理论值。n+l规则：在一级谱(又叫低级谱)中，氢原子受邻近碳上的氢的偶合产生裂分峰的数目可以用n+l规律计算。n（核的个数） 谱线相对强度 0 1 1 11 2 121 3 1331 4 14641 5 15101051 ...... ......

多重峰的相对强度为二项展开式（a+b）n的系数，n为等价核的个数。即可由下表表示:

在两组互相耦合的峰中，还有一个“倾斜现象”（“屋顶效应”），即裂分峰为内侧高，外侧低。两组未耦合的峰两组耦合的峰偶合常数

每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以Jab表示。下标ab表示相互偶合的磁不等性H核的种类。

耦合能力大小以自旋偶合常数nJ表示（n为两H氢间的键数）。必须注意：偶合常数与化学位移都用表示。但与化学位移不同的是，偶合常数的单位用Hz表示，偶合常数nJ或自旋分裂程度的大小与场强强度、使用仪器的频率无关。因此可以通过改变B0，看是否变化来判断是何种位移。偶合常数

值得注意的是：

自旋偶合与相互作用的两个H核的相对位置有关，当相隔单键数≤3时，可以发生自旋偶合，相隔三个以上单键，J值趋于0，即不发生偶合。

磁等性H核之间不发生自旋裂分。如CH3—CH3只有一个单峰。偶合常数(1)同碳质子(2J)

相隔两个化学键，J最大，但由于各质子性质完全一致，所以只观察到一个单峰。(2)邻碳质子(3J)

相隔三个化学键，J较大，是立体分子结构分析最为重要的偶合分裂。右图是邻碳质子的Karplus曲线。从中可见，不同位置上的核，相互之间的偶合常数不同，其大小与它们各自所在的平面的夹角有关。(o)偶合常数与分子结构的关系(1)ClCH2-CH2-CH2Cl

峰数及峰面积比分别为：3(1:2:1)-5(1:4:6:4:1)-

3(1:2:1)(2)CH3-CHBr-CH3

峰数及峰面积比分别为：2(1:1)-

7(1:6:15:20:15:6:1)-2(1:1)(3)CH3-CH2-OCH3

峰数及峰面积比分别为：3(1:2:1)-4(1:3:3:1)-1几个例子nosplit

又称峰面积、谱线积分、积分强度等。

核磁共振谱上谱线强度也是提供结构信息的重要参数。特别是氢谱中，在一般实验条件下由于质子的跃迁几率及高低能态上核数的比值与化学环境无关，所以谱线强度直接与相应质子的数目成正比。即同一化学位移的核群的谱峰面积与谱带所相应的基团中质子数目成正比。谱线强度

谱线强度乙基笨的1HNMR谱(60MHz,CCl4溶剂)化学位移、偶合常数、谱线强度三个参数是氢谱为化合物定性、定量解析提供的重要依据。

处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。据Heisenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽成正比，即

可见，弛豫决定处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。弛豫纵向弛豫T1：也称为自旋—晶格驰豫（spin-latticerelaxation），是处于高能态的核自旋体系与其周围的环境之间的能量交换过程。当一些核由高能态回到低能态时，其能量转移到周围的粒子中去，对固体样品，则传给晶格，如果是液体样品，则传给周围的分子或溶剂。自旋—晶格驰豫的结果使高能态的核数减少，低能态的核数增加，全体核的总能量下降。纵向弛豫(a)

固体样品---分子运动困难---T1最大---谱线变宽小---弛豫最少发生；（T1=几小时）(b)

晶体或高粘度液体---分子运动较易---T1下降---谱线仍变宽---部分弛豫;(c)

气体或受热固体---分子运动容易---T1较小---谱线变宽大---弛豫明显。(T1=10−4-102s)结论：样品流动性降低(从气态到固态)，T1增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。纵向弛豫横向弛豫T2：也称为自旋—自旋驰豫（spin-spinrelaxation），一些高能态的自旋核把能量转移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全体核的总能量也不改变。横向弛豫a)固体样品—结合紧密—自旋核间能量交换容易—T2最小—谱线变宽最大(宽谱)—纵向弛豫容易。(T2=10−3s)b)受热固体或液体—结合不很紧密—自旋核间能量交换较易—T2上升—谱线变宽较小—纵向弛豫较易；(T2=1s)c)气体—自旋核间能量交换不易—T2最大—谱线变宽最小—横向弛豫最难发生。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，T2下降，越多纵向弛豫发生—谱线宽。横向弛豫

在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间T1和T2大致相当，在0.5-50s之间。两种弛豫过程中，时间短者控制弛豫过程。弛豫核磁共振信号的多重性峰多重性表示：单峰(s)，双重峰(d)，三重峰(t)，四重峰(q)，五重峰(qui)，六重峰(sxt)，七重峰(sep)，多于四重的也可用多重峰(m)。对于由二个或三个不同偶合常数产生的多重峰，则以两个双峰(dd)或三裂双峰(ddd)等来表示。

由于自旋-自旋偶合而使核磁共振信号裂分为多重峰称信号多重性。核磁共振信号的多重性核磁共振图谱的类型

核磁共振图谱分为一级谱和高级谱，一级谱又叫低级谱。一个自旋体系中的两组质子的化学位移差()至少是偶合常数J的6倍以上，即/J6，为一级谱；当/J<6时为高级谱。

如CHCl2-CH2Cl中

CH=5.85ppm,

CH2=3.96ppm,J=6.5HZ,

在60MHz的仪器中，=（5.85-3.96)60=113.4Hz，

/J=l13.4/6.5=17>6。所以CHCl2-CH2Cl在60MHz仪器中的NMR图是一级谱。(b)在这个自旋体系中同一组质子（它们的化学位移相同）的各个质子必须是磁等价的。一级谱

（1）一级谱的条件

(a)一个自旋体系中的两组质子的化学位移差()至少是偶合常数J的6倍以上，即/J6。

在此，和J皆用HZ作单位，

=

仪器MHz数。

（2）一级谱的规律

磁不等价的质子之间的偶合才有裂分；磁等价的质子之间，尽管有偶合，但不发生裂分。如CH3-CO-CH3中甲基出一个单峰。ClCH2-CH2Cl的四个质子虽然在两个碳上，仍为单峰。一级谱(d)各组质子的多重峰的强度比为二项式展开式的系数比。(e)各类质子积分面积之比等于质子个数之比。(a)符合n+l规律。(b)各组质子的多重峰中心为该组质子的化学位移，峰形左右对称，还有“倾斜效应”。(c)偶合常数可以从图上直接给出来。一级谱的规律

化学等价与磁等价1.化学等价

化学等价又称为化学位移等价。若分子中两个相同原子（或基团）处于相同的化学环境时，则称它们是化学等价的

如果通过对称操作或快速机制一些核可以互换，则这些核是化学等价的核。在非手性条件下，这些核具有严格相同的化学位移。1.化学等价

化学等价有等位质子和对映异位质子两种情况。

可以通过对称轴旋转而互换的质子叫等位质子，等位质子在任何环境(手性或非手性的)中都是化学等价的。

没有对称轴，但是有其它对称因素的质子叫对映异位的质子。

在非手性溶剂中，对映异位的质子具有相同的化学性质，是化学位移等价的；但是在光学活性溶剂或酶产生的手性环境中，对映异位的质子在化学上是不等同的，在NMR图谱上也不等同。化合物A的两个质子有一对称面，当用另外一个基团分别取代Ha和Hb后，产生的两个新化合物A‘和A“为不能重叠的对映异构体，这个化合物的两个质子为对映异位质子。

在环丙烯(B)中，两个烯氢Ha,Hb有对称轴，为等位质子。而甲基环丙烯(c)中两个烯氢Ha,Hb有对称面，无对称轴，为对映异位。

分子中不能通过对称操作进行互换的质子叫做非对映异位的质子。非对映异位的质子在任何环境中都是化学不等价的。如下列化合物中的亚甲基上质子是非对映异位的。

非对映异位不仅对原子而言，对基团也适用。如下面两个化合物中异丙基上两个甲基为非对映异位。OHCH3CCHCH3CH3CH3CHCH3CH32.磁等价

若化合物中两个相同原子核所处的化学环境相同，且它们对任意的另外一核的耦合常数亦相同（数值和符号），则两原子为磁等价的。同时满足下列两条件：(1)它们是化学等价的(2)它们对任意另一核的耦合常数J相同（数值及符号）化学等价与磁等价HA及HA

化学等价且磁等价，因它们对HB都是间位耦合，其耦合常数4J相同#1CH3CH2X中—CH3上的三个质子是化学等价的，也是磁等价的；#2

二氟乙烯中Ha和Hb是化学等价的，但因JHF(顺式)JHF(反式)，所以Ha和Hb不是磁等价质子；由于两个氢磁不等价，其氢谱线数目超过10条。

#3

对-硝基氟苯中，Ha与Hb为化学等价，但不是磁等价（3Jac5Jbc）。注意：化学等价，不一定磁等价，但磁等价的一定是化学等价的。磁等价的核之间也有偶合，但不产生裂分。磁不等价的两组核之间的偶合才有自旋分裂。快速机制

分析核的等价性时，分子的内部运动(即快速机制)必须考虑。

分子的内部运动相对于NMR时间标度是快的，则分子中本来不是等价的核将表现为等价；如果这个过程是慢的，则不等价性就会表现出来。如环己烷中的直立氢和平展氢之间由于环的快速反转而使这两个氢成为化学等价的。

环已烷在室温下由于环的快速反转，使得低温时同碳上构象为非对映异位的平伏和直立键的质子变成了对映异位质子，即化学位移等价。H1、H2、H3应是磁不等价，H4、H5也应是磁不等价。在室温下，分子绕C-C键高速旋转，各个质子都处于一个平均环境中，因此CH3中三个质子为磁等价，CH2中两个质子为磁等价。

羟基酸中的羧酸质子和羟基质子，由于活泼氢的快速交换，只产生一个单峰，即化学位移等价。

常温下,一般不考虑活泼氢与邻近碳上其它质子的偶合。但在两种情况下要考虑活泼氢与邻近碳上其他质子的偶合:1.在低温下测试时;2.用二甲亚砜做溶剂时,活泼氢与邻近碳上其它质子有偶合。3.

质子的磁不等价性：(一些常见的磁不等价性质子)

（a）双键的同碳质子是磁不等价

HaHbC=CFaFb的两个氢磁不等价，它们对两个F的偶合不相同。化学等价与磁等价

构象固定的环上的CH2为磁不等价。（c）单键不能自由旋转时有磁不等价质子