仪器分析-杨屹-核磁共振波谱法

核磁共振波谱法

NMR2020/12/181核磁共振波谱法

NMR概述基本原理谱图解析与应用NMR仪器2020/12/182

核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging‎)，是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance‎，简称NMR‎）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。

将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。

NMR

—概述2020/12/183

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。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。

人脑纵切面的核磁共振成像

NMR

—概述2020/12/184历史1946年---Bloch(StanfordU.)&Purcell(HarvardU.)观察到核磁共振现象1948年---建立核磁弛豫理论1950年---发现化学位移和偶合现象NMR

—概述2020/12/1851952年---NobelPrice(物理）1951年---Arnold发现乙醇的核磁共振信号3组峰历史NMR

—概述2020/12/1862020/12/1871956年---Varian公司第一台高分辨核磁共振波谱仪1965年---傅立叶变换谱学诞生1970s---固体核磁、二维核磁、固体魔角旋转技术（材料学）、核磁成像等NMR

—概述2020/12/188历史1991年---NobelPrice（R.R.Ernst）高分辨核磁共振分光法，成为有机物鉴定和结构测定的重要手段。NMR

—概述2020/12/189NMR

—概述2020/12/1810

2002年的诺贝尔化学奖之一半授予了KurtWüthrich博士,以表彰他在应用核磁共振技术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓越贡献。http://www.mol.biol.ethz.ch/wuthrich/people/kw/cv2en.htmlNMR

—概述2020/12/1811TheNobelPrizeinChemistry2002JohnB.FennKoichiTanakaKurtWüthrich

1/4oftheprize

1/4oftheprize

1/2oftheprizeUSAJapanSwitzerlandVirginiaCommonwealthUniversity

Richmond,VA,USAShimadzuCorp.

Kyoto,JapanEidgenössischeTechnischeHochschule(SwissFederalInstituteofTechnology)

Zurich,Switzerland;TheScrippsResearchInstitute

LaJolla,CA,USAb.1917b.1959b.1938"forthedevelopmentofmethodsforidentificationandstructureanalysesofbiologicalmacromolecules""fortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromolecules"

2020/12/1812诺贝尔获奖者的贡献

2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-{zh-tw:保罗·劳特伯;zh-cn:保罗·劳特布尔}-（PaulC.Lauterbur）和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德（PeterMansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。NMR

—概述2020/12/1813自旋核在磁场中的行为化学位移及影响因素自旋偶合及自旋裂分NMR

—原理2020/12/1814

核的自旋核磁共振弛豫过程原理—自旋核在磁场中的行为2020/12/1815一、原子核的自旋核的自旋自旋角动量：I：自旋量子数h：普朗克常数质量数原子序数 自旋量子数I 偶数 偶数0

偶数 奇数1，2，3…. 奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2….2020/12/1816二、原子核的磁矩核的自旋核磁矩（核磁子）：μ=γP

γ－磁旋比2020/12/18171．

I=0

的原子核O(16)；C（12）；S（22）等无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。2．I=1或I>１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。核的自旋2020/12/1818核的自旋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。2020/12/1819无外磁场时—核自旋取向任意有外磁场时—核自旋取向数２I+1磁量子数m=I,I-1,…,-I，对应能级氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2核磁共振–能级分裂2020/12/1820原子核在磁场中的势能E=-hmγH0/2ｍ＝＋1/2E1/2=-hγH0/4ｍ＝-1/2E-1/2=hγH0/4E=

hγH0/2

核磁共振-能级分裂2020/12/1821核磁共振—能级分裂2020/12/1822核磁共振—共振条件电磁辐射能h核磁能级差E=

hH0/2

核磁共振条件=H0/2

2020/12/1823（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;也可固定,改变H0（扫场)。扫场方式应用较多共振条件—

=H0/22020/12/1824核磁共振—共振条件氢核（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（特斯拉）2020/12/1825弛豫过程—

Boltzmann分布根据Boltzmann分布，在磁场中不同能级的核数分布：常温下1H核N+/N-=1000000/10000072020/12/1826弛豫过程

高能态原子核通过非辐射形式放出能量而回到低能态。自旋—晶格弛豫或纵向弛豫自旋—自旋弛豫或横向驰豫2020/12/1827原理－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，使氢核实际受到的外磁场作用减小：

H=（1-）H00=[

/(2)]（1-）H02020/12/1828

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。化学位移2020/12/1829：屏蔽常数。

越大，屏蔽效应越大。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。化学位移2020/12/18301．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化学位移的标准2020/12/18312．为什么用TMS作为基准?

(1)12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；（2）屏蔽强烈，位移最大；（3）化学惰性，易溶于有机溶剂，沸点低，易回收。化学位移的标准2020/12/1832=[（样-TMS)/TMS]106(ppm)小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧化学位移的表示2020/12/1833常见结构单元化学位移范围2020/12/1834影响化学位移的因素（1）诱导效应（2）共轭效应（3）磁各相异性效应（4）范得华效应（5）氢键去屏蔽效应改变电子云密度2020/12/1835（1）诱导效应分子式CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4TMS取代元素FOClBrIHSi取代元素电负性4.0质子化学位移4.263.403.052.6吸电子作用强，电子云密度降低，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。2020/12/1836CH3，=1.6~2.0；-CH2I，=3.0~3.5（1）诱导效应2020/12/1837间隔键数增多，诱导效应减弱CH3Br(2.68ppm)CH3CH2Br(1.65ppm)CH3CH2CH2Br(1.04ppm)（1）诱导效应2020/12/1838（2）共轭效应与诱导效应一样，共轭效应亦会使电子密度变化。2020/12/1839(3)

磁各向异性效应（炔氢）（烯氢）<？>实际值：（炔氢）=1.8~3.0（烯氢）=4.5~7.5（炔氢）<（烯氢）2020/12/1840(3)

磁各向异性效应各向异性效应——

当化合物的电子云分布不是球形对称时，就对邻近氢核附加了一个各向异性磁场，从而对外磁场起着增强或减弱的作用，使在某些位置上的核受到屏蔽效应，移向高场，而另一些位置上的核受到去屏蔽效应，故移向低场。2020/12/1841(3)

磁各向异性效应三键2020/12/1842(3)

磁各向异性效应双键2020/12/1843(3)

磁各向异性效应苯环2020/12/1844（4）氢键的影响分子形成氢键后，使质子周围电子云密度降低，产生去屏蔽作用，使化学位移向低场移动，形成氢键趋势越大，质子向低场移动越显著。2020/12/1845同一化合物在不同溶剂中的化学位移是不相同的，溶质质子受到各种溶剂的影响而引起化学位移的变化称为溶剂效应。（5）溶剂效应溶剂的磁化率、氢键等影响2020/12/1846原理－自旋偶合与自旋裂分

分子中的氢由于所处的化学环境不同，其核磁共振谱与相应的值处出现不同的峰，各峰的面积与氢原子数成正比，借此可鉴别各峰的归属。但在高分辨的仪器上，每类氢核不总表现为单峰，有时裂分为多重峰。裂分峰是由于分子内部邻近氢核自旋的相互干扰引起的，这种邻近氢核自旋之间的相互干扰作用称为自旋耦合，由自旋耦合引起的谱线增多现象称为自旋裂分。2020/12/1847自旋偶合与自旋裂分2020/12/1848自旋偶合与自旋裂分2020/12/1849乙醇的高分辨与低分辨NMR谱峰面积1：2：32020/12/1850由自旋耦合引起的谱线增多现象称为自旋裂分。裂分峰是由于分子内部邻近氢核自旋的相互干扰引起的。邻近氢核自旋之间的相互干扰作用称为自旋耦合。自旋偶合与自旋裂分2020/12/1851如果Ha邻近没有其他质子，则Ha共振条件为：0=[

/(2)](1-)H0Ha邻近有Hb存在，Hb在外磁场中有两种自旋取向，相应产生两种自旋磁场，对Ha核有干扰。自旋偶合与自旋裂分2020/12/1852一种磁场与外磁场Ho同方向，作用于Ha的磁场

H＝Ho＋ΔH另一种与外磁场反方向，作用于Ha的磁场H＝Ho－ΔH1=[

/(2)]［（1-）H0＋ΔH］2=[

/(2)]［（1-）H0－ΔH］自旋偶合与自旋裂分2020/12/1853

多重峰的峰间距：偶合常数（J），用来衡量偶合作用的大小。反映邻近氢核自旋之间的相互干扰程度。原子核间的自旋偶合是通过成键电子传递的，偶合常数的大小与外加磁场无关。偶合常数-J2020/12/1854偶合常数与分子结构的关系

根据偶合质子之间相隔间的数目，可将偶合分为：同碳质子偶合(J同)、邻碳质子偶合(J邻)、远程偶合（三个键以上的质子间的偶合）。偶合常数-J2020/12/1855偶合常数有正负值，一般间隔奇数键时J为正值，间隔偶数键时J为负值。1.同碳质子偶合常数(J同)1)SP3杂化轨道上的J同=-10~-15Hz;2)SP2杂化-C=CH2的J同=-2~+2Hz;

3)环丙烷的J同=-3~-9Hz。偶合常数-J2020/12/18562.邻碳质子偶合常数(J邻)饱和型邻位偶合(H-C-C-H)和烯型邻位偶合(H-C-C-H).1)饱和型J邻:自由旋转时约为7Hz,构型固定时约为0~18Hz；2)烯型J邻：J邻（顺）=6~14Hz，

J邻（反）=11~18Hz；J邻（反）>

J邻（顺）偶合常数-J2020/12/18573.远程偶合常数

1)芳香质子偶合常数

J邻=6~10Hz,J间=1~3Hz,J间=0.2~1.5Hz;

2)烯丙基型偶合长常数(H-C=C-C-H)

偶合常数为负值，在0~-3Hz之间。偶合常数-J2020/12/1858核的化学等价和磁等价性化学等价核：化学位移相同的一组核叫化学等价核。磁等价：分子中有一组化学位移相同的核，他们对组外任何一个核的偶合相等值表现出一种耦合常数，则这组核称为磁等价的核。磁等价的核一定为化学等价的，但化学等价的核不一定磁等价。2020/12/1859化学不等价核凡符合下列情况之一的，均为化学不等价核：1）化学环境不同的核；2）固定环上的CH2的两个氢；3)与不对称碳相连的CH2的两个氢；4）单键带有双键时，会产生磁不等价核；5）单键不能自由旋转时会产生化学不等价核。2020/12/1860核磁共振氢谱谱图分分为一级谱和高级谱。一级谱的特征：

自旋裂分峰的数目为2nI+1,I为核的自旋量子数，n为相邻基团上发生偶合的磁全同核的数目。自旋体系的分类

对于氢核则裂分峰的数目为n+1,称为n+1规律。2020/12/1861n+1规律（1）当某基团上的氢有n个相邻氢时，它将裂分为n+1个峰。若这些相邻氢核处于不同的化学环境中，如一种环境为n个，另一种为n’个，将裂分为（n+1)(n’+1)个峰;（2）自旋裂分峰的强度比基本上为二项式各项系数之比.（3）一组多重峰的中心即为化学位移，各重峰间的距离即为偶合常数。2020/12/1862n+1规律（4）磁全同核之间没有自旋裂分现象，其吸收峰为单一峰，如：CH3-CH3，Cl-CH2-CH2-Cl,CH3-O-等.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2020/12/1863n+1规律-活泼氢活泼氢的峰形与活泼氢之间交换速度有密切关系。如果交换速度快，即活泼氢在O原子上停留时间比1/1000秒短很多，它就不能感觉到邻近质子两种自旋态的不同影响，而是处于一种平均环境之中。邻近质子不对活泼氢峰形产生裂分，故显示单峰。如羟基、亚氨基等。邻近质子也只能处于活泼氢的两自旋态平均环境之中，故活泼氢也不对邻近质子产生峰的裂分。

如：2020/12/1864谱图解析与应用

核磁共振谱图能够提供的化合物结构信息：（1）峰的数目：多少种（2）峰的强度(面积)：多少个（3）峰的位移()：每类质子所处的化学环境（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2020/12/1865谱图解析的步骤检查谱图是否规则：四甲基硅烷的信号应在零点，基线平直，积分曲线在没有信号的地方也应平直。(2)从积分曲线，算出各组信号的相对面积，再参考分子式中氢原子数目，来决定各组峰代表的质子数目。也可用可靠的甲基信号或孤立的次甲基信号为标准计算各组峰代表的质子数。2020/12/1866(3)从各组峰的化学位移，偶合常数及峰型，根据它们与化学结构的关系，推出可能的结构单元。可先解析一些特征的强峰、单峰，如CH3O，CH3N，CH3-C=C等，识别低场的信号，醛机、羧基、烯醇、磺酸基质子均在9～16ppm之间，再考虑其它偶合峰，推导集团的相互关系。(4)识别谱图中的一级裂分谱，读出J值，验证J值是否合理。谱图解析的步骤2020/12/1867(5)结合元素分析、红外光谱、紫外光谱、质谱、13C核磁共振谱和化学分析的数据推导化合物的结构。(6)仔细核对个组信号的化学位移和偶合常数与推定的结构是否相符，必要时，找出类似化合物的共振谱进行比较，进而确定化合物的结构式。谱图解析的步骤2020/12/18682020/12/1869［例1］某化合物分子式为C6H10O3，其核磁共振谱图如下，试确定该化合物的结构。

示例-12020/12/1870

解：从化合物分子式C6H10O3求得未知物的不饱和度为2，说明分子中含有C=O或C=C。但核磁共振谱中化学位移5以上没有吸收峰，表明不存在烯氢。谱图中有4组峰，化学位移及峰的裂分数目为δ4.1ppm（四重峰），δ3.5ppm（单峰）,2.2ppm（单峰），δ1.2ppm（三重峰），各组峰的积分高度比为2：2：3：3，这也是各组峰代表的质子数。从化学位移和峰的裂分数可见δ4.1ppm和δ1.2ppm是互相偶合,与强拉电子基团相连，表明分子中存在乙酯基（－COOCH2CH3),3