核磁共振谱基础

主要参考书：1。林永成有机化合物的结构鉴定与有机光谱学科学出版社19992.孔垂华，徐效华有机化合物的分离与结构鉴定2003，化学化工出版社3.EberhardBeritmaierstructuralelucidationbynmr当前1页，总共106页。.第一章核磁共振的基础知识概述

核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。当前2页，总共106页。核磁共振发展的历史1921年o.Stern发现了原子通过不均匀磁场会发生偏转。证实了电子磁距在磁场中有不同的取向。1939年I.I.Rabi首先让氢分子通过不均匀磁场，然后再通过一个均匀磁场，同时在均匀磁场设置一个射频场，发现氢分子能吸收特定的频率射频而发生偏转。这是首次发现核磁共振现象。Rabi的这一实验获得1944年若贝尔物理奖。当前3页，总共106页。1949年发现了金属铜与Cu2Cl263Cu的NMR的共振频率不同，确立了原子核与核处的化学环境有关，从而揭示了NMR信号与物质结构的关系。1949年首次将脉冲技术应用到NMR实验，并发现了水于甘油质子衰减振荡信号（FID).当前4页，总共106页。1951年等发现了NaSbF6NMR有5条谱线组成。这是首次观察到的自旋偶合现象。1952年E.M.PurcellandF.Bloch因为发现一般状态的核磁共振现象，获得若贝尔物理奖。1953年发现了NOE效应。当前5页，总共106页。1957年首次利用连续波观测13C谱。1965年提出了傅立叶变换原理，使脉冲FTNMR方法在实际中得以实现。1971年比利时科学家J.Jeener提出了二维核磁的原理和实验方法。1971年R.Damadian首次提出核磁成像原理当前6页，总共106页。1975年提出了二维13C分解谱，获得了第一张二维谱。1976年确立了二维谱的理论基础。和同核化学位移相关谱。它是二维谱和多维谱的里程碑。（J.Chem.Phys.1976,64,2229)当前7页，总共106页。1979L.Muller提出HMQC原理。1979J.Jeener提出化学交换相关谱。1980年S.Mucura提出NOESY技术1981年A.Bax将INADEQUATE技术应用推广到二维谱。1981A.Bax提出远程COSY技术。1982年DEPT技术得到应用。当前8页，总共106页。1982年RR.Ernst提出接力相关谱和多量子滤波相关谱（MQF-COSY).1982年RR.Ernst提出TOCSY谱。1984年H.Kessler提出了COLOC技术。1985年A.BaX提出了HOHAHA技术。1986年A.Bax提出了HMBC技术。1987年C.Griesinger和提出三维相关谱技术。1991年提出四维NMR.1992年瑞士科学家RR.Ernst因其在傅立叶变换和二维核磁方面的杰出贡献获得若贝尔化学奖当前9页，总共106页。12位因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家1944年I.Rabi1952年F.Block1952年1955年1955年P.Kusch1964年1966年A.Kastler1977年J.H.VanVleck1981年N.Bloembergen1983年H.Taube1989年1992年当前10页，总共106页。1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(FelixBloch)&珀赛尔(EdwardPurcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。布洛赫(FelixBloch)珀赛尔(EdwardPurcell)RelatedNobelPrize当前11页，总共106页。1991年诺贝尔化学奖：恩斯特（1933－）瑞士物理化学家他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括：

一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱二.二维核磁共振谱三.核磁共振成像当前12页，总共106页。2002诺贝尔化学奖:

瑞士科学家库尔特·.维特里希“forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution".他将获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。

Ifoneknowsallthemeasurementsofahouseonecandrawathree-dimensionalpictureofthathouse.Inthesameway,bymeasuringavastnumberofshortdistancesinaprotein,itispossibletocreateathree-dimensionalpictureofthatprotein.

当前13页，总共106页。2003年诺贝尔医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象Peter当前14页，总共106页。MRIisusedforimagingofallorgansinthebody.

当前15页，总共106页。小结：核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)是上世纪中叶发现的低能电磁波（无线电波）与物质相互作用的一种基本物理现象。50多年来，核磁共振技术得到了迅猛的发展。目前核磁共振技术广泛应用于工业、农业、化学、生物和医药等领域，它是确定有机化合物特别是新的有机化合物结构最有力的工具。NMR证明了核自旋的存在，为量子力学的一些基本原理提供了直接的验证，并且首次实现了能级反转，这些为激光的产生和发展奠定了坚实的基础。到了近代核磁共振由一维发展到二维，使其更加完善并得到更加广泛的应用。

当前16页，总共106页。核磁仪器.1953年美国Varian公司研制第一台商品化NMR(30MHz)核磁仪。.1964年Varian公司研制第一台超导核磁谱仪（200MHz)..1969年Varian研制成功脉冲傅立叶变换核磁谱仪（XL-100)..1987年Bruker公司研制成功第一台600MHz核磁仪..1993年Bruker公司研制成功第一台750MHz核磁仪。2001年Varian研制成功第一台900MHz核磁仪。当前17页，总共106页。当前18页，总共106页。核磁共振仪的主要组成部分：

1.磁铁2.探头3.锁场单元4.匀场单元5.样品旋转管当前19页，总共106页。观察共振现象通常有两种方法：一：调频当前20页，总共106页。应用领域化学，物理，生命科学，医学，药物学。.定性与定量分析。.有机化合物结构的鉴定和未知化合物结构测定高分子化合物结晶度的测定，高分子链立体构型测定。.生物大分子的结构与功能研究。药理研究，生物活体组织含水量的测定。.疾病的诊断。当前21页，总共106页。一些实际的应用分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质——脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定当前22页，总共106页。二：调场聚四氟乙烯样品的共振曲线水样品的共振曲线当前23页，总共106页。扫描过程中的共振吸收图：当前24页，总共106页。核磁共振波谱所谓核磁共振波谱，实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移（横坐标）的关系曲线。乙醇中三个核磁共振吸收谱当前25页，总共106页。乙基苯的核磁共振谱图当前26页，总共106页。第一节基本原理

1．1原子的磁性.1。原子的磁距原子核是带正电的粒子，若其进行自旋运动将能产生磁极矩，但并不是所有的原子核都能产生自旋，只有那些中子数和质子数均为奇数，或中子数和质子数之一为奇数的原子核才能产生自旋

原子核的自旋运动与自旋量子数I相关,I=0的原子核没有自旋运动.只有I≠0的原子核有自旋运动

I=1/2;1H,13C,15N,19F,31P,77Se,113Cd,119Sn,195Pt.I=3/2;7Li,9Be,11B,23Na,33S,35Cl,37Cl,39K,63Cu,79Br此外还有I=5/2,7/2,9/2,1,2,3等。

I=1/2的原子核，电荷均匀分布在原子核表面，核磁共振的谱线窄，最适合核磁共振检测。1H,13C原子核是最为常见,其次是15N,19F,31P核。当前27页，总共106页。磁矩(m)角动量(P)m=g.P|P|=[I(I+1)]1/2h/2pg旋磁比当前28页，总共106页。当前29页，总共106页。当前30页，总共106页。当前31页，总共106页。当前32页，总共106页。核动量距即磁距的空间量子化根据量子力学原理，原子核自旋角动量在z轴上的投影是一些不连续的数值：Pz=mh/2π,m=I,I-1……-I.原子核不同能级能量之差为：ΔE=γΔmh/2πB0.根据量子力学选律，只有Δm＝＋1，－1的跃迁是允许当前33页，总共106页。图1。1原子核自旋角动量的空间量子化.核磁距共有2I+1个取向。当前34页，总共106页。2核磁共振的产生拉莫尔进动在磁场中，通电线圈产生磁距，与外磁场之间的相互作用使线圈受到力矩的作用而发生偏转。同样在磁场中，自旋核的赤道平面也受到力矩作用而发生偏转，其结果是核磁距围绕磁场方向转动，这就是拉莫尔进动。当前35页，总共106页。当前36页，总共106页。在静磁场中，原子核绕其自旋轴旋转，自旋轴与核磁矩μ方向一致，与静磁场保持一夹角θ而绕静磁场进动。（Larmor进动。）当前37页，总共106页。当前38页，总共106页。EH0NomagneticfieldMI=-1/2,Eb=1/2(ghH0)MI=1/2,Ea=-1/2(ghH0)baEnergyZeeman分裂及能量描述MI=1/2hn共振吸收E=ghH0当前39页，总共106页。在静磁场，具有磁距的原子存在不同的能级。如果用一特定的频率电磁波照射样品，满足ΔE=hν

=γh/2πH0,原子核即可进行能级跃迁，这就是核磁共振。ν为电磁波的频率，其相应的圆频率：ω＝2πν。当前40页，总共106页。当前41页，总共106页。第二节.化学位移某一种核，由于所处的化学环境不同，核的共振频率也不尽相同，因而它们的譜线出现在谱图的不同位置上，这种现象称作化学位移（chemicalshift）.化学位移是如何产生，一般认为核外电子对外加磁场的屏蔽（shielding）作用的结果。假定有一孤立的原子核外电子云分布是球形对称的（如氢原子的s电子），在外加磁场（H0）的作用下，核外电子便在磁场方向上饶核运动，产生感应磁场（H`)。根据楞次定律感应磁场（H`，））的方向与外加磁场H0方向相反。

当前42页，总共106页。当前43页，总共106页。当前44页，总共106页。H=(1-σ)H0根据前面的公式ω＝γHω=2πν核的共振频率ν与H0有如下关系：ν＝γH0（1－σ）∕2πσ为原子核屏蔽系数，由于荷所处化学环境不同其σ的值不同，因此共振频率ν也不同。σ＝σA+σM+σ’σA是原子的屏蔽，σm是分子内部的屏蔽。σ’为分子间屏蔽。当前45页，总共106页。

=——————106=————106V样品-V标准V标准ΔVV标准标准物:四甲基硅烷(CH3)4Si，TMS=0（单峰）CHCl3：=——————106=7.28ppm60MHZ

437HZ基准物质核磁共振仪主要测定有机物分子中能自旋原子核的化学位移δ，自旋原子核在有机物分子中位置不同，其化学位移δ值也不同，即在核磁共振谱图上出峰的位置有差异。真实的化学位移δ值很小，不便谱图峰位置的标定。这样在具体测试中必须采用某一标准物质为基准，而且需要将真实的δ数值处理放大.现在的核磁共振谱图中的化学位移δ值均为和基准物质四甲基硅烷化学位移δ值的相对比值，并被放大100万倍。化学位移当前46页，总共106页。基本术语

（1）正屏蔽：核周围电子云密度增加或感应磁场的方向与外加磁场相反，谱线向高场（向右移），δ值降低，符号为（＋）；（2）去屏蔽效应：核周围电子云密度减少或感应磁场的方向与外加磁场相同，谱线向低场（向左移），δ值增加，符号为（－）；（3）抗磁性位移：谱线向高场方向移动；（4）顺磁性位移：谱线向低场方向移动。当前47页，总共106页。当前48页，总共106页。当前49页，总共106页。影响化学位移的因素核的化学位移的问题是核的磁屏蔽，影响化学位移的因素归根到底为磁屏蔽。σ＝σA+σM+σ’σA为原子的屏蔽，σM为分子内部的屏蔽，σ’指分子间的屏蔽

当前50页，总共106页。当前51页，总共106页。诱导效应（inductiveeffect）某基团如果与电负性较强的原子（基团）连接，由于电负性较强的原子的拉电子作用，使该基团周围的电子密度降低，核的屏蔽减少，谱线向低场移动，这种效应称之诱导效应。例如当前52页，总共106页。

当前53页，总共106页。

ProtonChemicalShiftsofMethylDerivativesProtonChemicalShifts(ppm)当前54页，总共106页。在CH3X中δ值与电负性EX有明显的依赖关系。随着卤素的电负性增加，拉电子能力增强。因而碳原子周围电子密度下降，由于氢原子与之相连，其电子密度也下降导致磁屏蔽减少δ值增加。反之亦然。

当前55页，总共106页。CH3X当前56页，总共106页。/ppm/ppm试比较下面化合物分子中HaHbHc值的大小。

b>a>c讨论

电负性较大的原子，可减小H原子受到的屏蔽作用，引起H原子向低场移动。向低场移动的程度正比于原子的电负性和该原子与H之间的距离。当前57页，总共106页。共轭效应（conjugateeffect）在具有多重健或共轭多重健的分子体系中，由于π电子的转移导致某基团电子密度和磁屏蔽的改变，此种效应称之共轭效应。共轭效应有两种类型：π－π和p-π共轭,值得注意的是这两种效应电子转移方向是相反的。

在左的情形，氧原子具有孤对电子，与乙烯双键构成p-π共轭，电子转移的结果，使β位的C,H的电子云密度增加磁屏蔽也增加，因而δ减少。

（乙烯的δ为5。25ppm）。右边的情形属于π－π，电子转移的方向恰恰相反，使β位的C,H的电子云密度降低，磁屏蔽也减少，因而δ增加。

当前58页，总共106页。当前59页，总共106页。磁各向异性（magneticanisotropiceffect）如果分子具有多重键或共轭多重键，在外磁场作用下，π电子会沿着分子的某一方向流动，形成次级磁场，从而影响分子的磁屏蔽，由于次级磁场具有方向性，对分子各部位的磁屏蔽亦不同，称之为磁各向异性效应。

环电流效应:由于苯环π电子的离域性，或流动性，在外加磁场H0的作用下，当H0的方向垂直于苯环平面时，π电子便沿着苯环碳链流动，形成环电流（ringcurrent）,电子流动的结果产生磁场，根据楞次定律，感应磁场的方向与外加磁场H0相反，因此苯环平面的上下正屏蔽区，侧面形成去屏蔽区，苯环的质子处于去屏蔽区。问题：为什么苯环的质子的化学位移比乙烯大？当前60页，总共106页。当前61页，总共106页。当前62页，总共106页。双键与羰基δH=9~10δH=5.25当前63页，总共106页。炔烃的屏蔽δ＝2～3当前64页，总共106页。范德华效应（VanderWaaslsseffect）当两个原子相互靠近时，由于受到范德华力的作用，电子云相互排斥，导致原子周围的电子云密度降低，屏蔽减少，谱线向低场移动，这种效应称之为范德华效应。当前65页，总共106页。氢键效应（effectofhydrogenbond）包括分子间和分子内类型

纯的乙醇与7％乙醇（CDCl3）δ值分别为5.40,2.65乙基的位置基本不变，而羟基的值相差很大，这是因为纯乙醇中存在分子间的缔合，缔合的分子存在氢键：形成氢键的质子由于受到两个氧原子的拉电子作用（诱导效应），其氢谱出现在低场位置上，当乙醇溶于CDCl3时，乙醇分子被CDCl3分子隔开，形成氢键的几率大为减少，OH峰移向高场位置。

当前66页，总共106页。有物机分子中氢核化学位移δ值产生影响的是氢键作用。对于含有羟基和氨基的有机物，往往形成氢键，这样氢键的作用会导致氧和氮原子上氢的化学位移δ值的变化。一般而言，有机物分子形成氢键会使氢核周围的电子云密度降低，即可发生类似去屏蔽的作用这样能形成氢键的有机物分子，其氧和氮原子上氢的化学位移δ值会显著增大

当前67页，总共106页。溶剂效应（solventeffect）

尽可能采用同一种溶剂，氘代CDCl3是最常用溶剂。尽量使用浓度相同的溶液，浓度不同溶剂效应一般亦不同，在测试灵敏度许可的前提下，尽量使用稀溶液，以减少溶剂间的相互作用。除非必要，尽量不使用具有多重键的溶剂，如苯，吡啶，丙酮，虽然溶剂效应给NMR测试带来不利因素，但有时也可以利用溶剂效应将不容易分开的谱线分开。如甾醇甲基在CDCl3未能分开，用吡啶作溶剂，这些甲基峰便可以分开。

当前68页，总共106页。顺磁效应（paramagneticeffect）如果样品中加入顺磁性物质，NMR谱将会有重大的变化。谱线加宽，谱线的宽从原来的几个Hz增至数十至数百Hz.化学位移范围增加，1H的δ值可增加数十乃至一百多ppm.

当前69页，总共106页。当前70页，总共106页。当前71页，总共106页。1.3自旋耦合（spin-spincoupling)1.自旋偶合1951W.G.Proctor发现NaSbF6的121SbNMR谱由5个峰,

1952年H.S.Gutowsky等发现POCl2F的19FNMR是两条相等谱线而且发现谱线之间的距离不随着外加磁场强度变化而改变

这种分裂不是由非等价核引起的，而是由邻近核的自旋与所观察的核自旋的相互作用引起的。当前72页，总共106页。N.F.Ramsey等进一步从理论阐明了自旋偶合的机理，指出这种自旋之间的相互作用不是直接的，而是间接的，是通过化学键中的成键电子传递的。当前73页，总共106页。所谓的自旋偶合（spin-spincoupling）就是由于核自旋之间的相互作用，导致NMR谱线的分裂的现象。A核的信息（磁性大小，空间量子化状态）便通过成键电子传递到B核，反之亦然。当前74页，总共106页。2.分裂规律（一级分裂）由于邻近核的偶合作用使谱线发生分裂，谱线分裂的数目N与邻近核的自旋量子数（I）及核的数目（n）有如下关系：N＝2nI+1当I=1/2,N=n＋1。称之为“n+1”规律。这是解释氢谱分裂的重要规则，同时也适用于I=1/2的其他的核。当前75页，总共106页。例如乙醚分子当前76页，总共106页。甲基自旋偶合组合方式当前77页，总共106页。亚甲基自旋偶合组合方式当前78页，总共106页。CH3:有三种组合方式，几率是：1：2：1。谱线的强度之比为1：2：1。CH2:有四种组合方式，几率比：1：3：3：1。谱线的强度之比为1：3：3：1。从二核与三核体系不难看出，谱线的强度之比遵守二项式（a+b）n系数规律。自旋偶合形成的峰分裂数目和相邻的不同种氢核的数目相关。当一种氢核有n个相邻的不同氢核存在时，其核磁共振氢谱的峰分裂成n+1个，各分裂峰间的距离称作偶合常数J，各分裂峰的强度比等于（a+b）n二项式展开的各项系数之比

当前79页，总共106页。n分裂峰强度比峰分裂数目01单峰111双重峰2121三重峰31331四重峰414641五重峰515101051六重峰61615201561七重峰NaSbF6的121SbNMR谱线有7条组成，但由于最外面两条谱线的强度，只有次外面两条谱线的1/6,强度太弱，以致用一般的谱仪很难观察到.当前80页，总共106页。当前81页，总共106页。当前82页，总共106页。1．4偶合常数（couplingconstant）当自旋体系存在自旋－自旋偶合时，核磁共振谱线发生分裂。由分裂所产生的裂距反映了相互偶合作用的强弱，称之为偶合常数（Couplingconstant）.用J表示。J以赫兹（Hz）(周/秒)为单位。偶合常数J反映的是两个核之间作用的强弱，故其数值与仪器的工作频率无关。偶合常数的大小和两个核在分子中相隔化学键的数目相关，故在J的左上方标以两核相距的化学键的数目。当前83页，总共106页。A1=6.10,A2=6.00B1=5.10,B2=5.20当前84页，总共106页。例如：13C-1H之间的偶合标为1JC-H1H-C-C-1H标为3JH-H偶合常数随着化学键数目的增加而下降。两个自旋核相距四键以上称之为远程偶合（long-rangespin-spincoupling）。碳谱2J以上称之为远程偶合。谱线分裂反映偶合常数J的大小，确切地说是反映J的绝对值。偶合常数有正负之分。对于直链烷烃一般规律是：相隔单数键的偶合常数nJ大于零（n为奇数）；相隔双数键的偶合常数nJ小于零（n为偶数）。相互偶合两核，如果它们的取向反平行时，自旋体系的能量较低，那么它们的偶合常数是正的。反之则为付的。例如1JH-H,3JH-H,1JC-H>0;2JH-H<0.当前85页，总共106页。影响偶合常数的因素当前86页，总共106页。(1).相隔化学键的数目（核间距）一般说来，随着所观察的核之间相隔化学键数目的增加，核间距相应增大。核之间的偶合逐渐减弱，偶合常数也逐渐变小。例如饱和烃在饱和链烃中，随着相隔化学键数目的增加，偶合常数的符号虽有不同，但其绝对值的变化很有规律：隔着四个σ键的偶合一般不容易观察到。|2J|>|3J|>|4J|.当前87页，总共106页。在13C-13C偶合中，随着键长的缩短，1JC-C显著增加。当前88页，总共106页。当前89页，总共106页。(2)化学键的性质由于核之间的化学键的类型不同，它们的传递偶合的能力亦不同，一般来说，多重键传递能力比单键强，因而偶合常数亦较大。饱和烃饱和链烃中C-C单键传递偶合能力较弱，因而J值较小，一般3JH-H=7~9Hz,4JH-H<0.5Hz.当前90页，总共106页。烯烃烯烃中的π键传递偶合的能力比σ键强，因此3JH-H比饱和烃大。例如乙烯的3JH-H特别大（11.6~19.1）。但如果双键与碳碳单键连接那么整个碳链传递偶合的能力大大减弱。如果两个双键相连时，传递能力很强，例如丙二烯H2C=C＝CH2的4JH-H高达7Hz.

当前91页，总共106页。炔烃炔烃的键包含两个π键一个σ键，按照一般推理，传递偶合的能力要比C=C键强，其3JH-H值应该比乙烯大，但实验结果出乎意料，乙炔的3J-H-H（9.6Hz）仅仅是乙烯3J反的一半（19.1Hz）.原因在前面已经解释

当前92页，总共106页。远程偶合（longrangecoupling）对于两个相互偶合核，相隔4个化学键以上的偶合叫远程偶合。其偶合常数一般较小（1～3Hz），由于π键传递偶合的能力比σ键强，因而远程偶合在不饱和烃较容易观察到。

当前93页，总共106页。烃类分子远程偶合常数当前94页，总共106页。(2)化学键电子云分布

在典型烃类分子中，1JC-H与碳原子的杂化轨道有关，如表所示，其中s%表示杂化轨道中s电子所占的百分比。虽然三种分子的杂化轨道不同，但1JC-H/s%的比值很相近，既然偶合常数与杂化轨道密切相关，那么它与化学键的电子云分布当然也有密切关系。随着s％电子的增加，成键电子云较多在近核区和化学键的轴心区，因为s电子云比p电子云更多地分布在近核区，换句话说，随着s％电子的增加，成键电子的活动区域局限于核与化学键的周围，很明显，这种电子云分布状态有利于传递相隔一个化学键的偶合（1J