第一核磁共振波谱分析法

第一核磁共振波谱分析法第1页，课件共59页，创作于2023年2月生物用核磁共振仪台式核磁共振仪第2页，课件共59页，创作于2023年2月TheWinnerofTheNobelPrizeinPhysics(1952)R.R.Ernst恩斯特TheWinnerofTheNobelPrizeinChemistry(1991)K.Wüthrich(维特里希因）TheWinnerofTheNobelPrizeinbiomacromolecule

(2002)核磁共振领域诺贝尔奖获得者E.M.Purcell珀赛尔F.Bloch

布洛赫1946年发现核磁共振现象FT-NMRand2DNMR发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法

第3页，课件共59页，创作于2023年2月S.P.Mansfield(彼得－曼斯菲尔德),UniversityofNottingham,英国P.C.Lauterbur(保罗－劳特布尔),UniversityofIllinois,美国

2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。第4页，课件共59页，创作于2023年2月核磁共振基本原理图谱解析与结构鉴定核磁共振波谱仪第5页，课件共59页，创作于2023年2月第一节

核磁共振基本原理

principleofNMR

原子核的自旋核磁共振条件弛豫过程第6页，课件共59页，创作于2023年2月一、概述

(introduction)

核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（10-1~102MHz数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收谱（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究纯化合物结构、混合物成分及定量分析等。第7页，课件共59页，创作于2023年2月特点：与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于原子核自旋跃迁所得吸收谱；应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、定量等；不需要标准样品，可直接进行定量；不破坏样品；只能研究磁性核。第8页，课件共59页，创作于2023年2月核磁共振现象产生的条件？第9页，课件共59页，创作于2023年2月一、原子核的自旋

atomicnuclearspin第10页，课件共59页，创作于2023年2月★原子核的自旋特性，在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态。而自旋量子数I的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。

若原子核存在自旋，产生自旋角动量：★原子核的基本属性：质量和电荷数。自旋量子数（I）与质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：第11页，课件共59页，创作于2023年2月=>核磁矩：

（:磁旋比）原子核的磁性第12页，课件共59页，创作于2023年2月质量数质子数中子数自旋量子数

核磁性

实例（A）（Z）（N）（I）偶数 偶数偶数0无12C,16O,32S

偶数 奇数奇数1，2，3….

有2H,14N奇数奇数或偶数偶数或奇数1/2；3/2；5/2….

有1H,13C,17O,19F,31P质量数质子数INMR信号原子核偶数偶数0无12C6

16O8

32S16奇数奇或偶数1/2有1H1

13C6

19F9

15N7

31P15奇数奇或偶数3/25/2…有11B5

35Cl17

79Br35

81Br35

17O8

33S16偶数奇数1,2,3有

2H1

14N7第13页，课件共59页，创作于2023年2月讨论:(1)

I=0的原子核16O；12C；22S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；第14页，课件共59页，创作于2023年2月(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。第15页，课件共59页，创作于2023年2月磁性核在外磁场中的行为拉莫尔进动第16页，课件共59页，创作于2023年2月当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种自旋取向：I=1/2的核，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第17页，课件共59页，创作于2023年2月EH00无磁场外加磁场m=-1/2E2m=1/2E1△E

根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核磁场作用能E，即各能级的能量为I=1/2的核自旋能级裂分与H0的关系I=1/2的核在磁场中，由低能级(E1)向高能级(E2)跃迁时，所需的能量(△E)为△E与核的磁旋比和外磁场强度成正比。第18页，课件共59页，创作于2023年2月二、核磁共振条件

conditionofnuclearmagneticresonance

在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。

当发生核磁共振时，原子核磁能级的能级差必然等于电磁波的能量，则：第19页，课件共59页，创作于2023年2月共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2)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。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（特斯拉）第20页，课件共59页，创作于2023年2月三、弛豫过程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。第21页，课件共59页，创作于2023年2月

在NMR中，弛豫过程有两种方式，即自旋——晶格弛豫和自旋——自旋弛豫。自旋——晶格弛豫，又称纵向弛豫，用T1表示；自旋——自旋弛豫，又称横向弛豫，用T2表示。第22页，课件共59页，创作于2023年2月第23页，课件共59页，创作于2023年2月第24页，课件共59页，创作于2023年2月第25页，课件共59页，创作于2023年2月第二节

核磁共振与化学位移

NMRandchemicalshift

核磁共振与化学位移

影响化学位移的因素第26页，课件共59页，创作于2023年2月一、核磁共振与化学位移

nuclearmagneticresonanceandchemicalshift推导条件：理想化的、裸露的氢核

,产生单一的吸收峰；

(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2)共振条件目前，常用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。

第27页，课件共59页，创作于2023年2月

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)。屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：第28页，课件共59页，创作于2023年2月1.化学位移

（chemicalshift）

0=[

/(2)]（1-

）H0

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，用表示。第29页，课件共59页，创作于2023年2月2.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?a.12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；b.屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。第30页，课件共59页，创作于2023年2月位移的表示方法

与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。=[（样-TMS)/0]×106ν0影响δ的测量值。

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；第31页，课件共59页，创作于2023年2月二、影响化学位移的因素

factorsinfluencedchemicalshift（1）电负性、氢键--去屏蔽效应

与H核相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离H核，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。-CH3

，

=1.6~2.0，高场；-CH2I，

=3.0~3.5,-O-H，-C-H，大小低场高场第32页，课件共59页，创作于2023年2月（2）溶剂效应

最理想的溶剂：CCl4,CS2,

常用的溶剂：氯仿（CHCl3）、丙酮（CH3COCH3)一般采用氘代衍生物。第33页，课件共59页，创作于2023年2月第三节

自旋耦合与自旋裂分

spincouplingandspinsplitting

自旋偶合与自旋裂分峰裂分数与峰面积磁等同与磁不等同第34页，课件共59页，创作于2023年2月一、自旋偶合与自旋裂分

spincouplingandspinsplitting

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35页，课件共59页，创作于2023年2月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。第36页，课件共59页，创作于2023年2月二、峰裂分数与峰面积

numberofpearsplittingandpearareas

峰裂分数：n+1规律；n:相邻碳原子上的状态相同的H核数；相对强度比符合二项式（a+b)n展开式的系数比。

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。第37页，课件共59页，创作于2023年2月峰裂分数(一）1:11:3:3:11:11:2:11:6:15:20:15:6:11:11H核与n个等价1H核相邻时，裂分峰数：(n+1)第38页，课件共59页，创作于2023年2月峰裂分数（二）1H核与n个不等价1H核相邻时，裂分峰数：（n1+1)(n2+1)……个；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=2×2×2=8Ha裂分为8重峰第39页，课件共59页，创作于2023年2月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：1:5:10:10:5:1第40页，课件共59页，创作于2023年2月三、化学等价和磁等同

magneticallyequivalent1.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。

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。2.磁等同第41页，课件共59页，创作于2023年2月磁等同例子：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）第42页，课件共59页，创作于2023年2月第四节

谱图解析与化合物结构确定analysisofspectrographandstructuredetermination

谱图中化合物的结构信息简化谱图的方法谱图解析谱图联合解析第43页，课件共59页，创作于2023年2月

一、谱图中化合物的结构信息structureinformationofcompoundinspectrograph（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类,多少种；（2）峰的面积(积分线)：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。第44页，课件共59页，创作于2023年2月邻苯二甲酸二乙酯的NMR谱图CAS：84-66-2分子式：C12H14O4分子量：222.24第45页，课件共59页，创作于2023年2月一级谱的特点裂分峰数符和n+1规律，相邻的核为磁等价即只有一个偶合常数J；若相邻n个核，n1个核偶合常数为J1，n2个核偶合常数为J2，n=n1+

n2则裂分峰数为（n1+1)(n2+1)峰组内各裂分峰强度比(a+b)n的展开系数从谱图中可直接读出和J，化学位移在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数J第46页，课件共59页，创作于2023年2月非一级谱（二级谱）

一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数目组内各峰之间强度关系复杂一般情况下，和J不能从谱图中直接读出第47页，课件共59页，创作于2023年2月二、简化谱图的方法

methodsofsimplingspectrograph1.采用高场强仪器60MHz100MHz220MHzHCHBHA第48页，课件共59页，创作于2023年2月2.溶剂效应及活泼氢D2O交换反应

核磁共振谱的测定，一般使用氘代溶剂

（如CDCl3），以避免普通溶剂分子中H的干扰。同一质子在不同的溶剂中，所测得的δ值往往不同。这种由于溶剂的影响而引起化学位移发生变化的现象称为溶剂效应。

一般含有OH、SH、NH等活泼质子的样品，溶剂效应更明显。因此核磁共振图谱都标出测定时所使用的溶剂。对于含有活泼氢的样品，可先用一般方法测定图谱，然后加入几滴重水(D2O)，再测定图谱，在后一张图谱中信号消失的质子便是活泼质子，同时在=4.7ppm处出现HDO单峰。第49页，课件共59页，创作于2023年2月常用溶剂及其化学位移名称氯仿-d1二甲基亚砜-d6分子式丙酮-d6重水化学位移/ppm1H13CCHCl3-d1(CH3)2CO-d6H2O-d2(CH3)2SO-d6苯-d6甲醇-d4吡啶-d5C6H6-d6CH3OH-d4C6H5N-d5

7.2776.92.05206,29.14.02.539.67.20128.03.34,4.1149.07.18,7.57,149.9,135.58.57123.5第50页，课件共59页，创作于2023年2月三、谱图解析步骤由分子式求不饱合度由积分曲线求1H核的相对数目解析各基团

再解析：

(低