核磁共振波譜原理及應(yīng)用2014.ppt

核磁共振譜波譜原理及應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處現(xiàn)代分析方法研究中心 秦海娟,1,一、核磁共振波譜的意義 二、磁共振波譜的基本原理 三、核磁共振波譜儀器的基本組成 四、核磁共振波譜主要信息 五、核磁共振波譜實(shí)驗(yàn) 六、一維氫譜 七、核磁共振氫譜解析 八、核磁共振波譜的應(yīng)用,目錄,2,第一節(jié) 核磁共振波的意義,有機(jī)波譜中的四大譜： 紫外吸收光譜分子中官能團(tuán) 紅外光譜分子中化學(xué)鍵 核磁共振波譜分子中的原子 質(zhì)譜分子量,3,核磁共振或簡(jiǎn)稱NMR是一種用來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及物理特性的光譜學(xué)方法。 核磁共振與紫外、紅外吸收光譜一樣都是微觀粒子吸收電磁波后在不同能級(jí)上的躍遷。紫外和紅外吸收光譜是分子分別吸收波長(zhǎng)為200400nm和2.525m的輻射后，分別引起分子中電子的躍遷和原子振動(dòng)能級(jí)的躍遷。而核磁共振波譜中是用波長(zhǎng)很長(zhǎng)（約106109 m，在射頻區(qū)）、頻率為兆赫數(shù)量級(jí)、能量很低的電磁波照射分子，這時(shí)不會(huì)引起分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，更不會(huì)引起電子能級(jí)的躍遷。但這種電磁波能與處在強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁性原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁場(chǎng)中發(fā)生磁能級(jí)的共振躍遷，從而產(chǎn)生吸收信號(hào)。這種原子核對(duì)射頻電磁波輻射的吸收就稱為核磁共振波譜。,4,m,mm (10-6m),nm (10-9m),A (10-10m),核磁共振研究的材料稱為樣品。樣品可以處于液態(tài)，固態(tài)。眾所周知,宏觀物質(zhì)是由大量的微觀原子或由大量原子構(gòu)成的分子組成，原子又是由質(zhì)子與中子構(gòu)成的原子核及核外電子組成。核磁共振研究的對(duì)象是原子核。 一滴水大約由1022分子組成。,5,第二節(jié) 核磁共振波的基本原理,原子核是微觀粒子，它的許多特性是量子化的，不能用經(jīng)典概念來解釋。,凡是質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)之一是奇數(shù)的核，I 均不為零，亦即有自旋現(xiàn)象； 只有質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均為偶數(shù)的核的 I 才為零，亦即沒有自旋現(xiàn)象，不會(huì)產(chǎn)生核磁共振吸收，這類核在核磁共振研究上是沒有意義的。,6,吸收（或發(fā)射）光譜，檢測(cè)分子中某種原子核對(duì)射頻的吸收。 只有自旋量子數(shù)（I）不為零的核才有NMR信號(hào) 質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)都為偶數(shù) I = 0 (12C, 16O) 質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù) I = 整數(shù) (14N, 2H, 10B) 質(zhì)量數(shù)為奇數(shù) I = 半整數(shù) (1H, 13C, 15N, 31P) I =1 或I 1的原子核，這類原子核的核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少； I =1/2的原子核，原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象，C，H也是有機(jī)化合物的主要組成元素 （1H，13C，15N，19F，31P） 原子核的自旋態(tài)是量子化的: m = I, (I - 1), (I - 2), , -I m 為磁量子數(shù).,7,對(duì)于 1H, 13C, 15N, 31P （生物相關(guān)的核）: m = 1/2, -1/2 這表明這些核只有兩種狀態(tài)（能級(jí)）. 原子核另一個(gè)重要的參數(shù)是磁矩（m）: m = g I h / 2p 磁矩是一個(gè)矢量，它給出了“原子核磁體”的方向和大?。◤?qiáng)度） h 為普朗克常數(shù) g 為旋磁比, 不同的原子核具有不同的旋磁比，是磁性核的一個(gè)特征常數(shù) 不同的原子核具有不同的磁矩,8,在基態(tài)下核自旋是無序的， 彼此之間沒有能量差。它們的能態(tài)是簡(jiǎn)并的: 由于原子核具有核磁矩，當(dāng)外加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)（Ho），核磁矩的取向會(huì)與外磁場(chǎng)平行或反平行: 取向與外磁場(chǎng)平行核的數(shù)目總是比取向反平行的核稍多。,Ho,= g h / 4p,磁場(chǎng)的作用 （對(duì) I = ）,9,m = g I h / 2p,當(dāng)外加一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，取向與外磁場(chǎng)（Ho）平行和反平行的核之間會(huì)有能量差 : 每個(gè)能級(jí)都有不同的布居數(shù)（N）, 布居數(shù)的差別與能量差有關(guān)遵守Boltzmman分布: Na / Nb = e DE / kT 400 MHz（Ho = 9.5 T）下的1H，能量差為3.8 x 10-5 Kcal / mol Na / Nb = 1.000064 與UV或IR相比，布居數(shù)的差別很小。-檢測(cè)靈敏度低,Ho = 0,Ho 0,DE = h n,a,b,能量和布居數(shù),10,原子核的能量（對(duì)于一個(gè)核自旋）與核磁矩和外加磁場(chǎng)的大小成正比 : E = - m . Ho E(up) = g h Ho / 4p - E(down) = - g h Ho / 4p DE = g h Ho / 2p 這個(gè)能量的差就是每個(gè)核可以吸收的能量（與信號(hào)的強(qiáng)度和靈敏度直接相關(guān)）: 磁體的磁場(chǎng)越強(qiáng) （大的Ho），NMR譜儀的靈敏度就越高。 具有較大g值的核，吸收或發(fā)射的能量就越大，也就越靈敏。靈敏度與m、 Na - Nb及“線圈的磁通量”都成正比，這三者都與 g成正比，所以靈敏度與g3成正比。 如果考慮同位素的天然豐度, 13C (1%) 的靈敏度要比1H低上6400倍。,g13C = 6,728 rad / G g1H = 26,753 rad / G,僅僅是 g 的原因 ， 1H 的 靈敏度就大約是13C的64倍,能量和靈敏度,11,能量與頻率是相關(guān)的，我們可以作一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換： DE = h n n = g Ho / 2p DE = g h Ho / 2p 對(duì)于1H來說，在通常的磁體中 (2.35 - 18.6 T), 其共振的頻率在100-800 MHz之間。對(duì)13C, 是其頻率的1/4。,10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 wavelength (cm),g-rays x-rays UV VIS IR m-wave radio,能量和頻率,無線電波波長(zhǎng)最長(zhǎng)，能量最小,12,在外磁場(chǎng)中，原子核能級(jí)產(chǎn)生裂分，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，需要吸收能量。 能級(jí)量子化。射頻振蕩線圈產(chǎn)生電磁波。,對(duì)于氫核，能級(jí)差： E= 2H0 （磁矩） 產(chǎn)生共振需吸收的能量：E= 2H0 = h 0 由拉莫進(jìn)動(dòng)方程：0 = 20 = H0 ; 共振條件： 0 = H0 / (2 )(核磁共振理論基礎(chǔ)）,例：H原子H=2.68108T-1S-1(特斯拉-1 秒-1) C13核的C =6.73107 T-1S-1,核磁共振條件,13,(1) 核有自旋(磁性核) (2) 外磁場(chǎng),能級(jí)裂分; (3) 進(jìn)動(dòng)頻率與外磁場(chǎng)的比值0/H0=/2,核磁共振條件,14,在實(shí)際的樣品中可能存在數(shù)以百計(jì)的自旋系統(tǒng)，它們的共振頻率各不相同。我們用射頻脈沖同時(shí)激發(fā)所有的頻率，接收線圈會(huì)同時(shí)檢測(cè)到所有頻率的信號(hào)。我們看到的結(jié)果是所有信號(hào)的疊加，這就是FID信號(hào)。 對(duì)FID信號(hào)進(jìn)行FT處理就可以得到NMR譜圖。,自由感應(yīng)衰減（FID）,15,一些磁核的性質(zhì),16,第三節(jié) 核磁共振波譜儀器的主要組成,17,超導(dǎo)磁場(chǎng) 目前NMR儀器大多采用超導(dǎo)磁場(chǎng)，即由超導(dǎo)材料組成的線圈浸泡在溫度極低的液氦(-269oC)中，使其處于超導(dǎo)狀態(tài)，然后對(duì)線圈施加電流，由于沒有電阻，撤去電源后，電流仍然在線圈中作恒定的流動(dòng)，也就產(chǎn)生了恒定的磁場(chǎng)。同樣的線圈上，電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)。一個(gè)線圈上能加多大的電流則取決于該線圈的材料以及設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝等。,探頭 探頭的種類與下面幾個(gè)方面有關(guān)：1、液體探頭或固體探頭；2、探頭中線圈直徑的大?。?、固定頻率的或?qū)拵ьl率；4、正向或反向；5、是否具有發(fā)射梯度場(chǎng)脈沖的線圈,18,NMR 探頭,19,傅立葉變換核磁共振波譜儀,恒定磁場(chǎng)，施加全頻脈沖，產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)，經(jīng)過傅立葉變換獲得核磁共振譜圖。,20,天津科技大學(xué)核磁共振譜儀- 布魯克 AVANCE III 400 MHz BBO探頭,21,超導(dǎo)磁體橫切面圖,超導(dǎo)磁體剖面圖,22,Information: Larmor 頻率： 原子核 化學(xué)位移: 結(jié)構(gòu)測(cè)定(功能團(tuán)) J-偶合: 結(jié)構(gòu)測(cè)定(原子的相關(guān)性) 偶極偶合: 結(jié)構(gòu)測(cè)定 (空間位置關(guān)系) 弛豫: 動(dòng)力學(xué),1H,13C,CH3,C=CH-,C=C,CH3,第四節(jié) 核磁共振波譜主要信息,23,NMR示意圖：,24,25,26,理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件： 0 = H0 / (2 ) 產(chǎn)生單一的吸收峰； 實(shí)際上，氫核受周圍不斷運(yùn)動(dòng)著的電子影響。在外磁場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)著的電子產(chǎn)生相對(duì)于外磁場(chǎng)方向的感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與外磁場(chǎng)相反，減弱了外磁場(chǎng)對(duì)氫核的作用，對(duì)氫核起到屏蔽作用，使氫核實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減弱： Heff=H0-H0 = (1- )H0 ：屏蔽常數(shù),化學(xué)位移常數(shù)。 越大，屏蔽效應(yīng)越大。 0 = / (2 ) (1- )H0 這種感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)外磁場(chǎng)的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應(yīng)。,H0,He,一、化學(xué)位移(Chemical Shift),27,0 = / (2 ) （1- ）H0 由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)生共振需要更大的外磁場(chǎng)強(qiáng)度（相對(duì)于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。,在有機(jī)化合物中，由于分子中各組質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同，各種氫核 周圍的電子云密度不同，共振頻率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。,28,化學(xué)位移的表示方法：,1位移的標(biāo)準(zhǔn) 沒有完全裸露的氫核，沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷 Si(CH3)4(Tetramethysilane,TMS)(內(nèi)標(biāo)) 位移常數(shù) TMS=0 2為什么用TMS作為基準(zhǔn)? (1) 12個(gè)氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰； （2）屏蔽強(qiáng)烈，位移最大。與有機(jī)化合物中的質(zhì)子峰不重迭； （3）化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。,29,與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位移最大，但規(guī)定 TMS=0，其他種類氫核的位移為負(fù)值，負(fù)號(hào)不加。, = （ 樣 - TMS) / TMS 106 (ppm), 小，屏蔽強(qiáng)，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，在高場(chǎng)出現(xiàn)，圖右側(cè)； 大，屏蔽弱，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度小，在低場(chǎng)出現(xiàn)，圖左側(cè)；,30,由于化學(xué)位移是與外加磁場(chǎng)成正比，所以在不同的磁場(chǎng)下所的化學(xué)位移數(shù)值也不同。也會(huì)引起許多麻煩，引入ppm并使用同一參照樣品，就使光譜獨(dú)立于外加磁場(chǎng)。,參照樣品峰,300 MHz,500 MHz,300 MHz,500 MHz,1 ppm = 300 Hz,1 ppm = 500 Hz,PPM 單位,31,HC=O,HC=,CH2,CH3,即使使用不同的儀器或在不同的場(chǎng)強(qiáng)下，相同的官能團(tuán)具有相同的ppm值。不同的官能團(tuán)由于存在于不同的電子環(huán)境因而具有不同的化學(xué)位移，從而使結(jié)構(gòu)鑒定成為可能,32,低場(chǎng) 高頻,高場(chǎng) 低頻,磁場(chǎng)強(qiáng)度,（ 增大）,（ 減?。?向左,向右,33,磁場(chǎng)中所有自旋核產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，方向與外加磁場(chǎng)相反或相同，使原子核的實(shí)受磁場(chǎng)降低或升高，即屏蔽效應(yīng)。 由于屏蔽作用的存在，使氫核實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減弱： Heff=H0-H0 = (1- )H0 ：屏蔽常數(shù)。 越大，屏蔽效應(yīng)越大。有效磁場(chǎng)Beff,由于屏蔽效應(yīng)的存在：,坐標(biāo)軸上屏蔽常數(shù)越往右越大，由公式計(jì)算，屏蔽常數(shù)大的時(shí)候?qū)?yīng)的頻率就小，所以坐標(biāo)軸右端對(duì)應(yīng)的是低頻；屏蔽常數(shù)小的時(shí)候?qū)?yīng)的頻率就大，所以坐標(biāo)軸左端對(duì)應(yīng)的是高頻。,核磁共振理論基礎(chǔ),0 = / (2 ) （1- ）H0,34,因此，凡是H值較大的質(zhì)子就認(rèn)為是處于低場(chǎng)，位于譜圖左邊。 H值較小的質(zhì)子則認(rèn)為是處于高場(chǎng)，位于譜圖的右邊。,0 = / (2 ) （1- ）H0,對(duì)于氫核來說，氫核的共振頻率基本上是一致的。所以，由公式計(jì)算，屏蔽常數(shù)大的時(shí)候，屏蔽強(qiáng)，小，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，在高場(chǎng)出現(xiàn)，圖右側(cè)；屏蔽常數(shù)小的時(shí)候，屏蔽弱，大，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度小，在低場(chǎng)出現(xiàn)，圖左側(cè)。對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)就小，所以坐標(biāo)軸左端對(duì)應(yīng)的是低場(chǎng)。,核磁共振波譜的左端相當(dāng)于低場(chǎng)、高頻；右端相當(dāng)于高場(chǎng)、低頻,35,二、影響化學(xué)位移的因素,化學(xué)位移是由于核外電子云的對(duì)外磁場(chǎng)的屏蔽引起的，核外電子云密度的強(qiáng)弱決定了屏蔽的大小，凡是能使核外電子云密度改變的因素都能影響化學(xué)位移。 影響因素,內(nèi)部 元素電負(fù)性，磁的各向異性效應(yīng)等,外部 溶劑效應(yīng)，氫鍵的形成等,36,具體因素主要有：,誘導(dǎo)效應(yīng) 化學(xué)鍵的各向異性 氫鍵效應(yīng) 溶劑效應(yīng) 共軛效應(yīng),37,1、誘導(dǎo)效應(yīng)( 電負(fù)性取代基的影響 ),3.14,4.26,3.05,2.68,2.16,0.23,0,38, 0.93 1.53 3.49 OH 1.06 1.81 3.47 Cl,39,2、化學(xué)鍵的磁各向異性效應(yīng),在外磁場(chǎng)的作用下，分子中處于某一化學(xué)鍵（單鍵 , 雙鍵, 三鍵和大 鍵）的不同空間位置的氫核，受到不同的屏蔽作用，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)鍵的磁各向異性效應(yīng)。 原因: 電子構(gòu)成的化學(xué)鍵，在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生一個(gè)各向異性的次級(jí)磁場(chǎng)，使得某些位置上氫核受到屏蔽效應(yīng)，而另一些位置上的氫核受到去屏蔽效應(yīng)。,40,例如，芳環(huán)的大鍵在外磁場(chǎng)的作用下形成上下兩圈電子環(huán)電流，因而苯環(huán)平面上下電子云密度大，形成屏蔽區(qū)“+”,而環(huán)平面各側(cè)電子云密度低，形成去屏蔽區(qū) “” 苯環(huán)的氫核正處于去屏蔽區(qū)，共振信號(hào)向低場(chǎng)區(qū)移動(dòng)，其化學(xué)位移值大7.27；如果分子中有的氫核處于苯環(huán)的屏蔽區(qū),則共振信號(hào)向高場(chǎng)區(qū)移動(dòng)，值會(huì)減小。,+,+,41,H,H,18-輪烯：,42,CH3位于苯環(huán)上方的屏蔽區(qū),CH3位于苯環(huán)旁邊的去屏蔽區(qū),43,雙鍵 電子的情況與苯環(huán)相似，如乙烯的氫核處于弱屏蔽區(qū)，其化學(xué)位移較大，達(dá)到5.28ppm。,44,三鍵的各向異性使乙炔的H核處于屏蔽區(qū)，化學(xué)位移較小， =2.88ppm,45,3、氫鍵效應(yīng),鍵合在雜原子上的質(zhì)子易形成氫鍵。氫鍵質(zhì)子比沒有形成氫鍵的質(zhì)子有較小的屏蔽效應(yīng)?；瘜W(xué)位移值變大。 形成氫鍵傾向越強(qiáng)烈，質(zhì)子受到的屏蔽效應(yīng)就越小，因此在較低場(chǎng)發(fā)生共振，即化學(xué)位移值較大。 形成氫鍵傾向受溶液的濃度影響，如在極稀的甲醇中，形成氫鍵傾向小，故羥基中質(zhì)子的化學(xué)位移小，0.5-1.0ppm；而在濃溶液中形成氫鍵傾向大,化學(xué)位移值大，4.0-5.0ppm。,46,同一試樣在不同溶劑中由于受到不同溶劑分子的作用，化學(xué)位移發(fā)生變化，稱為溶劑效應(yīng)。溶劑效應(yīng)的產(chǎn)生是由于溶劑的磁各向異性造成或者是由于不同溶劑極性不同,與溶質(zhì)形成氫鍵的強(qiáng)弱不同引起的。,4、溶劑效應(yīng),47,提示：,在核磁共振波譜分析中,一定要注明是在什么溶劑下的 ； 一般在惰性溶劑的稀溶液中，化學(xué)位移變化不大，所以盡量選用惰性溶劑，少用或不用強(qiáng)極性溶劑； 如在CCl4、CDCl3、CS2中。 溶液濃度0.050.5molL-1。 被測(cè)物純度要高。,48,三、各類質(zhì)子的化學(xué)位移,飽和碳上質(zhì)子的化學(xué)位移 不飽和碳上質(zhì)子的化學(xué)位移 芳環(huán)氫的化學(xué)位移值 雜環(huán)芳?xì)涞牡幕瘜W(xué)位移值 活潑氫的化學(xué)位移值,49,飽和碳上質(zhì)子的化學(xué)位移,甲基 在核磁共振氫譜中，甲基的吸收峰比較特征，容易辨認(rèn)。一般根據(jù)鄰接的基團(tuán)不同，甲基的化學(xué)位移在0.74ppm之間。,50,不飽和碳上質(zhì)子的化學(xué)位移,炔氫 叁鍵的各向異性屏蔽作用，使炔氫的化學(xué)位移出現(xiàn)在1.6 3.4ppm范圍內(nèi)。,51,烯氫 烯氫的化學(xué)位移可用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算： = 5.25 + Z同 + Z順 + Z反 式中常數(shù)5.25是乙烯的基本化學(xué)位移值，Z是同碳、順式及反式取代基對(duì)烯氫化學(xué)位移的影響參數(shù)，烯氫的化學(xué)位移一般在5-8ppm之間。,52,取代基對(duì)烯氫的影響,53,54,芳環(huán)氫的化學(xué)位移值 芳環(huán)的各向異性效應(yīng)使芳環(huán)氫受到去屏蔽影響，其化學(xué)位移在較低場(chǎng)。苯的化學(xué)位移為7.27ppm。當(dāng)苯環(huán)上的氫被取代后，取代基的誘導(dǎo)作用又會(huì)使苯環(huán)的鄰、間、對(duì)位的電子云密度發(fā)生變化，使其化學(xué)位移向高場(chǎng)或低場(chǎng)移動(dòng)，一般在6-9ppm之間。 芳環(huán)氫的化學(xué)位移可按下式進(jìn)行計(jì)算； = 7.27 +Si 式中常數(shù)7.27是苯的化學(xué)位移，Si為取代基對(duì)芳環(huán)氫的影響。,55,活潑氫的化學(xué)位移值 常見的活潑氫，如-OH、-NH-、-SH、-COOH等基團(tuán)的質(zhì)子，在溶劑中交換很快，并受測(cè)定條件如濃度、溫度、溶劑的影響，值不 固定在某一數(shù)值上，而在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化?；顫姎涞姆逍斡幸欢ㄌ卣?，一般而言，酰胺、羧酸類締合峰為寬峰，醇、酚類的峰形較鈍，氨基，巰基的峰形較尖。用重水交換法可以鑒別出活潑氫的吸收峰（加入重水后活潑氫的吸收峰消失）。,活潑氫的化學(xué)位移,化合物類型 （ppm）化合物類型 （ppm）,ROH 0.55.5 RSO3H 1.11.2 ArOH(締合) 10.516 RNH2, R2NH 0.43.5 ArOH 48 ArNH2,Ar2NH 2.94.8 RCOOH 1013 RCONH2,ArCONH2 56.5 =NH-OH 7.410.2 RCONHR,ArCONHR 68.2 R-SH 0.92.5 RCONHAr, 7.89.4 =C=CHOH(締合) 1519 ArCONHAr 7.89.4,56,各種環(huán)境中質(zhì)子的化學(xué)位移,/ppm 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,/ppm 4 3 2 1 0,/ppm 4 3 2 1 0,57, NMR 譜中都會(huì)出現(xiàn)一些多重峰。這些多重峰的產(chǎn)生與屏蔽效應(yīng)無關(guān)，是由分子中鄰近磁性核之間的相互作用造成的。,四、自旋-自旋偶合與偶合裂分 （Spin-spin coupling and spin-spin splitting）,58,相鄰的原子核可以通過中間媒介(電子云)而發(fā)生作用。此中間媒介就是所謂的化學(xué)鍵。這一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合)。特點(diǎn)是通過化學(xué)鍵的間接作用。 由自旋-自旋偶合引起的譜峰分裂的現(xiàn)象稱作自旋-自旋裂分(Spin-spin splitting) 。在一組裂分峰中，峰與峰之間的距離或裂距稱為偶合常數(shù)，用J表示，單位為Hz。,C,H,C,H,H,C,異核 J-coupling,同核 J-coupling,JCH,JHH,自旋-自旋偶合,59,自旋-偶合原理,當(dāng)b質(zhì)子處于m = +1/2 順磁場(chǎng)取向時(shí)，其局部磁場(chǎng)通過共價(jià)鍵傳遞給a質(zhì)子，使a質(zhì)子受到比外磁場(chǎng)稍微增強(qiáng)的磁場(chǎng)作用，故可以在較低的外磁場(chǎng)發(fā)生共振。 當(dāng)b質(zhì)子處于m = -1/2 反磁場(chǎng)取向時(shí)，使a質(zhì)子受到比外磁場(chǎng)稍微減小的磁場(chǎng)作用，故可以在較高的外磁場(chǎng)發(fā)生共振。,60, b質(zhì)子兩種取向的幾率近似相等，故a質(zhì)子裂分的兩個(gè)峰強(qiáng)度相等。, a的兩個(gè)質(zhì)子可能的取向組合有以下三種，故可使b質(zhì)子的峰裂分為三重峰。,61,同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),多重峰出現(xiàn)的規(guī)則： 1. 某一原子核與N個(gè)相鄰的核相互偶合將給出(n+1)重峰 2. 等價(jià)組合具有相同的共振頻率，其強(qiáng)度與等價(jià)組合數(shù)有關(guān) 3. 磁等價(jià)的核之間偶合作用不出現(xiàn)在譜圖中 4. 偶合具有相加性 5. 一般，間隔四個(gè)單鍵以上，J值趨于零,例如：,62,Ha,Hb,C,C,Hc,A,B,C,B,C,A,A,B,C是化學(xué)等價(jià)的核,JAB=JAC,同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),63,Ha,Hb,C,C,Hc,B,C是化學(xué)不等價(jià)的核,JAC=10 Hz,JAB=4 Hz,JBC=7 Hz,A,B,C,wA,JAC,JAB,同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),64,異核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling),*CH,*CH2,*CH3,*C,65,由于一些核的自然豐度并非如此100%。因此譜圖中可能出現(xiàn)偶合分裂的峰和無偶合的峰。氯仿中的氫譜是一個(gè)典型的例子。,x100,H-13C,H-13C,105 Hz,H-12C,異核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling),66, 當(dāng)某組環(huán)境完全相等的n個(gè)質(zhì)子（I=1/2 ），在外磁場(chǎng)H0中共產(chǎn)生（n+1）種局部磁場(chǎng)，與其發(fā)生偶合的質(zhì)子將裂分為（n+1）重峰n+1規(guī)律 當(dāng)某組質(zhì)子與另外兩組質(zhì)子發(fā)生偶合，其中一種質(zhì)子數(shù)為n，另一組質(zhì)子數(shù)為m。如果該組質(zhì)子與兩組質(zhì)子的偶合常數(shù)不相等，則其被另外兩組質(zhì)子裂分為（m+1）*（n+1）峰；如果與另外兩組質(zhì)子的偶合常數(shù)近似相等，則被裂分為（n+m+1）重峰。,n+1規(guī)律,67, 嚴(yán)格意義上，不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子相互偶合的偶合常數(shù)是不相等的。 如果兩個(gè)偶合常數(shù)值比較接近，一些偶合裂分峰又靠得比較近，會(huì)發(fā)生峰的重疊。,68, 當(dāng)某組質(zhì)子與n個(gè)質(zhì)子偶合，且偶合常數(shù)相等或接近，裂分峰的強(qiáng)度之比近似為二項(xiàng)展開式的各項(xiàng)系數(shù)之比。,69,Ha裂分為多少重峰？,Ha裂分峰:(3+1)(2+1)=12,實(shí)際Ha裂分峰:(5+1)=6,強(qiáng)度比近似為：1:5:10:10:5:1,70,向心規(guī)則：相互偶合核的兩組峰的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)內(nèi)側(cè)高，外側(cè)低得規(guī)律。裂距越小，差別越大。,1:1,1:3:3:1,1:1,1:2:1,71,偶合常數(shù),偶合常數(shù)衡量偶合的磁性核之間相互干擾程度大小，常用J表示，單位Hz （J=*MHz） 偶合常數(shù)是NMR的重要參數(shù)之一，可用來研究核間關(guān)系、構(gòu)型、構(gòu)象及取代位置等。,72,五、自旋系統(tǒng)與圖譜分類,1. 核的等價(jià)性質(zhì),（1）化學(xué)等價(jià)：分子中化學(xué)環(huán)境完全相同，化學(xué)位移嚴(yán)格相等的一組核，彼此稱為化學(xué)等價(jià)。,分為快速旋轉(zhuǎn)化學(xué)等價(jià)和對(duì)稱化學(xué)等價(jià) 即分別通過快速機(jī)制（如構(gòu)象轉(zhuǎn)換）或?qū)ΨQ操作互換的質(zhì)子是化學(xué)等價(jià)的。,以下幾種情況中的質(zhì)子化學(xué)不等價(jià),1，旋轉(zhuǎn)受阻 2，固定環(huán)上的CH2， 分處直立鍵和平伏鍵，受單鍵磁各向異性的影響 3，與手性碳原子相連的CH2,73,（2）磁等價(jià)核分子中一組化學(xué)等價(jià)核與分子中其它任何核的偶合常數(shù)相同，則這組核稱為磁等價(jià)核。 磁等價(jià)核的特征： 組內(nèi)核化學(xué)位移相同； 與組外核的J相同； 在無組外核干擾時(shí)，組內(nèi)雖偶合，但不分裂。 必須注意：磁等價(jià)核必定化學(xué)等價(jià)，但化學(xué)等價(jià)核不一定磁等價(jià)，而化學(xué)不等價(jià)必定磁不等價(jià)，因此化學(xué)等價(jià)是磁等價(jià)的前提。 （3）磁不等價(jià)的核： 雙鍵同碳質(zhì)子具有磁不等價(jià)性。 單鍵帶有雙鍵性時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不等價(jià)質(zhì)子。同理，單鍵不能自由旋轉(zhuǎn)時(shí)也能產(chǎn)生不等價(jià)質(zhì)子。 苯環(huán)上的鄰位質(zhì)子可能是化學(xué)等價(jià)，而磁不等價(jià)的。 與不對(duì)稱原子連接的CH2質(zhì)子是磁不等價(jià)的。 固定環(huán)上的CH2質(zhì)子磁不等價(jià)。,74,1、樣品的制備 溶劑的選擇和樣品的用量 2、開空壓機(jī) 3、打開控制系統(tǒng) 4、放入樣品管 5、選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù) 6、勻場(chǎng)和鎖場(chǎng) 7、采集數(shù)據(jù) 8、數(shù)據(jù)處理,第五節(jié) 核磁共振波譜實(shí)驗(yàn),75,樣品: 非磁性及非導(dǎo)電 靈敏度: 樣品需含 1015 原子核,溶液,固體Solids,成像,NMR,NMR樣品要求,樣品的制備 1、樣品溶液要有足夠的高度（3.54.0cm） 2、樣品中是否含有Fe3+、Cu2+等順磁離子 3、氘代溶劑的選擇 4、核磁管的選擇,76,常用氘代溶劑,CDCl3：含有定標(biāo)物TMS，氯仿峰7.26ppm，單峰，水峰位置1.6ppm4.8ppm D6-Acetone：不含TMS，溶劑峰2.05ppm，五重峰，水峰位置2.84.8ppm D6-DMSO：含TMS，溶劑峰2.50ppm，五重峰，水峰位置3.34.8ppm D2O：不含TMS，水峰4.79ppm，無活潑氫 D4-CD3OD：不含TMS，溶劑峰3.31ppm，五重峰，水峰位置4.8ppm，無活潑氫,77,核磁內(nèi)標(biāo)物的選擇,不參與反應(yīng) 特征峰不重合，用于定量的峰，待測(cè)物與內(nèi)標(biāo)物所選信號(hào)接近 分子量相當(dāng) 溶解性一致 質(zhì)量稱量50mg,78,常用內(nèi)標(biāo)物,間三甲氧基苯： 非水溶性 Purity：99.5% Mw：168.19 化學(xué)位移：6.0ppm，3.6ppm,馬來酸： 水溶性 Purity：98.9% Mw：116.07 化學(xué)位移：6.3ppm,79,80,4-碘甲基-5,5-二甲基-二氫呋喃-2-酮,1H NMR (400 MHz, CDCl3): 1.31 （3H, s）, 1.51 (3H, s), 1.95-1.97 (1H, m), 2.41-2.50 (1H, m), 2.72-2.75 (1H, m), 2.82-2.90 (1H, m),3.09 (1H, dd, J = 10.2, 9.6 Hz ), 3.25 (1H, dd, J = 10.2, 5.1 Hz ),核磁數(shù)據(jù)表述方式,81,第七節(jié) 核磁共振圖譜解析,1、氫譜的分析：,一張譜圖可以向我們提供關(guān)于有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的如下信息：,（1）由吸收峰的組數(shù)，可以判斷有幾種不同類型的H核,（2）由峰的強(qiáng)度（峰面積或積分曲線高度），可以判斷各類H的 相對(duì)數(shù)目,（3）由峰的裂分?jǐn)?shù)目，可以判斷相鄰H核的數(shù)目,（4）由峰的化學(xué)位移（值)，可以判斷各類型H所屬的化學(xué)結(jié)構(gòu),（5）由裂分峰的外型或偶合常數(shù)，可以判斷哪種類型H是相鄰的,82,分析氫譜有如下的步驟。 (1) 區(qū)分出雜質(zhì)峰、溶劑峰、旋轉(zhuǎn)邊帶。 雜質(zhì)含量較低，其峰面積較樣品峰小很多，樣品和雜質(zhì)峰面積之間也無簡(jiǎn)單的整數(shù)比關(guān)系。據(jù)此可將雜質(zhì)峰區(qū)別出來。 氘代試劑不可能100氘代，其微量氫會(huì)有相應(yīng)的峰，如CDCl3中的微量CHCl3在約7.27ppm處出峰。邊帶峰的區(qū)別請(qǐng)閱6.2.1。 (2) 計(jì)算不飽和度。 不飽和度即環(huán)加雙鍵數(shù)。當(dāng)不飽和度大于等于4時(shí)，應(yīng)考慮到該化合物可能存在一個(gè)苯環(huán)（或吡啶環(huán)）。,83,(3) 確定譜圖中各峰組所對(duì)應(yīng)的氫原子數(shù)目，對(duì)氫原子進(jìn)行分配。 根據(jù)積分曲線，找出各峰組之間氫原子數(shù)的簡(jiǎn)單整數(shù)比，再根據(jù)分子式中氫的數(shù)目，對(duì)各峰組的氫原子數(shù)進(jìn)行分配。 (4) 對(duì)每個(gè)峰的、J都進(jìn)行分析。 根據(jù)每個(gè)峰組氫原子數(shù)目及值，可對(duì)該基團(tuán)進(jìn)行推斷，并估計(jì)其相鄰基團(tuán)。 對(duì)每個(gè)峰組的峰形應(yīng)仔細(xì)地分析。分析時(shí)最關(guān)鍵之處為尋找峰組中的等間距。每一種間距相應(yīng)于一個(gè)耦合關(guān)系。一般情況下，某一峰組內(nèi)的間距會(huì)在另一峰組中反映出來。 通過此途徑可找出鄰碳?xì)湓拥臄?shù)目。,84,(5) 根據(jù)對(duì)各峰組化學(xué)位移和耦合常數(shù)的分析，推出若干結(jié)構(gòu)單元，最后組合為幾種可能的結(jié)構(gòu)式。每一可能的結(jié)構(gòu)式不能和譜圖有大的矛盾。 (6) 對(duì)推出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行指認(rèn)。 每個(gè)官能團(tuán)均應(yīng)在譜圖上找到相應(yīng)的峰組，峰組的值及耦合裂分（峰形和J值大?。┒紤?yīng)該和結(jié)構(gòu)式相符。如存在較大矛盾，則說明所設(shè)結(jié)構(gòu)式是不合理的，應(yīng)予以去除。通過指認(rèn)校核所有可能的結(jié)構(gòu)式，進(jìn)而找出最合理的結(jié)構(gòu)式。必須強(qiáng)調(diào)：指認(rèn)是推結(jié)構(gòu)的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。 如果未知物的結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，在推導(dǎo)其結(jié)構(gòu)時(shí)就需應(yīng)用碳譜。在一般情況下，解析碳譜和解析氫譜應(yīng)結(jié)合進(jìn)行。,85,譜圖示例,86,譜圖示例,87,某化合物的分子式為C11H20O4，其HNMR中，為0.79，1.23，1.86，4.14處分別有三重峰，三重峰，四重峰和四重峰，積分高度比為：3：3：2：2；紅外光譜顯示含有酯基，試推測(cè)分子結(jié)構(gòu)。,1）有四組化學(xué)等同核。 2）由積分比3：3：2：2；及分子中有20個(gè)質(zhì)子，表明分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有2個(gè)甲基，2個(gè)甲基及2個(gè)亞甲基及另2個(gè)亞甲基，由偶合知有兩個(gè)相同的CH3CH2。 3）除去兩個(gè)相同的酯基COO，剩下一個(gè)C，為季碳。 4)該化合物應(yīng)為,譜圖解析示例,88,5）根據(jù)A和B的結(jié)構(gòu)計(jì)算化學(xué)位移，取兩種亞甲基中較大的比較：,A,B,因?yàn)闉?.79，1.23，1.86，4.14 所以結(jié)構(gòu)為A。,89,第八節(jié) 核磁共振波譜的應(yīng)用,1、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定 2、有機(jī)分子的構(gòu)象研究 3、定量分析：內(nèi)標(biāo)和外標(biāo) 4、分子之間的相互作用研究: 如了解抗癌藥物作用機(jī)制 5、分子內(nèi)相互作用研究：?jiǎn)捂満怂岱肿觾啥说幕パa(bǔ) 6、生物大分子的構(gòu)象研究 7、現(xiàn)場(chǎng)核磁共振波譜實(shí)驗(yàn) 8、生物活體實(shí)驗(yàn),90,1、化合物Cl-CH2-CH2-Cl 1HNMR譜圖上為 (1) (1) 1個(gè)單峰 (2) 1個(gè)三重峰 (3) 2個(gè)二重峰 (4) 2個(gè)三重峰 2、核磁共振波譜法中乙烯, 乙炔, 苯分子中質(zhì)子化學(xué)位移值序是 (1) (1)苯 乙烯 乙炔 (2) 乙炔 乙烯 苯 (3) 乙烯 苯 乙炔 (4) 三者相等 3、核磁共振波譜法, 從廣義上說也是吸收光譜法的一種, 但它同通常的吸收光譜法(如紫外、 可見和紅外吸收光譜)不同之處在于 (2) (1) 必須有一定頻率的電磁輻射照射 (2) 試樣放在強(qiáng)磁場(chǎng)中 (3) 有信號(hào)檢測(cè)儀 (4) 有記錄儀 4、一種純凈的硝基甲苯的NMR圖譜中出現(xiàn)了3組峰, 其中一個(gè)是單峰, 一組是二重峰, 一組是三重峰. 該化合物是下列結(jié)構(gòu)中的(b),練習(xí)題及答案,91,5、 在 60 MHz 儀器上，TMS 和一物質(zhì)分子的某質(zhì)子的吸收頻率差為 120Hz，則該質(zhì)子的化學(xué)位移為 ( 1 ) (1) 2 (2) 0.5 (3) 2.5 (4) 4 6、考慮3,3-二氯丙烯(CH2=CH-CHCl2)的NMR譜, 假如多重峰沒有重疊且都能分辨,理論上正確的預(yù)言是 ( 3 ) (1) 有3組峰, 2位碳上的質(zhì)子是六重峰 (2) 有3組峰, 2位碳上的質(zhì)子是四重峰 (3) 有4組峰, 2位碳上的質(zhì)子是八重峰 (4) 有4組峰, 2位碳上的質(zhì)子是六重峰 7、使用60.0MHz的儀器, TMS吸收和化合物中某質(zhì)子之間的頻率差為180Hz。若使用40.0MHz的儀器, 則它們之間的頻率差是( 2 ) (1) 100Hz (2) 120Hz (3) 160Hz (4) 180Hz 8、在 (CH3)2CHCH2 - OH 中核磁共振吸收峰面積之比為哪一組數(shù)據(jù) ? ( 1 ) (1) 6 : 1 : 2 : 1 (2) 6 : 3 : 1 (3) 3 : 1 : 2 : 1 (4) 6 : 1 : 2 9、化合物C6H5CH2C(CH3)3 在1HNMR譜圖上有( 2 ),(1) 3組峰: 1個(gè)單峰, 1個(gè)多重峰, 1個(gè)三重峰 (2) 3個(gè)單峰 (3) 4組峰: 1個(gè)單峰, 2個(gè)多重峰, 1個(gè)三重峰 (4) 5個(gè)單峰,92,10、當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度B0增加時(shí),對(duì)質(zhì)子來說,由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)所需能量 要高 11、在核磁共振波譜法中, 記錄