《核磁共振波譜》PPT課件

1,NuclearMagneticResonanceSpectroscopy(NMR),核磁共振波譜,人腦縱切面的核磁共振成像,通過(guò)一個(gè)磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個(gè)連續(xù)切片的動(dòng)畫(huà)，由頭頂開(kāi)始，一直到基部,2,乙醚核磁共振波譜圖,3,核磁共振波譜與紫外-可見(jiàn)光譜及紅外光譜的區(qū)別,照射頻率不同而引起的躍遷類型不同,4,美國(guó)科學(xué)家布洛赫(FelixBloch)和珀賽爾(EdwardPurcell)各自獨(dú)立觀察到核磁共振現(xiàn)象，1952年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。,布洛赫(FelixBloch),珀賽爾(EdwardPurcell),5,瑞士物理化學(xué)家恩斯特(R.R.Ernst)由于在PFT-NMR及2DNMR二方面的貢獻(xiàn)而獲得1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,恩斯特(R.R.Ernst),脈沖傅利葉變換核磁共振譜二維核磁共振譜核磁共振成像,6,瑞士的庫(kù)爾特維特里希(KurtWthrich)首先將2D-NMR的方法用于蛋白質(zhì)，發(fā)展了將2D-NMR和距離幾何結(jié)合得到蛋白質(zhì)在溶液中的空間結(jié)構(gòu)的方法，第一個(gè)用NMR方法解析出蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,庫(kù)爾特維特里希(KurtWthrich),7,美國(guó)科學(xué)家保羅勞特布爾(PaulLauterbur)和英國(guó)科學(xué)家彼得曼斯菲爾德(PeterMansfield)關(guān)于核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，簡(jiǎn)稱NMRI，也稱磁共振成像（MagneticResonanceImaging，簡(jiǎn)稱MRI），技術(shù)方面的研究獲得2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,保羅勞特布爾(PaulLauterbur),彼得曼斯菲爾德(PeterMansfield),8,一、基本原理：,1.原子核的自旋,質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)自旋量子數(shù)I偶數(shù)偶數(shù)0偶數(shù)奇數(shù)1，2，3.奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/2；3/2；5/2.,凡是自旋量子數(shù)不等于零的原子核，都可發(fā)生核磁共振。常用1HNMR和13CNMR。,9,（1）I=0的原子核16O；12C；22S等，無(wú)自旋，沒(méi)有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收；（2）I=1，2，3.的原子核：2H，14N，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；（3）1/2，3/2，5/2.的原子核:1H，13C，19F，31P，原子核的電荷均勻分布，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。,10,有機(jī)化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信號(hào)，且自旋量子數(shù)均為1/2，核磁共振信號(hào)相對(duì)簡(jiǎn)單，已廣泛用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定然而，核磁共振信號(hào)的強(qiáng)弱是與被測(cè)磁性核的天然豐度和旋磁比的立方成正比的，如1H的天然豐度為99.985%，19F和31P的豐度均為100%，因此，它們的共振信號(hào)較強(qiáng)，容易測(cè)定，而13C的天然豐度只有1.1%，很有用的15N和17O核的豐度也在1%以下，它們的共振信號(hào)都很弱，必須在傅里葉變換核磁共振波譜儀上經(jīng)過(guò)多次掃描才能得到有用的信息。,11,1.質(zhì)子類型（-CH3、-CH2-、=CH2、Ar-H、-OH、-CHO）及質(zhì)子化學(xué)環(huán)境；,按原子核種類可分為1H、13C、19F、31P等核磁共振譜。,但不能給出不含氫基團(tuán)的共振信號(hào)。,碳譜可給出豐富碳骨架的信息，但其峰面積與碳數(shù)一般不成比例關(guān)系。因而氫譜和碳譜可互為補(bǔ)充。,19F和31P譜只能用于含F(xiàn)含P的化合物，應(yīng)用范圍較窄。,氫譜主要是給出三方面的結(jié)構(gòu)信息：,2.氫分布；,3.核間關(guān)系。,12,質(zhì)子是自旋的。有自旋量子數(shù)+1/2和-1/2兩個(gè)自旋態(tài)，在外磁場(chǎng)H0作用下，兩個(gè)自旋態(tài)能量不再相等，兩種自旋態(tài)的能量差E隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而變大。,13,2.核磁共振的條件：,質(zhì)子受到電磁波（無(wú)線電波）幅射，只要電磁波的頻率能滿足兩個(gè)相鄰自旋態(tài)能級(jí)間的能量差E，質(zhì)子就由低自旋態(tài)躍遷到高自旋態(tài)，發(fā)生核磁共振。,14,15,16,3.核磁共振儀：A.連續(xù)波核磁共振儀(1)固定外磁場(chǎng)強(qiáng)度H0不變，改變電磁波頻率，稱為掃頻。(2)固定電磁波頻率不變，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，稱為掃場(chǎng)。兩種方式的共振儀得到的譜圖相同，實(shí)驗(yàn)室多數(shù)采用后一種，如60MHz，100MHz，400MHz就是指電磁波頻率。,17,B.傅立葉變換核磁共振波譜儀,不是通過(guò)掃場(chǎng)或掃頻產(chǎn)生共振；采用射頻脈沖激發(fā)在一定范圍內(nèi)所有的欲觀測(cè)的核，通過(guò)傅立葉變換得到NMR譜圖。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(guò)傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺(tái)多道儀）,18,1永久磁鐵：提供外磁場(chǎng)，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬(wàn)分之一。掃場(chǎng)線圈。2射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場(chǎng)，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號(hào)。3射頻信號(hào)接受器（檢測(cè)器）：當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率與輻射頻率相匹配時(shí)，發(fā)生能級(jí)躍遷，吸收能量，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生毫伏級(jí)信號(hào)。,4樣品管：外徑5mm的玻璃管,測(cè)量過(guò)程中旋轉(zhuǎn),磁場(chǎng)作用均勻。,核磁共振儀的構(gòu)造及操作：,19,400MHzAvanceSystem,Unixcomputer,electroniccontrols,super-conductingmagnet,400MHzNMRSpectrometer,20,21,儀器名稱：400MHz核磁共振波譜儀生產(chǎn)廠商：瑞士BruckerBiospin公司儀器型號(hào)：AVANCE400MHz,22,掃描線圈,23,5060周/s旋轉(zhuǎn),24,樣品放在兩塊大電磁鐵中間，用固定的無(wú)線電波照射，在掃描線圈中通直流電，產(chǎn)生微小的磁場(chǎng)，使總的外磁場(chǎng)逐漸增加。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到H0時(shí)，試樣的一種質(zhì)子發(fā)生共振。信號(hào)經(jīng)放大記錄，并繪制出核磁共振譜圖。,25,4.樣品的制備：,試樣濃度：5-10%；需要純樣品15-30mg；傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1mg；標(biāo)樣濃度（四甲基硅烷,TMS）：1%；溶劑：1H譜四氯化碳，二硫化碳；氘代溶劑：氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物；,26,二、H-NMR的化學(xué)位移,由于化學(xué)環(huán)境不同，即各種氫核周圍的電子云密度不同（結(jié)構(gòu)中不同位置），引起分子中的H核磁共振信號(hào)位置的變化稱為化學(xué)位移，用表示。,屏蔽效應(yīng)：,分子中的H周圍有電子（化學(xué)環(huán)境），電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反的誘導(dǎo)磁場(chǎng)，抵消了一部分外磁場(chǎng)，若使H發(fā)生了核磁共振，必須增大外磁場(chǎng)強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱為電子的屏蔽作用或屏蔽效應(yīng)。,27,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)，起到屏蔽作用，使氫核實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減?。篐=（1-）H0：屏蔽常數(shù)。越大，屏蔽效應(yīng)越大。,28,0=/(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(lái)抵消屏蔽影響。,在有機(jī)化合物中，各種氫核周圍的電子云密度不同（結(jié)構(gòu)中不同位置）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。,29,1.化學(xué)位移表示方法：,位移的標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有完全裸露的氫核，沒(méi)有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）,位移常數(shù)TMS=0,30,為什么用TMS作為基準(zhǔn)?,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；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；化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。,31,是以百萬(wàn)分之一（ppm）為單位的參數(shù)，化學(xué)位移為一個(gè)無(wú)因次的數(shù)，并以多少個(gè)ppm來(lái)表示。,32,例：在60MHz的儀器上，測(cè)得氯仿與TMS間吸收頻率差為437Hz，用表示氫的化學(xué)位移為：,TMS的=0，一般有機(jī)化合物中H的化學(xué)位移出現(xiàn)在其左邊，低磁場(chǎng)強(qiáng)度一邊。屏蔽效應(yīng)越小，離TMS的值越遠(yuǎn)，規(guī)定取正值。,33,在60MH儀器上測(cè)得的1H-NMR譜上，某化合物的CH3氫核峰位與TMS峰相差134Hz，而CH2氫核峰位與TMS相差240Hz，故兩者的化學(xué)位移值分別為：（CH3）=（1340）/60106106=2.23（CH2）=（2400）/60106106=4.00,34,但同一化合物在100MHz儀器測(cè)得的1H-NMR譜上，兩者化學(xué)位移值（）雖無(wú)改變，但它們與TMS峰的間隔以及兩者之間的間隔（v）卻明顯增大了。CH3基為223Hz，CH2基則為400Hz。由此可見(jiàn)，隨著照射用電磁輻射頻率的增大，共振峰頻率及NMR譜中橫坐標(biāo)的幅度也相應(yīng)增大，但化學(xué)位移值并無(wú)改變。,35,位移的表示方法,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)/o106(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)；,36,2.影響化學(xué)位移的因素:,（1）電負(fù)性：與H原子相連的C上連的原子或基團(tuán)的電負(fù)性越大，H的化學(xué)位移值越大。,37,38,典型的吸電子取代基：,39,40,41,（2）磁各向異性效應(yīng)：,42,價(jià)電子產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場(chǎng)方向一致，去屏蔽。,43,價(jià)電子產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場(chǎng)方向一致，去屏蔽。,44,苯環(huán)上的6個(gè)電子產(chǎn)生較強(qiáng)的誘導(dǎo)磁場(chǎng)，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場(chǎng)方向一致，去屏蔽。,45,46,（3）氫鍵的影響,氫鍵是起去屏蔽作用，形成氫鍵的H的化學(xué)位移比沒(méi)有形成氫鍵的H的化學(xué)位移大，出現(xiàn)在低場(chǎng)。,醇分子中OH基上的H形成氫鍵時(shí)，=3.55.5酸分子中OH基上的H形成氫鍵時(shí)，=1013,47,PhOH中酚羥基質(zhì)子的化學(xué)位移與濃度的關(guān)系：,48,（4）其他因素影響：,范德華效應(yīng)、溫度、質(zhì)子交換、溶液濃度、溶劑都要影響化學(xué)位移。,49,3.常見(jiàn)的各種H的化學(xué)位移值：,50,51,52,三、磁等性質(zhì)子和磁不等性質(zhì)子：,1.磁等性質(zhì)子：在有機(jī)分子中，化學(xué)環(huán)境相同的一組質(zhì)子稱為磁等性質(zhì)子。例如：四甲基硅烷、苯、環(huán)戊烷、甲烷、丙酮中的質(zhì)子都是磁等性質(zhì)子。磁等性質(zhì)子的化學(xué)位移相等。,53,2.磁不等性質(zhì)子：在有機(jī)分子中，化學(xué)環(huán)境不相同的質(zhì)子稱為磁不等性質(zhì)子。例如：氯乙烷分子中甲基上的氫與亞甲基上的氫是不等性質(zhì)子。2-氯丙烯中雙鍵上的兩個(gè)質(zhì)子也是磁不等性質(zhì)子。磁不等性質(zhì)子的化學(xué)位移值不相等。,54,四、積分曲線與質(zhì)子的數(shù)目：,在核磁共振譜圖上，有一條從低場(chǎng)向高場(chǎng)的階梯式曲線，稱為積分曲線。,55,積分曲線每個(gè)階梯的高度與其相應(yīng)的一組吸收峰的面積成比例，而峰面積與該組磁等性質(zhì)子的數(shù)目成比例。因此積分曲線高度比等于相應(yīng)磁等性質(zhì)子的數(shù)目比。積分曲線的總高度與分子中質(zhì)子總數(shù)目成比例。,56,57,58,五、自旋偶合與自旋裂分,1.自旋偶合：分子中相鄰的磁不等性質(zhì)子之間自旋相互作用稱自旋-自旋偶合，簡(jiǎn)稱自旋偶合。,2.自旋裂分：自旋偶合作用使互相偶合的質(zhì)子共振吸收峰分裂成多重峰的現(xiàn)象稱為自旋裂分。,59,60,3.裂分規(guī)律：,（n+1）規(guī)律：一組磁等性質(zhì)子與相鄰的一組n個(gè)磁等性質(zhì)子相偶合，此組磁等性質(zhì)子吸收峰裂分成（n+1）重峰，稱為（n+1）規(guī)律。,61,62,b,a,63,64,65,相互偶合的兩組峰的外形特點(diǎn)是“中間高，兩邊”；,磁等價(jià)質(zhì)子間不發(fā)生峰的裂分。,如：CH3CH3的NMR只有一個(gè)單峰，ClCH2CH2Cl的NMR也只有一個(gè)單峰。,每組裂分峰的化學(xué)位移，由這組裂分峰的化學(xué)位移中點(diǎn)決定。,66,4.偶合常數(shù),互相偶合的兩組峰a和b，每組峰中各峰間的距離稱為偶合常數(shù)，用Jab表示，單位Hz，下標(biāo)a、b表示a、b兩組磁等性質(zhì)子互相偶合?；ハ嗯己系膬山M峰的偶合常數(shù)相等。,67,Jab=03.5Hz,Jab=514Hz,Jab=1218Hz,C,C,Ha,Hb,C,Ha,C,Hb,C,Ha,C,Hb,68,5.一級(jí)譜圖,一級(jí)譜圖：滿足（(/J)6）條件的譜圖?；瘜W(xué)位移之差；J偶合常數(shù)。,特點(diǎn)：裂分峰呈現(xiàn)n+1規(guī)律。裂分峰強(qiáng)度比符合二項(xiàng)式展開(kāi)式系數(shù)之比。一組峰的中心位置即為。峰間距即為J,69,二項(xiàng)式展開(kāi)系數(shù)比，可由巴斯卡三角形求得,70,singletdoublettripletquartetpentet1:11:2:11:3:3:11:4:6:4:1,CommonSplittingPatterns,71,六、1H-NMR譜圖的解析,1.由圖上吸收峰的組數(shù)，可以知道分子結(jié)構(gòu)中磁等性質(zhì)子組數(shù)目。2.由峰的強(qiáng)度（積分曲線）可以知道分子中磁不等性質(zhì)子的比例。3.由峰的裂分?jǐn)?shù)可知相鄰磁等性質(zhì)子數(shù)目。4.由峰的化學(xué)位移（值）可以判斷各種磁等性質(zhì)子的歸屬。5.由裂分峰的外觀或偶合常數(shù)，可知哪些磁等性質(zhì)子是相鄰的。,72,解析實(shí)例：例1：,73,例2：下列譜圖是否的NMR？,所以，該圖是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。,3.9(單峰)-OCH3,6.77.3苯環(huán)氫(兩組