核磁共振波譜學(xué)

1、一核磁共振簡介核磁共振技術(shù)由珀塞爾（Purcell）和布洛齊（Bloch）于1945年始創(chuàng)，至今已有近六十年的歷史，他們二人因此榮獲1952年諾貝爾物理獎。自1950年應(yīng)用于測定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)以來，經(jīng)過幾十年的研究和實(shí)踐，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已成為測定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)不可缺少的重要手段。通過核磁共振譜可以得到有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)信息，如通過化學(xué)位移可以得到各組磁性核的類型，氫譜可以判斷烷基氫、烯氫、芳?xì)?、氨基氫、醛氫等，而在碳譜中可以判斷飽和碳，烯碳、羰基碳等，通過偶合常數(shù)和峰形可判斷個(gè)磁性核的化學(xué)環(huán)境，以判斷各氫和碳的歸屬。譜儀頻率已從30MHz發(fā)展到900MHz。1000MHz譜儀亦在加緊試制之中

2、。儀器工作方式從連續(xù)波譜儀發(fā)展到脈沖-傅里葉變換譜儀。隨著多種脈沖序列的采用，所得譜圖已從一維譜到二維譜、三維譜甚至更高維譜。其應(yīng)用范圍也大大拓寬，已從化學(xué)、物理擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科15.3.1 二。核磁共振基本原理1原子核的磁矩核磁共振的研究對象是原子核，原子核是帶正電粒子，其自旋運(yùn)動會產(chǎn)生磁矩，具有自旋運(yùn)動的原子核都具有一定的自旋量子數(shù)I，原子核可按的數(shù)值分為以下三類：（1）中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)，則I=0，如12C、16O、32S等。此類原子核不能用核磁共振法進(jìn)行測定。（2）中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)其一為偶數(shù)，另一為奇數(shù)，則為半整數(shù)，如 I=1/2： 1H、13C、15N、19F、31P、3

3、7Se等； I=3/2： 7Li、9Be、11B、33S、35Cl、37Cl等； I=5/2： 17O、25Mg、27Al、55Mn等； 以及I=7/2、9/2等。（3）中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為奇數(shù)，則I為整數(shù)，如2H(D)、6Li、14N等I=1；58Co，I=2；10B，I=3。 （2）、（3）類原子核是核磁共振研究的對象。其中，I=1/2的原子核，其電荷分布為球形，這樣的原子核不具有四極矩，其核磁共振的譜線窄，最宜于核磁共振檢測。 原子核的磁矩取決于原子核的自旋角動量P，其大小為： （式中：I為原子核的自旋量子數(shù)。h為普朗克數(shù)。） 凡I值非零的原子核即具有自旋角動量P，也就具有磁矩，與P之間的

4、關(guān)系為：（稱為磁旋比，是原子核的重要屬性。2自旋核在磁場中的取向和能級具有磁矩的核在外磁場中的自旋取向是量子化的，可用磁量子數(shù)m來表示核自旋不同的空間取向，其數(shù)值可?。簃 =I,I-1,I-2, ,-I ，共有2I +1個(gè)取向。例如，對1H核來說，I =1/2, 則有m =+1/2和m =-1/2兩種取向。m =+1/2取向是順磁場排列，代表低能態(tài)，而m =-1/2則是反磁場排列，代表高能態(tài)。對于I =1的原子核，如2H,14N而言，m則有m =+1，0，-1三種取向，代表三個(gè)不同能級。根據(jù)電磁理論，磁矩在外磁場中與磁場的作用能E為：E = -BO（式中BO 為磁場強(qiáng)度。作用能E屬于位能性質(zhì)，

5、故核磁矩總是力求與外磁場方向平行。外加磁場越強(qiáng)，能級裂分越大，高低能態(tài)的能級差也越大。）3核磁共振的產(chǎn)生 在靜磁場中，具有磁矩的原子核存在著不同能級。此時(shí)，如運(yùn)用某一特定頻率的電磁波來照射樣品，并使該電磁波能量恰等于原子核的能級差（E），原子核即可進(jìn)行能級之間的躍遷，這就是核磁共振。當(dāng)然，躍遷時(shí)必須滿足選律，即。當(dāng)發(fā)生核磁共振現(xiàn)象時(shí)，原子核在能級躍遷的過程中吸收了電磁波的能量，由此可檢測到相應(yīng)的信號。4弛豫過程 對磁旋比為的原子核外加一靜磁場B0時(shí)，原子核的能級會發(fā)生分裂。處于低能級的粒子數(shù)n1將多于高能級的離子數(shù)n2，這個(gè)比值可用玻爾茲曼定律計(jì)算。由于能級差很小，n1和n2很接近。設(shè)溫度為3

6、00K，磁感強(qiáng)度為1.4092T（即14092G，相應(yīng)于60MHz射頻儀器的磁感強(qiáng)度），可算出：= 1.（式中為玻爾茲曼常數(shù)。）在電磁波的作用下，n1減少，n2增加，因二者相差不多，當(dāng)n1=n2時(shí)不能再測出核磁共振信號，稱作飽和。由此看出，為能連續(xù)存在核磁共振信號，必須有從高能級返回低能級的過程，這個(gè)過程即稱為弛豫過程。弛豫過程有兩類。其一為自旋-晶格弛豫，亦稱為縱向弛豫。其結(jié)果是一些核由高能級回到低能級。該能量被轉(zhuǎn)移至周圍的分子（固體的晶格，液體則為周圍的同類分子或溶劑分子）而轉(zhuǎn)變成熱運(yùn)動，即縱向弛豫反映了體系和環(huán)境的能量交換；第二種弛豫過程為自旋-自旋弛豫，亦稱為橫向弛豫。類似于化學(xué)反應(yīng)動

7、力學(xué)中的一級反應(yīng)，縱向弛豫，橫向弛豫過程的快慢分別用1/T1、1/T2來描述。T1叫縱向弛豫時(shí)間，T2叫橫向弛豫時(shí)間。三屏蔽效應(yīng)和化學(xué)位移 1化學(xué)位移氫質(zhì)子（1H）用掃場的方法產(chǎn)生的核磁共振，理論上都在同一磁場強(qiáng)度（Ho）下吸收，只產(chǎn)生一個(gè)吸收信號。實(shí)際上，分子中各種不同環(huán)境下的氫，再不同Ho下發(fā)生核磁共振，給出不同的吸收信號。例如，對乙醚進(jìn)行掃場則出現(xiàn)二種吸收信號，在譜圖上就是二組吸收峰。如圖：（乙醚的氫核磁共振譜 ）這種由于氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，因而在不同磁場強(qiáng)度下產(chǎn)生吸收峰,峰與峰之間的差距稱為化學(xué)位移。2屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移產(chǎn)生的原因 分子中的磁核不是裸核，核外包圍著電子云，在磁場

8、的作用下，核外電子會在垂直于外磁場的平面上繞核旋轉(zhuǎn)，形成微電流，同時(shí)產(chǎn)生對抗于主磁場的感應(yīng)磁場。感應(yīng)磁場的方向與外磁場相反，強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度BO成正比。感應(yīng)磁場在一定程度上減弱了外磁場對磁核的作用。這種感應(yīng)磁場對外磁場的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應(yīng)，通常用屏蔽常數(shù)來衡量屏蔽作用的強(qiáng)弱。磁核實(shí)際感受的磁場強(qiáng)度稱為有效磁場強(qiáng)度Beff，可用下式表示： Beff = BO - BO = BO（1-）同理（3-7）式可改寫為：v=BO（1-）/ 2（電子對核的屏蔽作用）可見，不同的化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子，核外電子云分布不同，值不同，核磁共振吸收峰出現(xiàn)的位置亦不同。在以掃頻方式測定時(shí)，核外電子云密度大的質(zhì)子，值大，吸

9、收峰出現(xiàn)較低頻，相反核外電子云密度小的質(zhì)子，吸收峰出現(xiàn)在較高頻。如果以掃場方式進(jìn)行測定，則電子云密度大的質(zhì)子吸收峰在較高場，電子云密度小的質(zhì)子出現(xiàn)在較低場。3化學(xué)位移值化學(xué)位移數(shù)值很小，質(zhì)子的化學(xué)位移只有所用磁場的百萬分之幾，化學(xué)位移值的大小，可采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化合物為原點(diǎn)，測出峰與原點(diǎn)的距離，就是該峰的化學(xué)位移值，一般采用四甲基硅烷為標(biāo)準(zhǔn)物（代號為TMS）。d = (n樣 - nTMS ) 106 / nTMS 或d = (BTMS - B樣) 106 / BTMS （=樣品-TMS），為化學(xué)位移值，它是一個(gè)無量綱數(shù)，用ppm（百萬分之一）表示。化學(xué)位移是依賴于磁場強(qiáng)度的。不同頻率的儀器測出的化

10、學(xué)位移值是不同的，例如，測乙醚時(shí)：用頻率60MHz的共振儀測得，CH3-為69Hz，-CH2-為202Hz。用頻率100MHz的共振儀測得，CH3-為115Hz，-CH2-為337Hz。為了使在不同頻率的核磁共振儀上測得的化學(xué)位移值相同（不依賴于測定時(shí)的條件），通常用來表示，的定義為： 標(biāo)準(zhǔn)化合物TMS的值為0。在TMS左邊的吸收峰值為正值，在TMS右邊的吸收峰，值為負(fù)值。n樣和nTMS分別為樣品和標(biāo)準(zhǔn)物TMS中質(zhì)子的共振頻率，B樣和BTMS分別為樣品和標(biāo)準(zhǔn)物TMS中質(zhì)子的共振磁場強(qiáng)度。由此可得，60MHz時(shí)乙醚中CH3-的H的值為69106/60106 =1.15, 60MHz時(shí)乙醚中-CH

11、2-的H的值為202106/60106 =3.37。 100MHz時(shí)乙醚中CH3-的H的值為115106/100106 =1.15, 100MHz時(shí)乙醚中-CH2-的H的值為337106/100106 =3.37。這樣，就得到各種不同結(jié)構(gòu)的H的值。4影響化學(xué)位移的因素(1)誘導(dǎo)效應(yīng) 1值隨著鄰近原子或原子團(tuán)的電負(fù)性的增加而增加。如：CH3X中甲基的化學(xué)位移值XLiSi(CH3)3HMeEtNH2OHFSMeCl (ppm) -1.940.00.230.860.912.473.394.272.093.062 值隨著H原子與電負(fù)性基團(tuán)距離的增大而減小。如：CH3CH2CH2Cl 值： 1.061.

12、813.473。 烷烴中H的值按伯、仲、叔次序依次增加。如： CH3HRCH2HR2CHHR3CH值：0.21.10.11.30.11.50.1 （2）共軛效應(yīng) 當(dāng)拉電子或推電子基團(tuán)與乙烯分子上的碳-碳雙鍵共軛時(shí)，烯碳上的質(zhì)子的電子云密度會改變，其吸收峰也會發(fā)生位移，以下是乙酸乙烯酯、丙烯酸甲酯與乙烯的比較：（3）電子環(huán)流效應(yīng)（磁場的各向異性） 烯烴、醛、芳環(huán)中，電子在外加磁場作用下產(chǎn)生環(huán)流，使氫原子周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場，如果感應(yīng)磁場的方向與外加磁場相同，即增加了外加磁場，所以在外加磁場還沒有達(dá)到Ho時(shí)，就發(fā)生能級的躍遷，稱為去屏蔽效應(yīng)，該區(qū)域稱為去屏蔽區(qū)，用-號表示；而當(dāng)感應(yīng)磁場的方向與外加磁場

13、方向相反時(shí)，即減小了外加磁場，稱屏蔽效應(yīng)，該區(qū)域稱為屏蔽區(qū)，用+號表示。烯烴、醛、芳環(huán)中氫原子處于去屏蔽區(qū)，因而它們的很大（= 4.512），乙炔也有電子環(huán)流,但炔氫的位置不同，處在屏蔽區(qū)（處在感應(yīng)磁場與外加磁場對抗區(qū)），所以炔氫的值較小。 （芳環(huán)的磁場的各向異性） （叁鍵的磁場的各向異性）（4）氫鍵效應(yīng)和溶劑效應(yīng)當(dāng)分子形成氫鍵后，由于靜電場的作用，使氫外圍電子云密度降低而去屏蔽，值增加。由于氫鍵的強(qiáng)度與分子所處環(huán)境有關(guān)，因此，氫鍵中氫隨溶劑極性、溶液濃度和測定溫度的不同，值也有所改變。如羧基的氫化學(xué)位移通常在1014左右。在核磁共振譜的測定中，由于采用不同溶劑，某些質(zhì)子的化學(xué)位移發(fā)生變化，這

14、種現(xiàn)象稱為溶劑效應(yīng)。溶劑效應(yīng)的產(chǎn)生往往是由溶劑的磁各向異性效應(yīng)或溶劑與被測試樣分子間的氫鍵效應(yīng)引起的。由于氫原子核的化學(xué)位移范圍比較小，而核磁共振的測定通常必須將樣品配置為溶液狀態(tài)進(jìn)行，因而溶劑效應(yīng)是一個(gè)不可忽略的因素。四峰面積與氫原子數(shù)目 在核磁共振譜圖中，每一組吸收峰都代表一種氫，每種共振峰所包含的面積是不同的，其面積之比恰好是各種氫原子數(shù)之比。如乙基苯的核磁共振氫譜如下，圖中共有三組核磁共振峰面積比為：5：2：3，即乙基苯中三種氫的數(shù)目比。因此核磁共振譜不僅提供了各種不同H的化學(xué)位移，并且表示了各種不同氫的數(shù)目。（乙基苯的核磁共振氫譜）共振峰的面積大小一般是用積分曲線高度法測出，是核磁共

15、振儀上帶的自動分析儀對各峰的面積進(jìn)行自動積分，得到的數(shù)值用階梯積分高度表示出來（如上圖所示）。積分曲線的畫法是由低場到高場（從左到右），從積分曲線起點(diǎn)到終點(diǎn)的總高度與分子中全部氫原子數(shù)目成比例。每一階梯的高度表示引起該共振峰的氫原子數(shù)之比。五 峰的裂分和自旋偶合 1峰的裂分在1950年，Proctor等人研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子的共振頻率與其結(jié)構(gòu)（化學(xué)環(huán)境）有關(guān)。在高分辨率下，吸收峰產(chǎn)生化學(xué)位移和裂分，這種使吸收峰分裂增多的現(xiàn)象稱為峰的裂分。如下圖中碘代乙烷的氫原子a裂分為三重峰，而b裂分為四重峰。由有機(jī)化合物的核磁共振圖，可獲得質(zhì)子所處化學(xué)環(huán)境的信息，進(jìn)一步確定化合物結(jié)構(gòu)。（碘代乙烷的核磁共振氫譜）2

16、自旋偶合核磁共振峰的裂分是因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)碳上質(zhì)子之間的自旋偶合（自旋干擾）而產(chǎn)生的。我們把這種由于鄰近不等性質(zhì)子自旋的相互作用（干擾）而分裂成幾重峰的現(xiàn)象稱為自旋偶合。自旋偶合作用不影響磁核的化學(xué)位移，但對共振峰的形狀會產(chǎn)生重大影響，使譜圖變得復(fù)雜，但又為結(jié)構(gòu)分析提供更多的信息。(1)自旋偶合的產(chǎn)生（以碘乙烷為例） 根據(jù)Pauli原理和Hund規(guī)則，每個(gè)成鍵軌道最多只能容納2個(gè)電子且自旋方向相反；同一成鍵原子的電子自旋方向平行； 電子自旋方向與核自旋方向相同，核自旋能級升高，電子自旋方向與核自旋方向相反，核自旋能級降低。對于自旋量子數(shù)I=1/2的核來說，在磁場中有兩種取向：m = +1/2和m

17、= -1/2。在碘乙烷中，a、b氫原子核是相鄰近的，有互相偶合作用，當(dāng)b氫取m = +1/2順磁場排列（）時(shí)，其產(chǎn)生的局部磁場會使a質(zhì)子感受到稍微增強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，故會在較低的外磁場中發(fā)生共振，相反，當(dāng)b組二個(gè)氫原子核取m=-1/2反磁場排列（）時(shí)，會使a氫原子核感受到稍微減弱的磁場強(qiáng)度，而在較高的外磁場中發(fā)生共振，由于b種氫共有2個(gè)，其排列方式有4中，其中有兩種方式對a氫原子核的影響是相同的，故b氫原子核的偶合會使a氫原子核裂分成三重峰，其強(qiáng)度比為1:2:1。同樣道理，a組三個(gè)氫原子核在磁場中有8種不同的取向組合，如下圖所示，這8種取向組合出現(xiàn)的幾率為1:3：3：1。因此，a組氫原子核在外磁場

18、中產(chǎn)生四種不問的局部磁場使b氫原子核裂分成四重峰。(2) n+1規(guī)律 磁等性氫原子核之間不發(fā)生偶合。兩個(gè)磁不等性氫原子核相隔三個(gè)鍵以上時(shí)，則不發(fā)生偶合。 同碳上的磁不等性氫原子核可偶合裂分。（3）裂分峰數(shù)的計(jì)算某組環(huán)境相同的氫核，與n個(gè)環(huán)境相同的氫核（或I=1/2的核）偶合，則被裂分為(n+1)個(gè)峰。例如：n + 1規(guī)律只適合于互相偶合的質(zhì)子的化學(xué)位移差遠(yuǎn)大于偶合常數(shù)，即vJ時(shí)的一級光譜。其中J為偶合常數(shù)，它是相鄰兩裂分峰之間的距離，單位為赫茲（Hz）。在實(shí)際譜圖中互相偶合的二組峰強(qiáng)度會出現(xiàn)內(nèi)側(cè)高，外側(cè)低的情況，稱為向心規(guī)則。利用向心規(guī)則，可以找到吸收峰間互相偶合的關(guān)系。某組環(huán)境相同的氫核，分

19、別與n個(gè)和m個(gè)環(huán)境不同的氫核（或I=1/2的核）偶合, 則被裂分為(n+1)(m+1)條峰（實(shí)際譜圖可能出現(xiàn)譜峰部分重疊，小于計(jì)算值）。 例如： 在儀器分辨率不高的情況下，只用n + 1來計(jì)算，則上述H b只有n + 1= 5重峰。鄰近質(zhì)子數(shù)與裂分峰數(shù)和峰強(qiáng)度的關(guān)系：（1 + 1）（1 + 1）的情況：四重峰，具有同樣的強(qiáng)度。 （2 + 1）（2 + 1）的情況：強(qiáng)度比為1 ：2 ：1 ：2 ：4 ：2 ：1 ：2 ：1，特征不明顯，通常不易分辨出來。六核磁共振譜的解析1。核磁共振氫譜可提供的信息： 1. 由吸收峰數(shù)可知分子中氫原子的種類。 2. 由化學(xué)位移可了解各類氫的化學(xué)環(huán)境。 3. 由裂

20、分峰數(shù)目大致可知各種氫的數(shù)目。 4. 由各種峰的面積比即知各種氫的數(shù)目。 15.3.5.2 譜圖解析核磁共振氫譜的解析通常有如下幾個(gè)步驟：首先，要了解化合物的來源，對化合物有初步的了解，如化合物的顏色，晶形，熔點(diǎn)，溶解性等信息，又助于對化合物進(jìn)行分類。其次，通過元素分析或質(zhì)譜分析得到化合物的分子式，并計(jì)算不飽和度，不飽和度的計(jì)算如下式：（其中n為分子中4價(jià)原子的數(shù)目，如C，Si；a為 分子中3價(jià)原子的數(shù)目，如P，N；b為分子中1價(jià)原子的數(shù)目，如H，F(xiàn)，Cl，Br，I。氧和硫的存在對不飽和度沒有影響。）其次，從積分曲線，算出各組信號的相對面積，再參考分子式中氫原子數(shù)目，來決定各組峰代表的質(zhì)子數(shù)目

21、。也可用可靠的甲基信號或孤立的次甲基信號為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各組峰代的質(zhì)子數(shù)。從各組峰的化學(xué)位移，偶合常數(shù)及峰形，根據(jù)它們與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，推出可能的結(jié)構(gòu)單元。識別譜圖中的一級裂分譜，讀出J值，驗(yàn)證J值是否合理。結(jié)合元素分析、紅外光譜、紫外光譜、質(zhì)譜、13C核磁共振譜和化學(xué)分析的數(shù)據(jù)推導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)。 例1某分子式為C4H8O2的化合物，其HNMR如下：試解析其分子結(jié)構(gòu)。解： 該分子的不飽和度為1，表明分子結(jié)構(gòu)中有一個(gè)雙鍵或一個(gè)環(huán)。譜圖中共有三組核磁共振吸收，其中為1.9ppm處的3個(gè)氫核為單峰，表明其不與其他氫核相連，為一個(gè)孤立的甲基，而為4.1ppm處的兩個(gè)氫核為四重峰，為1.2ppm處的氫核裂分為

22、3重峰，表明分子結(jié)構(gòu)中有一個(gè)-CH2CH3單元，其中CH2單元，由于氫的化學(xué)位移在4.1ppm,表明它與強(qiáng)吸電子基團(tuán)直接相連，分子中有兩個(gè)氧原子，結(jié)合以上數(shù)據(jù)，解析得其結(jié)構(gòu)為：例2化合物C9H11O在UV中260nm、285nm有吸收；IR譜中于1720cm-1有吸收；NMR譜在7.2處（5H）單峰，3.6處（2H）單峰，2.1處（3H）單峰。試由上述光譜資料推測化合物的結(jié)構(gòu)。七核磁共振碳譜簡介13C核磁共振譜（13CNMR）的信號是1957年由P.C.Lauterbur首先觀察到的。碳是組成有機(jī)物分子骨架的元素，人們清楚認(rèn)識到13CNMR對于化學(xué)研究的重要性。由于13C的信號很弱，加之1H核

23、的偶合干擾，使13CNMR信號變得很復(fù)雜，難以測得有實(shí)用價(jià)值得譜圖的。二十世紀(jì)七十年代后期，質(zhì)子去偶和傅立葉變換技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，才使13CNMR的測定變成簡單易得。二十多年來，核磁共振技術(shù)取得巨大發(fā)展，目前，13CNMR已廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)測定、反應(yīng)機(jī)理研究、異構(gòu)體判別、生物大分子研究等方面，成為化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和生產(chǎn)部門不可缺少的分析測試手段，對有關(guān)學(xué)科的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。在有機(jī)物中，有些官能團(tuán)不含氫，例如：-C=O，-C=C=C-，-N=C=O等官能團(tuán)的信息，不能從 1H 譜中得到，只能從 13C 譜中得到有關(guān)的結(jié)構(gòu)信息。1核磁共振碳譜的特點(diǎn)靈敏度低，分辨能力高，因?yàn)樘甲V的化學(xué)位移范圍大，約300 ppm 為1H 譜的 2030 倍，譜線之間分得很開，容易識別。自然豐度 1.1%，不必考慮 13C 與 13C 之間的耦合，只需考慮同 1H 的耦合。能給出不連氫的碳的吸