核磁共振原理與圖譜分析技巧

1、核磁共振原理及圖譜分析技巧,Contents,Add Your Text,concept,Concept,Concept,Concept,核磁共振基本原理,2021/2/15,NMR: 在強外磁場中，樣品分子中的某些具有磁性的原子核體系形成磁化矢量，用垂直于強外磁場的射頻電磁場照射樣品時，將使?jié)M足共振條件的磁性原子核吸收電磁波產(chǎn)生核能級躍遷，相應的磁化矢量偏離并圍繞強外磁場方向產(chǎn)生進動，從而在垂直于強外磁場的感應線圈中長生于磁性核特征和化學結構信息相應的的電磁感應共振信號的現(xiàn)象,核磁共振的研究對象：磁性核，也稱自旋核。 磁性核：具有磁矩的原子核。 磁矩是由于核的自旋運動產(chǎn)生的。 并非所有同位素

2、的原子核都具有自旋運動。 原子核的自旋運動與自旋量子數(shù)（I）有關,核磁共振基本原理,2021/2/15,自旋量子數(shù)是描述原子核自旋運動的量子數(shù)?？梢允钦麛?shù)、半整數(shù)或0，I值與原子核的質(zhì)量數(shù)A和核電荷數(shù) Z（質(zhì)子數(shù)或原子序數(shù)）有關,原子核的自旋運動,2021/2/15,2021/2/15,2021/2/15,I = 0: P=0，無自旋，不產(chǎn)生共振信號。 I=0: 12C6 16O8 32S16,I0 : P0 ，具有自旋現(xiàn)象。 I1/2，核電荷在核表面均勻分布。 核磁共振譜線窄，有利于核磁共振檢測。 I=1/2: 1H1 13C6 15N7 19F9 31P15,= P,2021/2/15,原

3、子核在外磁場中的性質(zhì),無外磁場（B0）時，磁矩 的取向是任意的。 在B0中，I 0的自旋核，磁矩的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I + 1）種取向。可用磁量子數(shù)m表示：m：I，I-1，I-2,1 ,-I,2021/2/15,對于1H原子核：I =1/2 共有2種取向：（+1/2，-1/2,2021/2/15,自旋核在B0場中的進動當自旋核處在外磁場B0中時，除自旋外(自旋軸的方向與 一致)，還會繞B0進動,稱Larmor進動，類似于陀螺在重力場中的進動,2021/2/15,自旋核在BO場中的進動,2021/2/15,hg E = B0 2,高能級 低能級,能級列分,共振條件和共振信號,

4、2021/2/15,在垂直于B0的方向加一個射頻場B1，其頻率為射，當E射= h射 = E時，自旋核會吸收射頻的能量，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（核自旋發(fā)生反轉(zhuǎn),hg E = B0 2,g B0 n射 = 2,磁場強度與射頻頻率成正比。 儀器的射頻頻率越大，磁場強度越大，譜圖分辨率越高,2021/2/15,產(chǎn)生NMR條件 （1） I 0 的自旋核 （2） 外磁場 B0 g B0 （3） 與 B0 相互垂直的射頻磁場B1 且 n射 = 2,2021/2/15,低能態(tài)吸收電磁能向高能態(tài)躍遷，高能態(tài)核也必須要釋放能量再返回低能態(tài)。否則，在射頻電磁波的作用下，高低能態(tài)核的分布很快相等，磁化矢量減小，甚至為零

5、，使共振信號強度減弱或完全消失，最后導致觀察不到NMR 信號，這種現(xiàn)象稱為飽和。在核磁共振中若無有效的弛豫過程，飽和現(xiàn)象是很容易發(fā)生的,弛豫：高能態(tài)核釋放能量回到低能態(tài)的過程,要發(fā)生能級躍遷要求低能級核的數(shù)量要高于高能級核數(shù)量。但是自旋核在高能態(tài)和低能態(tài)分布的量相差甚微（約百萬分之十），故由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的幾率很小,弛豫現(xiàn)象,Click to edit Master title style,P 自旋-晶格弛豫hase 1,P 自旋-自旋弛豫 ase 2,自旋核與周圍分子（固體的晶格，液體則是周圍的同類分子或溶劑分子）交換能量的過程稱為自旋-晶格弛豫，又稱為縱向弛豫,核與核之間進行能量交換的

6、過程稱為自旋-自旋弛豫，也稱為橫向弛豫。交換能量后，兩個核的取向被掉換，各種能級的核數(shù)目不變，系統(tǒng)的總能量不變,弛豫過程一般分為兩類：自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫,2021/2/15,峰寬取決于T1及T2之較小者，并與之成反比。固體樣品的T2很小，所以譜線很寬。因此，常規(guī)的NMR 測定，需將固體樣品配制成溶液后進行,縱向弛豫過程所經(jīng)歷的時間用 T表示，T愈小、縱向弛豫過程的效率愈高，愈有利于核磁共振信號的測定。 橫向弛豫過程所需時間以 T2表示， 自旋自旋弛豫過程只是完成了同種磁核取向和進動方向的交換，對恢復Boltzmann平衡沒有貢獻,2021/2/15,2021/2/15,2021/2

7、/15,2021/2/15,連續(xù)波核磁共振儀 (CW)-NMR: 1) 掃場法： 固定照射頻率，依次改變磁場強度，以滿足不同化學環(huán)境核的共振條件，得到核磁共振譜的方法。核磁共振最常用的方法是掃場。 2）掃頻法：固定磁場強度，改變照射頻率而獲得核磁共振譜的方法。 2. 脈沖傅里葉變換核磁共振儀(PFT-NMR,儀器種類,2021/2/15,化學位移,磁性核的共振頻率不僅有外磁場核磁旋比決定，還受磁性核周圍的化學環(huán)境的影響。分子中處在不同化學環(huán)境的同種磁性核，它們的共振頻率有差異,化學位移：表示同種磁性核的不同自旋核體系核磁共振信號位置差別的物理量。反應磁性核所處的化學環(huán)境。用表示其大小,2021

8、/2/15,在討論核磁共振基本原理時，我們把原子核當作孤立的粒子，即裸露的核，就是說沒有考慮核外電子，沒有考慮核在化合物分子中所處的具體環(huán)境等因素。當裸露核處于外磁場 B0中，它受到 B0所有的作用。而實際上，處在分子中的核并不是裸露的核外有電子云存,核外電子云受B0的誘導產(chǎn)生一個方向與 B0相反，大小與B0成正比的誘導磁場，方向與B0 相反。它使原子核實際受到的外磁場強度減小。也就是說核外電子對原子核有屏蔽作用。如果用屏蔽常數(shù)表示屏蔽作用的大小，那么處于外磁場中的原子核受到的不再是外磁場B0作用而是B0（1,B0,2021/2/15,屏蔽作用的大小與核外電子云密度有關，核外電子云密度越大，核

9、受到的屏蔽作用越大，而實際受到的外磁場強度降低越多，共振頻率降低的幅度也越大。如果要維持核以原有的頻率共振，則外磁場強度必須增強得越多,電子云密度和核所處的化學環(huán)境有關，這種因核所處化學環(huán)境改變而引起的共振條件（核的共振頻率或外磁場強度）變化的現(xiàn)象稱為化學位移,由于化學位移的大小與核所處的化學環(huán)境有密切關系，因此就有可能根據(jù)化學位移的大小來了解核所處的化學環(huán)境，即了解有機化合物的分子結構,2021/2/15,d和p比a和 s的影響大；對于1H，核外只有s電子，所以d是主要影響因素，而對于1H 以外的所有其他原子核，p都比d要重要得多,屏蔽常數(shù) 與原子核所處的化學環(huán)境有關，其中主要包括以下幾項影

10、響因素： =d+p+a+s d：抗磁（diamagnetic）屏蔽的大小 p：順磁（paramagnetic）屏蔽大小 a：相鄰核的各向異性（anisotropic）的影響 s: 溶劑、介質(zhì)等其他因素的影響,2021/2/15,在不同的化學環(huán)境中的同種磁性核的值差異很小，所以共振頻率的絕對位置不易精確穩(wěn)定而重現(xiàn)地測定，因此在樣品中加入一種標準物質(zhì)，用內(nèi)標發(fā)測定共振頻率的差值。選TMS-四甲基硅烷為內(nèi)標物,TMS的有點： (1)12個氫處于完全相同的化學環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰。 (2)屏蔽效應強，共振信號在高場區(qū),絕大多數(shù)吸收峰均出現(xiàn)在它的左邊。 (3) 化學惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。

11、 （4）TMS是烷烴，化惰性，不與樣品分子發(fā)生反應和分子間的締合，化學位移信息重復性好,2021/2/15,化學位移的表示方法,一般用化學位移常數(shù)來表示化學位移,標準化合物TMS的值為0,值只取決于測定核與標準物質(zhì)參比核之間的屏蔽常數(shù)之差，與外磁場無關。用值表示化學位移，同一個物質(zhì)在不同規(guī)格型號的儀器上所測得的數(shù)值是相同的,PPM,2021/2/15,在1H譜和13C譜中都規(guī)定標準物TMS的化學位移值=0，位于圖譜的右邊。在它的左邊為正值，在它的右邊 為負值，絕大部分有機物中的氫核或碳核的化學位移都是正值,當外磁場強度自左至右掃描逐漸增時,值卻自左至右逐漸減小。凡是值較小的核，就說它處于高場,

12、不同的同位素核因屏蔽常數(shù) 變化幅度不等，值變化的幅度也不同，如1H 的值小于20，13C的大部分在0-250，而195Pt的可達13000,2021/2/15,影響化學位移的因素,1.誘導效應,電負性大的取代基（如鹵素，硝基，氨基，羰基，羧基等）的誘導效應均會降低核外電子的密度從而起了去屏蔽作用，產(chǎn)生的與外磁場方向相反的誘導磁場強度（H誘）減小.根據(jù)H掃=H0+H誘可知共振所需磁場強度相應降低，即共振在較低磁場發(fā)生，則增大,化學位移是由核外電子屏蔽作用引起的，因此任何影響核外電子密度的因素均會影響化學位移,2021/2/15,值隨著鄰近原子或原子團的電負性的增加而增加。如： CH3H CH3B

13、r CH3Cl CH3NO2 值 0.23 2.69 3.06 4.29 值隨著H原子與電負性基團距離的增大而減小。如： CH3CH2CH2Cl 值 1.06 1.81 3.47,2021/2/15,2.磁各向異性,aromatic ring (C6H6) = 7.27ppm,2021/2/15,C=C and C=O C=C = 5.0-6.0 ppm C=O = 9.4-10 ppm,2021/2/15,= 1.8-3 ppm,2021/2/15,3.氫鍵,氫鍵形成后，質(zhì)子化學位移移向低場。表現(xiàn)出相當大的去屏蔽效應。提高溫度和降低濃度都可以破壞氫鍵。分子內(nèi)氫鍵，其化學位移變化與溶液濃度無關

14、，取決于分子本身結構。分子間氫鍵受環(huán)境影響較大，當樣品濃度、溫度發(fā)生變化時，氫鍵質(zhì)子的化學位移會發(fā)生變化,2021/2/15,乙醇的羥基隨濃度增加，分子間氫鍵增強，化學位移增大,R-OH: 0.54.5 ppm,2021/2/15,4.溶劑效應,溶劑效應 ：溶劑不同使化學位移改變的效應。 溶劑效應的產(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)形成氫鍵的強弱不同引起的,2021/2/15,耦合裂分,自旋-自旋耦合：由于分子結構中相鄰自旋核磁矩的相互作用使共振峰產(chǎn)生多重裂分。產(chǎn)生的多重裂分峰稱為耦合裂分峰,化學位移-僅考慮了磁核的電子環(huán)境，即核外電子云對核產(chǎn)生的屏蔽作用，但忽略

15、了同一分子中磁核間的相互作用。這種磁核間的相互作用很小，對化學位移沒有影響，而對譜峰的形狀有著重要影,2021/2/15,自旋-自旋耦合可以發(fā)生在同種自旋核上，也可以發(fā)生在不同種的自旋核上。這是由于自旋核在外磁場中的不同取向是被耦合核受到外磁場強度大小不同而產(chǎn)生的,耦合常數(shù)：自旋-自旋耦合產(chǎn)生的多重峰的間隔。用J表示，J值的大小反應自旋核之間相互作用的強弱,耦合作用是通過分子內(nèi)部的價鍵電子云傳遞的。 J值與耦合核之間的化學鍵數(shù)目、分子成鍵的類型（單鍵、雙鍵，三鍵等）取代基的電負性，分子的立體結構直接相關，不受外磁場的影響,2021/2/15,通常在nJA-X表示耦合作用類型，n為間隔價鍵數(shù)，A

16、-X為相互作用核的符號。如13C-1H 之間的耦合只相隔一個化學鍵，故表示為1JC-H，而H-C-C-H 中兩個H之間相隔三個化學鍵，其耦合常數(shù)表示為3JH-H,耦合常數(shù)和化學位移不同，同意化合物在不同的MHz的儀器上測得的光譜形狀不同。用高MHz的儀器可以得到高分辨率的圖譜,2021/2/15,自旋偶合與裂分規(guī)律,1) 裂分數(shù)目 2nI+1 I=1/2時，質(zhì)子裂分數(shù)目n+1,2) 裂分峰呈對稱關系 距離相等、峰形相似、強度相等,3) 裂分峰的強度比：(a+b)n 展開的各項系數(shù),CH3CH2I a b,2021/2/15,相互耦合的兩個耦合核之間的耦合作用強度相等，即JAB = JBA,并且

17、耦合作用的強度隨著兩個耦合核之間的價鍵的延長而變?nèi)?，耦合常?shù)減小,2021/2/15,兩個相鄰核之間相隔三個或少于三個價鍵時，才有顯著地自旋耦合作用。當超過三個價鍵時，耦合作用很小捉著沒有耦合作用,2021/2/15,耦合常數(shù)是核磁共振譜的重要參數(shù)之一，可用它來研究核間關系、構型、構象、取代位置等,2021/2/15,1）間隔的鍵數(shù) (N): 相互偶合核間隔鍵數(shù)增多，偶合常數(shù)的絕對值減小。 （2）角度: 兩平面夾角對偶合常數(shù)有影響。偶合核在核磁矩相互垂直時，干擾最小。 （3）電負性: 由于偶合靠價電子傳遞，因而隨取代基X的電負性增大，XCHCH的J降低,耦合常數(shù)的影響因素,2021/2/15,

18、儀器頻率,J = 400 (6.22933-6.22498) = 1.74 Hz,屋頂效應,2021/2/15,化學等價: 分子結構中處于完全相同化學環(huán)境的磁性核（具有相同的化學位移,一般化學等價核之間可通過分子結構中的對稱性（對稱點、對稱軸、對稱面，對映），或單鍵快速旋轉(zhuǎn)相互交換，或環(huán)的快速翻轉(zhuǎn)交換,當單鍵具有雙鍵性（如酰胺C-N鍵）、單等，常常鍵旋轉(zhuǎn)及環(huán)翻轉(zhuǎn)受阻（取代環(huán)己烷）重拍異構及互變異構（乙酰丙酮）、與手性碳原子相連等，常常產(chǎn)生化學不等價,改變溫度也可改變交換速率從影響化學等價性和共振峰型,2021/2/15,2021/2/15,磁等價: a) 化學等價； b) 與組外核耦合的耦合常

19、數(shù)相等 化學等價不一定磁等價； 磁等價必定化學等價； 化學不等價必 定磁不等價,磁等價核：化學等價核，若對其他磁性核發(fā)生相同的自旋耦合作用，即通過完全相同的價鍵傳遞耦合，則這組核稱為磁等價核。相互磁等價核之間不產(chǎn)生偶合裂分,2021/2/15,磁不等價的幾種情況： （1）化學環(huán)境不同的氫核是磁不等價的 （2）與手性碳相連的 CH2 上的氫核是磁不等價的,2021/2/15,3）固定在環(huán)上的 CH2 上的氫核是磁不等價的 （4）單鍵帶有雙鍵性質(zhì)時，會產(chǎn)生磁不等價的氫核 （5）單鍵不能自由旋轉(zhuǎn)時，也會產(chǎn)生磁不等價的氫核,2021/2/15,6）處于末端雙鍵上的兩個氫核，由于雙鍵不能自由旋轉(zhuǎn)是磁不等

20、價的 （7）芳環(huán)上取代基的鄰位質(zhì)子也可能是磁不等價的,J (H1F1) J (H2F1), J (H1F2) J (H2F2,Jax Ja1x, Jax1 Ja1x,2021/2/15,2021/2/15,CH2=CF2 AAXX system CH2F2 A2X2 system 13CH2F2 AM2X2 system CH3CH2OH A3M2X system X-CH2-CH2-Y A2B2 system,自旋系統(tǒng),2021/2/15,NMR測試溶劑的選擇,不含質(zhì)子 ；沸點低 ；化學惰性 ；溶解度好 ；最好是磁各向同性；價格便宜 ；盡量避免溶劑峰可能與樣品信號峰重疊的溶劑,氘帶溶劑由于氘

21、帶度一般只有99.5%左右，且常含有微量的水分，因此，NMR譜解析式應注意辨認溶劑峰和水峰。由于氫鍵的影響不同溶劑中水峰的位置有差異,2021/2/15,1H-NMR中的溶劑峰,2021/2/15,13C-NMR中的溶劑峰,譜 圖 參 數(shù),2021/2/15,2021/2/15,總之，核磁共振譜是以相對共振頻率（化學位移常數(shù)）為橫坐標，共振峰強度為縱坐標所做的圖譜。化學位移反應磁性核所處的化學環(huán)境。共振峰強度與核的數(shù)目相應。耦合常數(shù)與耦合核之間間隔價鍵數(shù)目、價鍵類型、取代基的電負性、分子的立體機構等因素直接相關耦合裂分多重峰與分子結構中相連的數(shù)目相關。它們均為有機化合物的結構解析的重要信息,核

22、磁共振1H譜,2021/2/15,化學位移,耦合,積分值,2021/2/15,核磁共振1H譜信息,化學位移化學環(huán)境（周圍的官能團,耦合裂分周圍氫核的數(shù)量和構型,積分值相對氫核的數(shù)量,2021/2/15,1,0,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,C3CH C2CH2 C-CH3 環(huán)烷烴,0.21.5,CH2Ar CH2NR2 CH2S CCH CH2C=O CH2=CH-CH3,1.73,CH2F CH2Cl CH2Br CH2I CH2O CH2NO2,24.7,0.5(1)5.5,68.5,10.512,4.65.9,910,OH NH2 NH,CR2=CH-R,RCO

23、OH,RCHO,1H譜化學位移,2021/2/15,積分值,2021/2/15,耦合裂分,耦合裂分峰數(shù)量周圍氫核的數(shù)量（根據(jù)n+1規(guī)則,耦合常數(shù)周圍氫核的構型（環(huán)上和雙鍵上的氫核,2021/2/15,2021/2/15,如果依然不能得出明確的結論，則需借助于其他波譜分析方法，如紫外或紅外光譜，質(zhì)譜以及核磁共振碳譜等,以TMS或氘代溶劑內(nèi)標校正化學位移，并標示出各峰的化學位移值。測量積分曲線的高度，進而確定各峰組對應的質(zhì)子數(shù)目,計算剩余的結構單元和不飽和度。 將結構單元組合成可能的結構式。 對所有可能結構進行指認，排除不合理的結構,根據(jù)每一個峰組的化學位移值、質(zhì)子數(shù)目以及峰組裂分的情況推測出對應

24、的結構單元,氫譜的解析步驟,2021/2/15,注意不符合一級譜圖的情況一級譜圖是有條件的。在許多情況下，由于相互耦合的兩種質(zhì)子化學位移值相差很小，不能滿足/J6 的條件，因此裂分峰形不完全符合n +1 規(guī)律,區(qū)分譜圖中的溶劑峰和雜質(zhì)峰,注意分子中活潑氫產(chǎn)生的信號。OH等活潑氫的核磁共振信號比較特殊，在解析時應注意?？梢愿淖儗嶒灄l件，如樣品濃度、測量溫度等，吸收峰位置發(fā)生變化的就是活潑氫；或者利用重水交換反應。具體做法為，先測繪正常的氫譜，然后在樣品溶液中滴加12 滴重水并振蕩，再測繪一氫譜。由于活潑氫與重水中的氘快速交換，原來由活潑氫產(chǎn)生的吸收峰消失,氫譜的解析注意點,2021/2/15,化

25、學位移,亞甲基,甲基和次甲基,次甲基,全碳譜,DEPT 135,DEPT 90,13C-NMR,核磁共振13C譜,2021/2/15,核磁共振13C譜信息,全碳譜 所有碳的化學位移,DEPT 90次甲基,DEPT譜,DEPT 135甲基、亞甲基核次甲基,2021/2/15,碳譜的解析步驟,2021/2/15,同氫譜中一樣，測定液體核磁共振碳譜也須采用氘代溶劑，除氘代水（D2O）等少數(shù)不含碳的氘代溶劑外，溶劑中的碳原子在碳譜中均有相應的共振吸收峰，并且由于氘代的緣故在質(zhì)子噪聲去耦譜中往往呈現(xiàn)為多重峰，裂分數(shù)符合2nI +1，由于氘的自旋量子數(shù)I=1，故裂分數(shù)為2n +1 規(guī)律,碳譜中雜質(zhì)峰的判斷可參照氫譜解析時雜質(zhì)峰的判別。一般雜質(zhì)峰均為較弱的峰。當雜質(zhì)峰較強而難以確定時，可用反轉(zhuǎn)門控去耦的方法測定定量碳譜，在定量碳譜中各峰面積（ 峰強度）與分子結構中各碳原子數(shù)成正比，明顯不符合比例關系的峰一般為雜質(zhì)峰,區(qū)分譜圖中的溶劑峰和雜質(zhì)峰,2021/2/15,飽和碳原子區(qū)（150） 該區(qū)域