現代分析技術核磁共振波譜法

1、第第8章章 核磁共振波譜法核磁共振波譜法李金娟，趙林，譚欣李金娟，趙林，譚欣 等等. 利用淀粉酸化廢水馴化活性污泥合成聚利用淀粉酸化廢水馴化活性污泥合成聚 - 羥基脂羥基脂肪酸酯及其表征肪酸酯及其表征. 化工進展化工進展，2011，30(7)：1618-1622聚羥基脂肪酸酯聚羥基脂肪酸酯 （Polyhydroxyalkanoates，PHA）微生物合成的一種聚酯，具有生物可降解性、生物相容性和光學性能等優(yōu)良性質，在可生物降解的包裝材料、組織工程材料、緩釋材料以及電學材料方面有廣闊的應用前景，但只有降低PHA的生產成本后才可能大規(guī)模應用。PHA的力學性質依賴于其手性單體 羥基脂肪酸 （R， h

2、ydroxyalkanoate）的組成和結構。第第8章章 核磁共振波譜法核磁共振波譜法8.1 概述概述8.2 核磁共振波譜法的基本原理核磁共振波譜法的基本原理8.3 核磁共振波譜儀和實驗方法核磁共振波譜儀和實驗方法8.4 NMR譜的信息譜的信息8.5 自旋偶合自旋偶合利用自旋原子核在外磁場作用，核自旋能級躍遷所利用自旋原子核在外磁場作用，核自旋能級躍遷所產生的吸收電磁波譜，研究有機化合物結構與組成的一產生的吸收電磁波譜，研究有機化合物結構與組成的一種分析方法。種分析方法。8.1 概述概述1. 核的自旋和磁矩核的自旋和磁矩8.2 核磁共振波譜法的基本原理核磁共振波譜法的基本原理2. 核的磁化與核

3、磁共振核的磁化與核磁共振1. 核的自旋和磁矩核的自旋和磁矩8.2 核磁共振波譜法的基本原理核磁共振波譜法的基本原理原子核有的有自旋，有的無自旋，其自旋量子數（原子核有的有自旋，有的無自旋，其自旋量子數（I）的取）的取值與原子核中的質量數和中子數有關。值與原子核中的質量數和中子數有關。至少一個為奇數至少一個為奇數自旋核具有自旋角動量（自旋核具有自旋角動量（P） 12 IIhP 核都是帶電體，凡是自旋量子數核都是帶電體，凡是自旋量子數 I 不等于零的核都有磁矩。不等于零的核都有磁矩。 原子核為帶正電荷的粒子，自旋核在自旋運動時產生核磁矩原子核為帶正電荷的粒子，自旋核在自旋運動時產生核磁矩（，方向與

4、，方向與P相互平行）相互平行）181)(10675. 2sTHP約為核的不同，不同原子核的是原子核的特征參數，為磁旋比2. 核的磁化與核磁共振核的磁化與核磁共振核磁矩在外加磁場方向上核磁矩在外加磁場方向上的分量可用磁量子數的分量可用磁量子數 m 描述描述m=I，I-1，I-2，-Im 共有（共有（2I1）個取向，每種取向對應）個取向，每種取向對應一定的能量。即在外磁場的作用下，原子核一定的能量。即在外磁場的作用下，原子核自旋能級分裂為（自旋能級分裂為（2I +1）個能級。）個能級。其相鄰能級的能量差其相鄰能級的能量差E 取決于外磁場的磁感應強度取決于外磁場的磁感應強度B0hhBE20 20Bv

5、 以一定頻率的電磁波照射外磁場以一定頻率的電磁波照射外磁場B0中的自旋原子核，當電磁中的自旋原子核，當電磁波頻率滿足波頻率滿足 時，則低能級的時，則低能級的 1H 原子核將吸收此頻率原子核將吸收此頻率的電磁波而躍遷至高能級，即引發(fā)核磁共振。的電磁波而躍遷至高能級，即引發(fā)核磁共振。引發(fā)核磁共振電磁波的頻率范圍為引發(fā)核磁共振電磁波的頻率范圍為105108MHz。在一定強度的外磁場中，對特定的原子核，共振吸收的電在一定強度的外磁場中，對特定的原子核，共振吸收的電磁波頻率與原子核在分子中的微環(huán)境有關，共振吸收的強度與磁波頻率與原子核在分子中的微環(huán)境有關，共振吸收的強度與產生核磁共振原子核的數目有關。產

6、生核磁共振原子核的數目有關。核磁共振核磁共振定性定性、定量定量分析的依據分析的依據8.3 核磁共振波譜儀和實驗方法核磁共振波譜儀和實驗方法核磁共振波譜儀核磁共振波譜儀實驗要求實驗要求譜圖譜圖核磁共振波譜儀核磁共振波譜儀脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀（目前常用）。脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀（目前常用）。連續(xù)波核磁共振譜儀；連續(xù)波核磁共振譜儀；掃描方式掃描方式窄孔波譜儀（測定液體）；窄孔波譜儀（測定液體）；寬孔波譜儀（測定固體或液體）。寬孔波譜儀（測定固體或液體）。測定條件測定條件60MHz， 100MHz，200 MHz， 400MHz，600 MHz，1000 MHz 等等1H 核中心工作頻率核中

7、心工作頻率采用單頻發(fā)射和接受方式，采用單頻發(fā)射和接受方式，在很短的時間間隔內，只能記在很短的時間間隔內，只能記錄譜圖中很窄的一部分信號。錄譜圖中很窄的一部分信號。連續(xù)波核磁共振譜儀連續(xù)波核磁共振譜儀分析速度較慢。分析速度較慢?！靶盘柸?，需累加信號弱，需累加”。保持磁場的磁感應強度恒定，線性改變射頻頻保持磁場的磁感應強度恒定，線性改變射頻頻率產生核磁共振。率產生核磁共振。保持射頻頻率恒定，通過控制掃描發(fā)生器線圈保持射頻頻率恒定，通過控制掃描發(fā)生器線圈電流而線性改變磁場的磁感應強度產生核磁共振。電流而線性改變磁場的磁感應強度產生核磁共振。掃頻掃頻掃場掃場 20Bv 恒定磁場，強度大且持續(xù)時間短的無

8、線電脈沖波，以適當寬度恒定磁場，強度大且持續(xù)時間短的無線電脈沖波，以適當寬度的射頻脈沖作為的射頻脈沖作為“多道發(fā)射機多道發(fā)射機”，使所選的核同時激發(fā)，得到這，使所選的核同時激發(fā)，得到這些核的多條譜線混合的的自由感應衰減信號（即由各個激發(fā)原子些核的多條譜線混合的的自由感應衰減信號（即由各個激發(fā)原子隨時間衰減的信號），然后以電子計算機進行快速的隨時間衰減的信號），然后以電子計算機進行快速的傅立葉變換傅立葉變換作為作為“多道接收機多道接收機”，變換出各條譜線在頻率中的位置及強度，變換出各條譜線在頻率中的位置及強度，得到正常的得到正常的NMR譜。譜。測定速度快，易實現信號累加，大大提高了測定靈敏度。測

9、定速度快，易實現信號累加，大大提高了測定靈敏度。波譜儀的靈敏度和分辯率取決于磁感應強度。波譜儀的靈敏度和分辯率取決于磁感應強度。 20Bv 永久磁鐵：永久磁鐵：B00.7046T或或1.4092T；v30MHz或或60MHz。 電磁鐵：電磁鐵： B01.4092T、2.1140T或或2.3490T； v60MHz、90MHz或或100MHz。 超導磁鐵：超導磁鐵： B011.0390T；v470MHz。核磁共振譜儀使用的磁鐵有三種：核磁共振譜儀使用的磁鐵有三種：樣品樣品樣品管樣品管溶劑溶劑標準物質標準物質實驗要求實驗要求樣品樣品 測核磁共振的樣品要求較高的純度。測核磁共振的樣品要求較高的純度。

10、常規(guī)測試需要將常規(guī)測試需要將2080mg 的樣品及少量標準物質（內標）加的樣品及少量標準物質（內標）加入溶劑配成入溶劑配成0.4mL 的溶液。的溶液。使用使用FT 核磁共振儀，常規(guī)的樣品量核磁共振儀，常規(guī)的樣品量15mg。微克級的樣品也。微克級的樣品也可檢測，但由于溶劑和雜質峰的干擾，會增加操作和解析上的困可檢測，但由于溶劑和雜質峰的干擾，會增加操作和解析上的困難。難。樣品濃度一般為樣品濃度一般為510，一般需要，一般需要1530 mg的純樣品，的純樣品，脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀作脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀作1H 譜時可測定譜時可測定1 mg或更少量或更少量的樣品。的樣品。樣品管樣品管1H

11、核磁共振的樣品管，一般使用內徑核磁共振的樣品管，一般使用內徑5mm 的玻璃管，所用的的玻璃管，所用的樣品管應內徑均勻，軸線方向不變，以免所受磁場不均勻造成譜樣品管應內徑均勻，軸線方向不變，以免所受磁場不均勻造成譜線變寬，降低分辯率。線變寬，降低分辯率。溶劑溶劑配制試樣所用溶劑與其他光譜方法相似，需滿足以下條件：配制試樣所用溶劑與其他光譜方法相似，需滿足以下條件：（1）對樣品有較大的溶解度；）對樣品有較大的溶解度；（2）與樣品不發(fā)生化學反應；）與樣品不發(fā)生化學反應；（3）溶劑的共振峰對樣品沒有干擾。最好使用不含氫的溶劑，）溶劑的共振峰對樣品沒有干擾。最好使用不含氫的溶劑， 常用溶劑有常用溶劑有C

12、Cl4、CS2。標準物質標準物質標準物質除應具有作為溶劑的類似條件，還應具有標準物質除應具有作為溶劑的類似條件，還應具有磁各向磁各向同性同性，能給出一個簡單的共振峰，易于識別。，能給出一個簡單的共振峰，易于識別。標準物質可與樣品同時置于溶劑中，稱為標準物質可與樣品同時置于溶劑中，稱為“內標內標”?！巴馔鈽藰恕笔菍藴饰镔|封于毛細管，再置于樣品管中測試。內標與是將標準物質封于毛細管，再置于樣品管中測試。內標與外標有一定誤差，一般除不得已均采用內標。外標有一定誤差，一般除不得已均采用內標。最常用的標準物質最常用的標準物質 (CH3)4Si（四甲基硅，（四甲基硅，TMS），與一般），與一般有機化合物

13、中的質子吸收峰比較，其尖銳單峰處于有機化合物中的質子吸收峰比較，其尖銳單峰處于較高場較高場位置，位置，因此規(guī)定此標準物質的吸收峰為因此規(guī)定此標準物質的吸收峰為0.00。其他有機化合物的峰大。其他有機化合物的峰大都出現在其左邊，所得都出現在其左邊，所得值為正。值為正。譜圖采取掃場記錄，由低場向高場掃描，下方為譜圖采取掃場記錄，由低場向高場掃描，下方為（ppm）。上方為頻率（）。上方為頻率（cps，或，或Hz）。一般全圖范圍為）。一般全圖范圍為0.008.30，若為，若為60MHz，則相應頻率為，則相應頻率為0.0500Hz。譜譜圖圖若樣品超過這個范圍，可通過簡單操作畫在同一張圖紙上，注明實際的化

14、學若樣品超過這個范圍，可通過簡單操作畫在同一張圖紙上，注明實際的化學位移位移值，或表明出界（值，或表明出界（off set）的數值。）的數值。個別譜峰很弱，可加以放大。個別譜峰很弱，可加以放大。35.126025805. 805. 825860此譜峰的化學位移：位置，畫在，出界儀器為HzMHz若共振峰擁擠不便解析，可以部分加寬，畫在同一張圖紙若共振峰擁擠不便解析，可以部分加寬，畫在同一張圖紙的空隙處，并記下加寬的倍數。的空隙處，并記下加寬的倍數。在在60MHz 儀器上測試，掃描寬度儀器上測試，掃描寬度250/500即表示上面加寬的即表示上面加寬的一組峰是按全圖寬一組峰是按全圖寬250Hz畫圖，

15、而下面的原圖是按全圖寬畫圖，而下面的原圖是按全圖寬500Hz畫圖。畫圖。1. 化學位移化學位移8.4 NMR譜的信息譜的信息2. 氫核的化學位移及影響因素氫核的化學位移及影響因素3. 各類質子的化學位移各類質子的化學位移 0BB磁屏蔽效應磁屏蔽效應感應磁場的磁感應強度（感應磁場的磁感應強度（B）與外磁場的磁感應強度（）與外磁場的磁感應強度（B0）成正比）成正比 核外電子繞核運動而產生感應磁場，使核外電子繞核運動而產生感應磁場，使1H核實際受到磁感應核實際受到磁感應強度降低的作用。強度降低的作用。1. 化學位移化學位移n nm mp pd d 屏蔽常數屏蔽常數值取決于原子核種類及其在分子中的化學

16、環(huán)境。值取決于原子核種類及其在分子中的化學環(huán)境。d dp p溶劑效應溶劑效應相鄰基團磁各向異性相鄰基團磁各向異性抗磁屏蔽項，與抗磁屏蔽項，與s 電子云有關電子云有關順磁屏蔽項，與順磁屏蔽項，與p、d 電子云有關電子云有關若存在若存在p、d 電子云，則電子云，則。和和要要遠遠大大于于和和一一般般n nm mp pd d）（應強度：原子核實際受到的磁感有效100BBBB核磁共振譜決定于化合物的分子結構，由核磁共振譜可推測化核磁共振譜決定于化合物的分子結構，由核磁共振譜可推測化合物的分子結構。合物的分子結構。2120）（率：自旋核產生核磁共振頻有效BBv某種自旋核共振吸收峰的位置（頻率或磁場）隨其化

17、學環(huán)境不某種自旋核共振吸收峰的位置（頻率或磁場）隨其化學環(huán)境不同的變化。同的變化。化學位移化學位移以一合適的化合物作為標準，所測得的頻率（或磁感應強度）以一合適的化合物作為標準，所測得的頻率（或磁感應強度）變化值，即為變化值，即為化學位移化學位移。出現在低頻。減小，即共振射頻頻率越大，所以越強，越大，屏蔽效應不變，核外電子云密度不變，：掃頻有效vBB02120）（有效BBv度出現在高場。增大，即共振磁感應強越大，所以越強，越大，屏蔽效應不變，核外電子云密度不變，：掃場有效0BBv）（有效100BBBB化學位移的絕對值的測定很難，但其相對值的測定比較容易。化學位移的絕對值的測定很難，但其相對值的

18、測定比較容易。在實際測定中。選擇一個合適的化合物作為標準，測定其相在實際測定中。選擇一個合適的化合物作為標準，測定其相對的頻率（或磁感應強度）變化值來表示化學位移。對的頻率（或磁感應強度）變化值來表示化學位移。在測定在測定1H NMR 譜時，最常用的標準為四甲基硅烷譜時，最常用的標準為四甲基硅烷TMS，(CH3)4Si?；瘜W位移與核磁共振譜儀的磁感應強度相關，為了使核磁共化學位移與核磁共振譜儀的磁感應強度相關，為了使核磁共振譜的數據統(tǒng)一，化學位移常用樣品和標準物質的共振頻率之差振譜的數據統(tǒng)一，化學位移常用樣品和標準物質的共振頻率之差與所用儀器的頻率比值與所用儀器的頻率比值來表示。此值很小，通常

19、乘以來表示。此值很小，通常乘以106。60601010vvvvvTMS試樣掃頻時：00BBBBBTMS試樣掃場時：）越高（）越低，共振感應強度其共振頻率（）越小，越接近高場，質化學位移（標準物質端為高場，物試樣試樣B0)(143，即所以一般情況下：核電子云密度較大，中標準物質試樣TMSHSiCH，即所以一般情況下：核電子云密度較大，中標準物質試樣0)(143BBHSiCHTMS2. 氫核的化學位移及影響因素氫核的化學位移及影響因素 d d 起決定性作用，影響其起決定性作用，影響其s s 電子云分布的因素均會影響其電子云分布的因素均會影響其化學化學位移?；瘜W化學位移。誘導效應誘導效應鄰近基團的磁

20、各向異性效應鄰近基團的磁各向異性效應溶劑效應溶劑效應氫氫 鍵鍵誘導效應誘導效應電負性較大的基團電負性較大的基團（OH、OR、NO2、COOR、CN、鹵素等），吸電子能力強，、鹵素等），吸電子能力強，H 核電子云密度減小，核電子云密度減小，屏蔽系數變小，化學位移增大。屏蔽系數變小，化學位移增大。2120）（有效BBv鄰近基團的磁各向異性效應鄰近基團的磁各向異性效應芳環(huán)芳環(huán)重鍵化合物（雙鍵、三鍵及芳烴化合物）：重鍵化合物（雙鍵、三鍵及芳烴化合物）：羰基與碳碳雙鍵羰基與碳碳雙鍵叁鍵叁鍵產生去屏蔽效應，則化學位移增大；產生去屏蔽效應，則化學位移增大；增加屏蔽效應，則化學位移減小。增加屏蔽效應，則化學位

21、移減小。芳環(huán)芳環(huán)苯環(huán)的抗磁環(huán)流引起各向苯環(huán)的抗磁環(huán)流引起各向異性，使苯環(huán)氫的異性，使苯環(huán)氫的數值較大數值較大（ 7.25）。）。羰基與碳碳雙鍵羰基與碳碳雙鍵 叁鍵叁鍵溶劑效應溶劑效應在溶液中，各種質子（在溶液中，各種質子（1H）受到不同溶劑的影響而引起的）受到不同溶劑的影響而引起的化學位移的變化。化學位移的變化。測定測定NMR譜時，最理想的溶劑是譜時，最理想的溶劑是CCl4和和CS2。測定極性化。測定極性化合物時，需采用氯仿、丙酮、水作溶劑；為了避免其中氫的共合物時，需采用氯仿、丙酮、水作溶劑；為了避免其中氫的共振信號的干擾，一般采用氘代衍生物。振信號的干擾，一般采用氘代衍生物。由于溶劑不同會

22、引起化學位移由于溶劑不同會引起化學位移值的改變，在查閱或報道值的改變，在查閱或報道NMR數據或圖譜時需注明所用的溶劑。數據或圖譜時需注明所用的溶劑。氫氫 鍵鍵分子中的氫形成氫分子中的氫形成氫鍵（分子內或分子間鍵（分子內或分子間氫鍵）時，氫鍵）時，1H 電子云電子云密度降低，化學位移密度降低，化學位移值增大（低場）。值增大（低場）。分子內形成氫鍵，濃度對分子內形成氫鍵，濃度對值影響較?。恢涤绊戄^?。环肿娱g形成氫鍵，分子間形成氫鍵， 值與濃度有關。值與濃度有關。二、各類氫核的化學位移及其經驗計算參數二、各類氫核的化學位移及其經驗計算參數甲基、亞甲基及次甲基的化學位移甲基、亞甲基及次甲基的化學位移3

23、. 各類質子的化學位移各類質子的化學位移苯氫的化學位移苯氫的化學位移烯氫的化學位移烯氫的化學位移炔氫的化學位移炔氫的化學位移活潑氫的化學位移活潑氫的化學位移脂環(huán)氫的化學位移脂環(huán)氫的化學位移雜芳環(huán)氫的化學位移雜芳環(huán)氫的化學位移醛基氫的化學位移醛基氫的化學位移甲基、亞甲基及次甲基的化學位移甲基、亞甲基及次甲基的化學位移 86. 086. 086. 086. 03ZYXCH（1）鄰位有取代基的甲基的化學位移（）鄰位有取代基的甲基的化學位移（H3CCXYZ）CH3CHBr2 46. 286. 0-86. 086. 066. 186. 066. 186. 03）（CH 60. 191. 035. 191

24、. 016. 191. 03CH 33. 133. 133. 133. 12ZYXCH（2）鄰位有取代基的亞甲基的化學位移（）鄰位有取代基的亞甲基的化學位移（CH3CH2CXYZ）CH3CH2CHBrCOOH 24. 233. 168. 133. 189. 133. 12CH（3）除）除X 之外，其余相連的都是之外，其余相連的都是C 原子的質子的化學位移原子的質子的化學位移（CH3X、 CH2X 、 CHX）COOROCOROCORC （4）同碳上有兩個以上取代基的亞甲基和次甲基的化學位移）同碳上有兩個以上取代基的亞甲基和次甲基的化學位移（屏蔽常數）i23. 0H：0.17；CH3：0.47C

25、H2R：0.67Shoolery公式（公式（X CH2 Y 或或CHXYZ）60. 267. 070. 123. 0a45. 267. 055. 123. 0bCORCOORRCH22. 不飽和碳氫的化學位移不飽和碳氫的化學位移 “波譜分析法波譜分析法P105公式與例題公式與例題”（反）（順）（同）（反）（順）（同）ZZZRRCCRHH25. 5烯氫的化學位移烯氫的化學位移苯氫的化學位移苯氫的化學位移S30. 74. 稠環(huán)及雜環(huán)氫核的化學位移稠環(huán)及雜環(huán)氫核的化學位移炔氫的化學位移炔氫的化學位移活潑氫的化學位移活潑氫的化學位移雜芳環(huán)氫的化學位移雜芳環(huán)氫的化學位移脂環(huán)氫的化學位移脂環(huán)氫的化學位移脂

26、環(huán)氫的化學位移沒有一定的規(guī)律，取代基對化學位移的影脂環(huán)氫的化學位移沒有一定的規(guī)律，取代基對化學位移的影響與同類開鏈化合物相比，有時差別很大。響與同類開鏈化合物相比，有時差別很大。 醛基氫的化學位移醛基氫的化學位移自旋偶合：同一分子中相鄰自旋偶合：同一分子中相鄰1H 核之間的自旋發(fā)生的相互作核之間的自旋發(fā)生的相互作用。用。自旋偶合常數：自旋耦合產生的多重線間的距離，以自旋偶合常數：自旋耦合產生的多重線間的距離，以J 表示，表示，單位為單位為Hz。J 值是值是定性和結構分析定性和結構分析的重要依據之一。的重要依據之一。n + 1 規(guī)則：如果某氫核相鄰的碳原子上有規(guī)則：如果某氫核相鄰的碳原子上有n

27、個狀態(tài)相同個狀態(tài)相同（化學等價）的（化學等價）的H 核，此核的吸收峰將被分裂為（核，此核的吸收峰將被分裂為（n + 1）個。）個。此規(guī)則僅適用于氫核和其他自旋量子數此規(guī)則僅適用于氫核和其他自旋量子數 I = 的核。如乙醇分子的核。如乙醇分子中的亞甲基中的亞甲基CH2上的兩個上的兩個H 核使相鄰的核使相鄰的CH3 中的中的H 核的核磁能核的核磁能級分裂為三種，由此產生三條譜線，出現三個吸收峰。級分裂為三種，由此產生三條譜線，出現三個吸收峰。8.5 自旋偶合（自旋裂分）自旋偶合（自旋裂分）裂分數及裂分強度比滿足二項展開式。裂分數及裂分強度比滿足二項展開式。氫核間的偶合常數按耦合傳遞的化學鍵多少分為氫核間的偶合常數按耦合傳遞的化學鍵多少分為2J（同（同碳偶合）、碳偶合）、3J（鄰碳偶合）、（鄰碳偶合）、4J及及5J（長程偶合）。（長程偶合）。 1H NMR 主要討論主要討論3J 偶合，其范