核磁共振波譜分析法

1、核磁共振波譜分析法nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR 第十三章2022/9/23一、概述NMR是研究原子核對(duì)射頻輻射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是對(duì)各種有機(jī)和無(wú)機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng)有力的工具之一，有時(shí)亦可進(jìn)行定量分析。（測(cè)定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，1HNMR氫原子的位置、環(huán)境以及官能團(tuán)和C骨架上的H原子相對(duì)數(shù)目）在強(qiáng)磁場(chǎng)中，原子核發(fā)生能級(jí)分裂(能級(jí)極小：在1.41T磁場(chǎng)中，磁能級(jí)差約為2510-3J)，當(dāng)吸收外來(lái)電磁輻射(10-9-10-10nm,4-900MHz)時(shí)，將發(fā)生核能級(jí)的躍遷-產(chǎn)生所謂

2、NMR現(xiàn)象。射頻輻射原子核(強(qiáng)磁場(chǎng)下，能級(jí)分裂)-吸收能級(jí)躍遷NMR 與UV-vis和紅外光譜法類似，NMR也屬于吸收光譜，只是研究的對(duì)象是處于強(qiáng)磁場(chǎng)中的原子核對(duì)射頻輻射的吸收。2022/9/23歷史： 1924年P(guān)auli預(yù)言了NMR的基本理論：有些核同時(shí)具有自旋和磁量子數(shù)，這些核在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生分裂； 1946年，Harvard 大學(xué)的Purcel和Stanford大學(xué)的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)NMR現(xiàn)象，并于1952年分享了Nobel獎(jiǎng)； 1953年Varian開始商用儀器開發(fā)，并于同年做出了第一臺(tái)高分辨NMR儀。1956年，Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對(duì)NMR信號(hào)有影響，而這一

3、影響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予R.R. Ernst教授，以表彰他對(duì)二維核磁共振理論及傅里葉變換核磁共振的貢獻(xiàn)。這兩次諾貝爾獎(jiǎng)的授予，充分地說(shuō)明了核磁共振的重要性。2022/9/23 核磁共振在儀器、實(shí)驗(yàn)方法、理論和應(yīng)用等方面有著飛躍的進(jìn)步。譜儀頻率已從30MHz發(fā)展到900MHz。1000MHz譜儀亦在加緊試制之中。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。所應(yīng)用的學(xué)科已從化學(xué)、物理擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。核磁共振成像技術(shù)還可以與斷層掃描技術(shù)(CT)結(jié)合為臨床診斷和生理學(xué)、醫(yī)學(xué)研究提供重

4、要數(shù)據(jù),總而言之，核磁共振已成為最重要的儀器分析手段之一。 2022/9/23 核磁共振是當(dāng)前應(yīng)用于診斷早期病變的臨床醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，這種檢查對(duì)患者和檢查者都是安全可靠的 .核磁共振成像技術(shù)是一種非介入探測(cè)技術(shù)，相對(duì)于X-射線透視技術(shù)和放射造影技術(shù)，MRI對(duì)人體沒有輻射影響，相對(duì)于超聲探測(cè)技術(shù)，核磁共振成像更加清晰，能夠顯示更多細(xì)節(jié)，此外相對(duì)于其他成像技術(shù)，核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實(shí)體病變，而且還能夠?qū)δX、心、肝等功能性反應(yīng)進(jìn)行精確的判定。在帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥、癌癥等疾病的診斷方面，MRI技術(shù)都發(fā)揮了非常重要的作用。 2022/9/23 磁共振最常用的核是氫原子核質(zhì)子（1H），因

5、為它的信號(hào)最強(qiáng)，在人體組織內(nèi)也廣泛存在。影響磁共振影像因素包括：(a)質(zhì)子的密度；(b)弛豫時(shí)間長(zhǎng)短；(c)血液和腦脊液的流動(dòng)；(d)順磁性物質(zhì);(e)蛋白質(zhì)。磁共振影像灰階特點(diǎn)是，磁共振信號(hào)愈強(qiáng)，則亮度愈大，磁共振的信號(hào)弱，則亮度也小，從白色、灰色到黑色。各種組織磁共振影像灰階特點(diǎn)如下；脂肪組織，松質(zhì)骨呈白色；腦脊髓、骨髓呈白灰色；內(nèi)臟、肌肉呈灰白色；液體，正常速度流血液呈黑色；骨皮質(zhì)、氣體、含氣肺呈黑色。2022/9/23一、原子核的自旋atomic nuclear spin二、核磁共振現(xiàn)象nuclear magnetic resonance三、核磁共振條件condition of nuc

6、lear magnetic resonance四、核磁共振波譜儀nuclear magnetic resonance spectrometer第一節(jié) 核磁共振基本原理principles of nuclear magnetic resonance 2022/9/23分子的磁性質(zhì)原子核 ： 帶正電荷的粒子當(dāng)它的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)有一個(gè)是奇數(shù)時(shí)，它就和電子一樣有自旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁矩。例：11H， 136C，199F 和 3115P 有自旋現(xiàn)象。 126C 和 168O 沒有自旋現(xiàn)象。2022/9/23樣品的制備：試樣濃度：5-10%；需要純樣品15-30 mg； 傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1

7、mg ；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；2022/9/23一、核磁共振與化學(xué)位移nuclear magnetic resonance and chemical shift二、影響化學(xué)位移的因素factors influenced chemical shift第二節(jié) 核磁共振與化學(xué)位移nuclear magnetic resonance and chemical shift2022/9/23化學(xué)位移 在一固定外加磁場(chǎng)(H0)中，有機(jī)物的1H核磁共振譜應(yīng)該只有一個(gè)峰，即在乙醇的質(zhì)子核磁共振譜中有三個(gè)峰, 原因

8、？ = E / h = ( 1/2 )H02022/9/23 氫原子核的外面有電子，它們對(duì)磁場(chǎng)的磁力線有排斥作用。對(duì)原子核來(lái)講，周圍的電子起了屏蔽（Shielding）效應(yīng)。核周圍的電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)就越大，要相應(yīng)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度才能使之發(fā)生共振。核周圍的電子云密度是受所連基團(tuán)的影響，故不同化學(xué)環(huán)境的核，它們所受的屏蔽作用各不相同，它們的核磁共振信號(hào)亦就出現(xiàn)在不同的位置。此位置的差異即叫化學(xué)位移。 2022/9/23吸收峰數(shù) 多少種不同化學(xué)環(huán)境質(zhì)子峰的位置 質(zhì)子類型峰的面積 每種質(zhì)子數(shù)目CH3CH2OH高分辨2022/9/23一、核磁共振與化學(xué)位移 nuclear magnetic reso

9、nance and chemical shift1.屏蔽作用與化學(xué)位移 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)作用減小： H=（1- ）H0 ：屏蔽常數(shù)。 越大，屏蔽效應(yīng)越大。 0 = / (2 ) （1- ）H0 屏蔽的存在，共振需更強(qiáng)的外磁場(chǎng)(相對(duì)于裸露的氫核)。2022/9/23 化學(xué)位移： chemical shift 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)

10、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。2022/9/232. 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 （TMS）（內(nèi)標(biāo)） 位移常數(shù) TMS=0(2) 為什么用TMS作為基準(zhǔn)? a. 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； b.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； c.化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。2022/9/23位移的表示方法 與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位

11、移最大，但規(guī)定 TMS=0，其他種類氫核的位移為負(fù)值，可是文獻(xiàn)中常將負(fù)號(hào)略去，將它看作正數(shù)。 = （ 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)；2022/9/23二、影響化學(xué)位移的因素 factors influenced chemical shift1電負(fù)性-去屏蔽效應(yīng) 與質(zhì)子相連元素的電負(fù)性越強(qiáng)，吸電子作用越強(qiáng)，價(jià)電子偏離質(zhì)子，屏蔽作用減弱，信號(hào)峰在低場(chǎng)出現(xiàn)。-CH3 ， =1.62.0，高場(chǎng)；-CH2I， =3.0 3.5,-O-H， -C-H， 大 小低場(chǎng) 高場(chǎng)2022

12、/9/23 CH3X 不同化學(xué)位移與-X的電負(fù)性化合物電負(fù)性 （X） 4.0（F） 3.5（O） 3.1（Cl） 2.8（Br） 2.5（I）（ppm） 4.26 3.40 3.05 2.68 2.16X, : X, 電子云密度, 屏蔽效應(yīng), 共振在較低磁場(chǎng)發(fā)生， 誘導(dǎo)效應(yīng)(電負(fù)性對(duì)化學(xué)位移的影響)2022/9/23吸電子基團(tuán)越多, 這種影響越大5.307.273.05基團(tuán)距離越遠(yuǎn)，受到的影響越小2022/9/23 1) 烯碳sp2雜化比sp3雜化,與氫相連的碳原子從sp3 （碳碳單鏈）到sp2（碳碳雙鍵），s電子的成分從25%增加至33%， C-H鍵電子更靠近碳，對(duì)質(zhì)子的屏蔽如： 乙烷質(zhì)子

13、=0.96 乙烯質(zhì)子 =5.84 2）炔碳為sp雜化，相對(duì)sp2和sp3雜化的C-H鍵電子更靠近碳， 使質(zhì)子周圍的電子云密度減少， 質(zhì)子共振吸收向低場(chǎng)移動(dòng).但炔氫譜峰相對(duì)烯氫處于較高場(chǎng)，芳環(huán)氫譜峰相對(duì)于烯氫處于較低場(chǎng)，則因另有較重要的影響因素所致。 碳雜化軌道電負(fù)性：SPSP2SP32022/9/232.氫鍵效應(yīng)形成氫鍵后1H核屏蔽作用減少，氫鍵屬于去屏蔽效應(yīng)。使共振吸收移向低場(chǎng)。2022/9/23 醇羥基 0.55 酚 47 胺 0.55 羧酸 1013 二聚體形式（雙分子的氫鍵）例：2022/9/23分子內(nèi)氫鍵同樣可以影響質(zhì)子的共振吸收-二酮的烯醇式可以形成分子內(nèi)氫鍵該羥基質(zhì)子的化學(xué)位移為

14、11162022/9/23介質(zhì)的影響不同溶劑，使樣品分子所受的磁感強(qiáng)度不同；不同溶劑分子對(duì)溶質(zhì)分子有不同的作用，因此介質(zhì)影響值。值得指出的是，當(dāng)用氘代氯仿作溶劑時(shí)，有時(shí)加入少量氘代苯，利用苯的磁各向異性，可使原來(lái)相互重疊的峰組分開。這是一項(xiàng)有用的實(shí)驗(yàn)技術(shù).2022/9/234.各類有機(jī)化合物的化學(xué)位移飽和烴-CH3: CH3=0.791.10ppm-CH2: CH2 =0.981.54ppm -CH: CH= CH3 +(0.5 0.6)ppmH=3.24.0ppmH=2.23.2ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=23ppm2022/9/23各類有機(jī)化合物的化學(xué)位移烯烴 端烯質(zhì)子：H=

15、4.85.0ppm 內(nèi)烯質(zhì)子：H=5.15.7ppm 與烯基，芳基共軛：H=47ppm芳香烴 芳烴質(zhì)子：H=6.58.0ppm 供電子基團(tuán)取代-OR，-NR2 時(shí)：H=6.57.0ppm 吸電子基團(tuán)取代-COCH3，-CN，-NO2 時(shí)：H=7.28.0ppm2022/9/23各類有機(jī)化合物的化學(xué)位移-COOH：H=1013ppm-OH： （醇）H=1.06.0ppm （酚）H=412ppm-NH2：（脂肪）H=0.43.5ppm （芳香）H=2.94.8ppm （酰胺）H=9.010.2ppm-CHO：H=910ppm2022/9/23常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍2022/9/23一、自旋偶合與

16、自旋裂分spin coupling and spin splitting二、峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積number of pear splitting and pear areas三、磁等同與磁不等同magnetically equivalent and nonequivalent第三節(jié) 自旋偶合與自旋裂分spin coupling and spin splitting2022/9/23一、自旋偶合與自旋裂分 spin coupling and spin splitting 每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，有時(shí)多重峰。原因：相鄰兩個(gè)氫核之間的自旋偶合（自旋干擾）；2022/9/23二、峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積 numb

17、er of pear splitting and pear areas 峰裂分?jǐn)?shù)：n+1 規(guī)律；n相鄰碳原子上的質(zhì)子數(shù)； 系數(shù)符合二項(xiàng)式的展開式系數(shù)； 峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例。2022/9/23峰裂分?jǐn)?shù)2022/9/23峰裂分?jǐn)?shù)1:11:3:3:11:11:2:12022/9/23峰裂分?jǐn)?shù)1H核與n個(gè)不等價(jià)1H核相鄰時(shí)，裂分峰數(shù)：（n+1)( n+1)個(gè)；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=22 2=8Ha裂分為8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:12022/9/23一、譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息structure informat

18、ion of compound in spectrograph二、簡(jiǎn)化譜圖的方法methods of simpling spectrograph三、譜圖解析spectrum unscrambling四、譜圖聯(lián)合解析deduce the structures from NMR spectrum and IR spectrum第四節(jié) 譜圖解析與化合物結(jié)構(gòu)確定analysis of spectrograph and structure determination2022/9/23 一、譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息（1）峰的數(shù)目：標(biāo)志分子中磁不等性質(zhì)子的種類，多少種；（2）峰的強(qiáng)度(面積)：每類質(zhì)子的數(shù)目(

19、相對(duì))，多少個(gè)；（3）峰的位移( )：每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，化合物中位置；（4）峰的裂分?jǐn)?shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)；（5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構(gòu)型。不足之處：僅能確定質(zhì)子（氫譜）。2022/9/23三、譜圖解析步驟由分子式求不飽合度由積分曲線求1H核的相對(duì)數(shù)目解析各基團(tuán) 首先解析：再解析： ( 低場(chǎng)信號(hào) ) 最后解析：芳烴質(zhì)子和其它質(zhì)子 活潑氫D2O交換，解析消失的信號(hào) 由化學(xué)位移，偶合常數(shù)和峰數(shù)目用一級(jí)譜解析 參考 IR，UV，MS和其它數(shù)據(jù)推斷解構(gòu) 得出結(jié)論，驗(yàn)證解構(gòu)2022/9/236個(gè)質(zhì)子處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，單峰。沒有直接與吸電子基團(tuán)（或元素）相連，在高場(chǎng)出現(xiàn)。1. 譜圖解析（

20、1）2022/9/23譜圖解析（ 2 ） 質(zhì)子a與質(zhì)子b所處的化學(xué)環(huán)境不同，兩個(gè)單峰。單峰：沒有相鄰碳原子（或相鄰碳原子無(wú)質(zhì)子） 質(zhì)子b直接與吸電子元素相連，產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng)，峰在低場(chǎng)（相對(duì)與質(zhì)子a ）出現(xiàn)。 質(zhì)子b也受其影響，峰也向低場(chǎng)位移。2022/9/23譜圖解析（ 3 ）裂分與位移2022/9/23譜圖解析（ 4 ）苯環(huán)上的質(zhì)子在低場(chǎng)出現(xiàn)。為什么1H比6H的化學(xué)位移大？2022/9/23對(duì)比2022/9/232. 譜圖解析與結(jié)構(gòu)(1)確定5223化合物 C10H12O28 7 6 5 4 3 2 1 02022/9/23譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定步驟正確結(jié)構(gòu)： =1+10+1/2(-12)=5

21、2.1單峰三個(gè)氫，CH3峰 結(jié)構(gòu)中有氧原子，可能具有： 7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代3.04.302.1 3.0和 4.30三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰 2022/9/23譜圖解析與結(jié)構(gòu)(2)確定9 5.30 3.38 1.37C7H16O3，推斷其結(jié)構(gòu)612022/9/23結(jié)構(gòu)(2)確定過(guò)程C7H16O3， =1+7+1/2(-16)=0a. 3.38和 1.37 四重峰和三重峰 CH2CH3相互偶合峰 b. 3.38含有OCH2 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中有三個(gè)氧原子，可能具有(OCH2 )3c. 5.3CH上氫吸收峰，低場(chǎng)與電負(fù)性基團(tuán)相連正確結(jié)構(gòu)：2022/9/23譜圖解析與結(jié)構(gòu)(3) 化

22、合物 C10H12O2，推斷結(jié)構(gòu)7.35.211.22.35H2H2H3H2022/9/23結(jié)構(gòu)(3)確定過(guò)程 化合物 C10H12O2， =1+10+1/2(-12)=5a. 2.32和 1.2CH2CH3相互偶合峰b. 7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代c. 5.21CH2上氫，低場(chǎng)與電負(fù)性基團(tuán)相連哪個(gè)正確?正確：B為什么?2022/9/23譜圖解析與結(jié)構(gòu)(4)化合物 C8H8O2，推斷其結(jié)構(gòu)9876543102022/9/23結(jié)構(gòu)(4)確定過(guò)程化合物 C8H8O2，=1+8+1/2(-8)=5 =7-8芳環(huán)上氫，四個(gè)峰對(duì)位取代= 9.87醛基上氫，低= 3.87 CH3上氫，低場(chǎng)移動(dòng)，與電負(fù)性強(qiáng)的元素相連： OCH3正確結(jié)構(gòu)：2022/9/23四、聯(lián)合譜圖解析 （1）C6H12O 1700cm-1, C=0, 醛,酮3000 cm-1, -C-H 飽和烴兩種