西南林大現(xiàn)代生化儀器分析課件07核磁共振波譜分析法

*第七章

核磁共振波譜分析法一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振現(xiàn)象nuclearmagneticresonance三、核磁共振條件conditionof

nuclearmagneticresonance四、核磁共振波譜儀nuclearmagneticresonancespectrometer第一節(jié)

核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRprinciplesofnuclearmagneticresonance

*核磁共振—在磁場的激勵下，一些具有磁性的原子核存在著不同的能級，如果此時外加一個能量，使其恰好等于相鄰2個能級之差，則該原子核就可能吸收能量，從低能態(tài)躍至高能態(tài)，所吸收的能量數(shù)量級相當于射頻率范圍的電磁波，故核磁共振就是研究磁性原子核對射頻能的吸收。*

若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩：自旋量子數(shù)I=0時原子核沒有自旋現(xiàn)象,核磁矩等于零,故不產(chǎn)生共振吸收譜。自旋量子數(shù)I≠為零的核都具有磁矩。一、原子核的自旋*各種原子核的自旋量子數(shù)*(1)I=1或I>0的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I(2)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，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象，C，H也是有機化合物的主要組成元素。這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復雜，研究應用較少；*二、核磁共振現(xiàn)象

當原子核置于外磁場B0中時，相對于外磁場，有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;*(核磁共振現(xiàn)象)如果氫核兩種取向不完全與外磁場平行時，外磁場就要使它取向于外磁場，＝54°24’和125°36’。

核自旋產(chǎn)生的磁場與外磁場相互作用時,產(chǎn)生進動(拉莫爾進動)進動頻率

0；角速度0；0=20=B0磁旋比；B0外磁場強度；兩種進動取向不同的氫核之間的能級差：E=

B0（磁矩）*三、核磁共振條件

在外磁場中，原子核能級產(chǎn)生裂分，由低能級向高能級躍遷，需要吸收能量。即核吸收2B0的能量后，便產(chǎn)生共振。零磁場EE=2B0高能自旋態(tài)低能自旋態(tài)0B0*在與外磁場垂直方向放置一個射頻振蕩線圈，產(chǎn)生射電頻率的電磁波照射原子核，當磁場強度為某一數(shù)值時，核進動頻率與振蕩頻率相等，則原子核與電磁波發(fā)生共振，核將吸收電磁波的能量躍遷到較高能態(tài)上。B0B0*

對于氫核，能級差：E=

2B0（磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E=

2B0=h

0由拉莫進動方程：0=20=B0;

故共振條件：*共振條件式說明：1、在相同的磁場中，不同原子核發(fā)生共振時的頻率各不相同，據(jù)此可以鑒別各種元素及同位素。2、對于同一種核，值一定。當外加磁場一定時，共振頻率也一定；當磁場強度改變時，共振頻率也隨著改變。*弛豫過程弛豫——高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和——低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。

氫原子核在外磁場中，m=+1/2比m=-1/2的能態(tài)更有利。根據(jù)波爾茲曼公式計算，處于低能態(tài)的核約多百萬分之一左右。如果在射頻電磁波的照射下，核能吸收能量發(fā)生躍遷，低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核，核不再吸收能量，共振吸收峰漸漸降低甚至消失，發(fā)生了飽和現(xiàn)象。

若在飽和時，較高能態(tài)的核能及時回到較低能態(tài)，就可能保持信號穩(wěn)定。由于核磁共振中氫核發(fā)生共振時吸收的能量E很小，高能態(tài)的核不可能通過發(fā)射譜線的形式失去能量而返回低能態(tài)，故高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)的過程稱為弛豫過程。*弛豫過程自旋-晶格弛豫：處于高能態(tài)的氫核把能量轉移給周圍的分子（固體為晶格，液體為溶濟分子或同類分子）變成熱運動，氫核就回到低能態(tài)。自旋-自旋弛豫：兩個能態(tài)不同的相同核，在一定的距離內它們會互相交換能量，改變進動方向，稱為自旋-自旋弛豫。*四、核磁共振波譜儀1．永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。2．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。60MHz或100MHz。*3．射頻信號接受器（檢測器）：當質子的進動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應線圈中產(chǎn)生毫伏級信號。4．樣品管：外徑5mm的玻璃管,測量過程中旋轉,磁場作用均勻。*核磁共振波譜儀*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；*傅立葉變換核磁共振波譜儀

不是通過掃場或掃頻產(chǎn)生共振；恒定磁場，施加全頻脈沖，產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應電流信號，經(jīng)過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺多道儀）*超導核磁共振波譜儀：

永久磁鐵和電磁鐵：

磁場強度<25kG超導磁體：鈮鈦或鈮錫合金等超導材料制備的超導線圈；在低溫4K，處于超導狀態(tài)；磁場強度>100kG開始時，大電流一次性勵磁后，閉合線圈，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，長年保持不變；溫度升高，“失超”；重新勵磁。超導核磁共振波譜儀：

200-400HMz；可高達600-700HMz；*第七章

核磁共振波譜分析法一、核磁共振與化學位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift二、影響化學位移的因素factorsinfluencedchemicalshift第二節(jié)

核磁共振與化學位移nuclearmagneticresonancespectroscopynuclearmagneticresonanceandchemicalshift一、核磁共振與化學位移1.屏蔽作用與化學位移理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件：

產(chǎn)生單一的吸收峰；實際上，氫核受周圍不斷運動著的電子影響。在外磁場作用下，運動著的電子產(chǎn)生相對于外磁場方向的感應磁場，起到屏蔽作用，使氫核實際受到的外磁場作用減?。築=（1-）B0

：屏蔽常數(shù)。

越大，屏蔽效應越大。

0=[

/(2)]（1-）B0屏蔽的存在，共振需更強的外磁場(相對于裸露的氫核)。*化學位移：由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)生共振需要更大的外磁場強度（相對于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。

在有機化合物中，各種氫核周圍的電子云密度不同（結構中不同位置）共振頻率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現(xiàn)象稱為化學位移。*2.化學位移的表示方法(1)位移的標準：因為沒有完全裸露的氫核，故沒有絕對的標準。相對標準：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內標）位移常數(shù)TMS=0(2)為什么用TMS作為基準?a.12個氫處于完全相同的化學環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰b.屏蔽強烈，位移最大。與有機化合物中的質子峰不重迭；c.化學惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。*位移的表示方法

與裸露的氫核相比，TMS的化學位移最大，但規(guī)定TMS=0，其他種類氫核的位移為負值，負號不加。

小，屏蔽強，共振需要的磁場強度大，在高場出現(xiàn)，圖右側；

大，屏蔽弱，共振需要的磁場強度小，在低場出現(xiàn)，圖左側；*二、影響化學位移的因素1．電負性--去屏蔽效應與質子相連元素的電負性越強，吸電子作用越強，質子周圍的電子云密度減弱，屏蔽作用弱，信號峰在低場出現(xiàn)。-CH3

，=1.6~2.0，高場；-CH2I，=3.0~3.5,-O-H，-C-H，大小低場高場*電負性對化學位移的影響碳雜化軌道電負性：SP>SP2>SP3*影響化學位移的因素2、磁各向異性效應—在分子中，質子與某一官能團的空間關系，影響質子的化學位移，這種效應稱為磁各向異性效應。與外磁場方向一致時，去屏蔽。反之，則增加屏蔽作用。*影響化學位移的因素3

價電子產(chǎn)生誘導磁場，質子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽。*影響化學位移的因素4

苯環(huán)上的6個電子產(chǎn)生較強的誘導磁場，質子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽。*2.氫鍵效應形成氫鍵后1H核屏蔽作用減少，氫鍵屬于去屏蔽效應。*3.空間效應*空間效應Ha=3.92ppmHb=3.55ppmHc=0.88ppmHa=4.68ppmHb=2.40ppmHc=1.10ppm去屏蔽效應*4.各類有機化合物的化學位移①飽和烴-CH3:

CH3=0.791.10ppm-CH2:

CH2=0.981.54ppm-CH:

CH=CH3+(0.50.6)ppmH=3.2~4.0ppmH=2.2~3.2ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=2~3ppm*各類有機化合物的化學位移②烯烴

端烯質子：H=4.8~5.0ppm

內烯質子：H=5.1~5.7ppm

與烯基，芳基共軛：H=4~7ppm③芳香烴

芳烴質子：H=6.5~8.0ppm

供電子基團取代-OR，-NR2時：H=6.5~7.0ppm

吸電子基團取代-COCH3，-CN，-NO2時：H=7.2~8.0ppm*各類有機化合物的化學位移-COOH：H=10~13ppm-OH：（醇）H=1.0~6.0ppm

（酚）H=4~12ppm-NH2：（脂肪）H=0.4~3.5ppm

（芳香）H=2.9~4.8ppm

（酰胺）H=9.0~10.2ppm-CHO：H=9~10ppm*常見結構單元化學位移范圍第七章

核磁共振波譜分析法一、自旋偶合與自旋裂分spincouplingandspinsplitting二、峰裂分數(shù)與峰面積numberofpearsplittingandpearareas三、磁等同與磁不等同magneticallyequivalentandnonequivalent第三節(jié)

自旋偶合與自旋裂分nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRspincouplingandspinsplitting一、自旋偶合與自旋裂分

每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，有時多重峰。原因：相鄰兩個氫核之間的自旋偶合（質子之間的相互作用）。多重峰的峰間距：常用偶合常數(shù)（J）來衡量偶合作用的大小。（作用規(guī)律P337）自旋偶合—質子之間的相互作用。自旋裂分—由自旋偶合引起的。二、峰裂分數(shù)與峰面積

峰裂分數(shù)：n+1規(guī)律；n為相鄰碳原子上的質子數(shù)；比例系數(shù)符合二項式(a+b)n的展開式系數(shù)；

峰面積與同類質子數(shù)成正比，僅能確定各類質子之間的相對比例。峰裂分數(shù)1:11:3:3:11:11:2:1峰裂分數(shù)1H核與n個不等價1H核相鄰時，裂分峰數(shù)：（n+1)(n′+1)……個；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=2×2×2=8Ha裂分為8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:1第七章

核磁共振波譜分析法一、譜圖中化合物的結構信息structureinformationofcompoundinspectrograph二、簡化譜圖的方法methodsofsimpling

spectrograph三、譜圖解析spectrumunscrambling四、譜圖聯(lián)合解析deducethestructuresfromNMRspectrumandIRspectrum第四節(jié)

譜圖解析與化合物結構確定nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRanalysisofspectrographandstructuredetermination

一、譜圖中化合物的結構信息（1）峰的數(shù)目：標志分子中不同類型質子的種類，多少種；（2）峰的強度(面積)：每類質子的數(shù)目(相對)，多少個；（3）峰的位移()：每類質子所處的化學環(huán)境，化合物中位置；（4）峰的裂分數(shù)：相鄰碳原子上質子數(shù)；（5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構型。不足之處：僅能確定質子（氫譜）。二、簡化譜圖的方法1.采用高場強儀器60MHz100MHz220MHzHCHBHA4.去偶法（雙照射）第二射頻場B2υ2Xn（共振）AmXn系統(tǒng)消除了Xn對的Am偶合照射Ha照射Hb照射5.位移試劑(shiftreagents)

稀土元素的離子與孤對電子配位后，相鄰元素上質子的化學位移發(fā)生顯著移動。通常因Eu+3具有強烈的吸電子性，與孤對電子配位后使鄰近的質子去屏蔽，使之移向低場，原來密集的圖譜變得較易分辯。常用：Eu（DPM）3[三—（2,2,6,6—四甲基）庚二酮—3,5]銪OHOH三、譜圖解析由分子式求不飽和度由積分曲線求1H核的相對數(shù)目解析各基團首先解析：再解析：(低場信號)最后解析：芳烴質子和其它質子活潑氫D2O交換，解析消失的信號由化學位移，偶合常數(shù)和峰數(shù)目解析參考IR，UV，MS和其它數(shù)據(jù)推斷結構得出結論，驗證結構n1、n3、n4分別表示1價、3價、4價原子數(shù)目6個質子處于完全相同的化學環(huán)境，單峰。沒有直接與吸電子基團（或元素）相連，在高場出現(xiàn)。1.譜圖解析（1）譜圖解析（2）

質子a與質子b所處的化學環(huán)境不同，兩個單峰。單峰：沒有相鄰碳原子（或相鄰碳原子無質子）

質子b直接與吸電子元素相連，產(chǎn)生去屏蔽效應，峰在低場（相對與質子a）出現(xiàn)。質子b也受其影響，峰也向低場位移。譜圖解析（3）裂分與位移譜圖解析（4）苯環(huán)上的質子在低場出現(xiàn)。為什么？（苯環(huán)電子誘導環(huán)流，去屏蔽）2.譜圖解析與結構(1)確定5223化合物C10H12O2876543210積分線

根據(jù)積分線的高度可以計算出各組峰相對應的質子峰譜圖解析與結構確定步驟正確結構：δ2.1單峰三個氫，—CH3峰結構中有氧原子，可能具有：δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代δ3.0δ4.30δ2.1

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰

O—CH2CH2—相互偶合峰

不飽和度譜圖解析與結構(2)確定9δ5.30δ3.38δ1.37C7H16O3，推斷其結構61結構(2)確定過程C7H16O3，

=1+7+1/2(-16)=0a.δ3.38和δ1.37四重峰和三重峰

—CH2CH3相互偶合峰

b.δ3.38含有—O—CH2—結構結構中有三個氧原子，可能具有(—O—CH2—)3c.δ5.3CH上氫吸收峰，低場與電負性基團相連正確結構：譜圖解析與結構(3)化合物C10H12O2，推斷結構δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H結構(3)確定過程化合物C10H12O2，

=1+10+1/2(-12)=5a.δ

2.32和δ1.2—CH2CH3相互偶合峰b.δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代c.δ5.21—CH2上氫，低場與電負性基團相連CH2OCOCH2CH3ab2022/9/9第七章

核磁共振波譜分析法一、

概述generalization二、化學位移chemicalshift三、偶合與弛豫couplingandrelaxation四、13CNMR譜圖13CNMRspectrograph第五節(jié)

13C核磁共振譜簡介nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR13CNuclearmagneticresonancespectroscopy

2022/9/9一、概述13C譜特點：（1）研究C骨架，結構信息豐富；（2）化學位移范圍大；0～250ppm；（3）13C-13C偶合