核磁共振波譜氫譜研究生課程

核磁共振波譜氫譜研究生課程第1頁/共54頁4.2.1化學位移及其影響因素4.2.2各類質(zhì)子的化學位移4.2.3自旋-自旋偶合與偶合裂分4.2.4自旋系統(tǒng)與圖譜分類4.2.5氫譜解析2目錄有機波譜解析

|核磁共振波譜

|氫譜第2頁/共54頁4.2.5氫譜解析3已知化合物的1H-NMR譜指認首先按化學位移對質(zhì)子進行分類，利用積分高度計算各組質(zhì)子所代表的質(zhì)子數(shù)目再根據(jù)偶合的相互關系，自旋裂分的峰形，確定相應的自旋系統(tǒng)最后對每一條譜線給出明確合理的解釋。第3頁/共54頁2,2-二甲基-3-(4’-甲基)苯基-4-硝基丁醛(C13H17NO3)4第4頁/共54頁計算積分高度比，從低場到高場依次為1:4:1:1:1:3:3:3，與分子式中氫的數(shù)目相等。檢查自旋系統(tǒng)，δ7.1的四重峰是苯環(huán)對位取代的圖形，δ4.82、δ4.66和δ3.74的三組四重峰與ABX系統(tǒng)相符，由于該分子中有一個手性碳，與之相連的CH2兩個氫化學不等價，彼此相互偶合形成ABX系統(tǒng)。其余均為單峰。由低場到高場可指認為：δ9.5(1H)，醛碳氫；δ7.1(4H)，苯環(huán)氫；δ4.82和δ4.66(2H)，與手性碳相連的CH2；δ3.74(1H)，手性碳上的氫；δ2.32(3H)，與苯環(huán)相連的CH3；δ1.13(3H)和δ1.00(3H)是羰基α碳上兩個CH3的共振信號，這兩個CH3化學不等價也是由于手性碳的影響。5第5頁/共54頁丁酸乙烯酯(C6H10O2)的1H-NMR譜如下。其中低場(約δ7.2)的第一組峰有4條譜線，δ4.3～4.8的兩組峰有8條譜線，存在三種偶合常數(shù)，分別為15、8和1.4Hz，對圖中各譜線進行指認。6第6頁/共54頁

δ4.3以上低場部分的裂分峰屬于烯氫，δ2.5以下高場部分的裂分峰屬于不與雜原子相連的飽和碳上氫。計算積分高度比，從低場到高場依次為1：1：1：2：2：3，與分子式中氫的數(shù)目相等。檢查自旋系統(tǒng)，低場部分的三組峰共有12條譜線，δ7.3的4條譜線，第1和2譜線距離與第3組峰的裂距相等，第1和3譜線距離與第2組峰的裂距相等，第2和第3組峰的小裂距(J=1.4)相等，與ABX自旋系統(tǒng)一致，可以指認為取代乙烯上3個質(zhì)子的共振吸收。δ7.3的一組峰具有J反和J順兩種偶合常數(shù)，可以指認為Hd，δ4.8的一組峰具有J反和J同兩種偶合常數(shù)，說明在Hd的反位，可以指認為He，δ4.5的一組峰具有J順和J同兩種偶合常數(shù)，說明在Hd的順位，可以指認為Hf，He和Hf都具有J同，說明這兩個質(zhì)子處于同一碳上。高場部分的圖形是典型的-CH2CH2CH3自旋系統(tǒng)，從積分比例看為2：2：3，表明為2個亞甲基和1個甲基。從裂分的峰形看，處于兩端的亞甲基和甲基分別受到中間亞甲基兩個質(zhì)子的偶合，都裂分為三重峰，而中間的亞甲基受到兩端亞甲基和甲基共5個質(zhì)子的偶合，裂分為6重峰(符合n+m+1規(guī)則)。δ2.3的三重峰由于受羰基誘導效應的影響，相對在低場，可以指認為Hc，依次是Hb和Ha。最后，對化學位移核對。用Shoolery公式計算飽和碳氫的化學位移，用Tobey-Simon規(guī)則計算烯氫的化學位移，得到δ：Ha=1.07，Hb=1.37，Hc=2.45，Hd=4.61，He=4.88，Hf=7.37。與實測值基本相符。7第7頁/共54頁未知化合物結構解析8（1）一般步驟檢查圖譜是否規(guī)則，TMS信號應在零點，基線平直，峰形尖銳對稱，積分曲線在無信號處平直。識別雜質(zhì)峰、溶劑峰、旋轉邊帶、13C衛(wèi)星峰等非待測樣品信號。計算不飽和度。由積分曲線計算各組信號代表的氫數(shù)，對氫原子進行分配（考慮分子的對稱性）由各組峰的化學位移、偶合常數(shù)及峰形，推出可能的結構單元，對譜峰進行“歸屬”或“指認”(assignment)。第8頁/共54頁9識別譜圖中的一級裂分譜，讀出J值，驗證J值的合理性。解析二級圖譜，必要時采用高磁場儀器測定、位移試劑或雙共振技術簡化圖譜。計算剩余結構，重點考慮沒有質(zhì)子信號的結構和元素確定化合物結構，仔細核對各組峰的化學位移和偶合常數(shù)與結構是否相符，查文獻與標準圖譜對照，或類似化合物的圖譜對照。結合其它圖譜分析第9頁/共54頁10未知物的分子式為C5H10O，1H-NMR譜如下，試推導其結構。第10頁/共54頁11計算化合物的不飽和度UU=1+5-10/2=1，結合圖譜中δ9.2的峰，這個不飽和度可以指認為C=O；按化學位移對各組質(zhì)子歸類，δ9.2，醛氫，2.2、1.6和0.9峰組的化學位移低于2.5，均屬不與雜原子相連的飽和氫；積分高度簡比為1：2：1：6，氫的數(shù)目與分子式相符；高場兩組峰的積分比例為6：1，其中δ0.9的裂分與AX6系統(tǒng)相符，可能為CH(CH3)2；δ9.2醛氫的峰為三重峰，表明受到CH2兩個質(zhì)子的偶合，屬于AX2系統(tǒng)，可能為計算剩余結構，無。構建結構式，將兩部分組合，得到核對化學位移，確定結構。查表4-6和4-7，除醛氫外，各組峰的化學位移依次為δ2.2、1.5、0.9，與圖譜一致，說明結構正確。第11頁/共54頁分子式為C7H9N的1H-NMR譜如下，推導其結構1211223第12頁/共54頁計算化合物的不飽和度：UU=1+7-9?1/2=4;按化學位移對各組質(zhì)子歸類：δ8.5～7.0的三組峰為芳環(huán)上的氫，δ2.8和1.3的兩組峰均屬不與雜原子相連的飽和碳氫；計算積分高度比：從低場到高場依次為1：1：2：2：3，氫的數(shù)目與分子式相符；檢查自旋系統(tǒng)或偶合裂分情況：高場的四重峰和三重峰很明顯是A2X3系統(tǒng)，即-CH2CH3。芳環(huán)4個氫的自旋系統(tǒng)較難識別。計算剩余結構：除去乙基，剩下的元素構成一個吡啶環(huán)；構建結構式：乙基和吡啶環(huán)可以有三種組合，即鄰、間、對乙基取代的吡啶：13第13頁/共54頁核對化學位移確定結構：參考吡啶質(zhì)子的化學位移，從低場到高場依次為鄰位(δ8.29，2H)、對位(δ7.75，1H)、間位(δ7.35，2H)，通過比較可以確定為鄰乙基吡啶，鄰位的一個質(zhì)子在最低場(δ8.5)，對位一個質(zhì)子在次低場(δ7.6)，間位的兩個質(zhì)子在相對高場(δ7.2～7.0)。與吡啶相比，間位的2個質(zhì)子向高場移動了約0.25，這是由于乙基是給電子基，使乙基鄰、對位的質(zhì)子向高場移動。如果是對位取代吡啶，應該呈現(xiàn)出對稱的AB四重峰；如果是間位取代的吡啶，在最低場應為2H，次低場為1H，高場1H，這些情況與圖譜不符。14第14頁/共54頁（2）需要注意的問題識別非樣品信號主要來源于雜質(zhì)和溶劑雜質(zhì)信號積分與樣品信號積分不成比例氘代溶劑殘余氫的信號一般位置比較固定，強度與樣品濃度有關。樣品濃度低則溶劑峰強15第15頁/共54頁16第16頁/共54頁17第17頁/共54頁18第18頁/共54頁含活潑氫的圖譜OH,NH,SH等活潑氫的信號有時不出現(xiàn)，有時可能隱藏在基線中；多數(shù)能形成氫鍵，化學位移隨測試條件在一定范圍內(nèi)變動；交換速率快慢，產(chǎn)生的峰形不同。19第19頁/共54頁OH

受酸、堿雜質(zhì)催化，質(zhì)子交換速率快，不與鄰近氫發(fā)生偶合而呈現(xiàn)尖銳單峰；當結構中存在多個活潑氫（羧基、氨基、羥基等），由于相互之間交換速率快，只產(chǎn)生一個平均的活潑氫信號，不發(fā)生偶合裂分20第20頁/共54頁21NH

不同的結構中交換速率不同，因而情況比較復雜。伯胺和仲胺交換速率快，多呈現(xiàn)尖銳單峰；酰胺和吲哚等雜環(huán)中的N-H吸收峰很寬，甚至不易觀測；胺成鹽后為寬峰，甚至包埋在基線中。第21頁/共54頁22SH

交換速率慢，會與相鄰氫發(fā)生偶合裂分。伯硫醇表現(xiàn)為AX2系統(tǒng)，3J=7.4Hz。第22頁/共54頁（3）圖譜解析的輔助方法使用高磁場儀器提高靈敏度簡化圖譜23第23頁/共54頁24第24頁/共54頁氘交換反應重氫交換是用氘代試劑中的D取代含有-OH、-NH、-SH和-COOH等活性氫原子有機物分子中的H。交換順序是OH>NH>SH.如果化合物中含有與O,N,S相連的氫，在溶液中可以進行重水交換，相應的峰消失。實現(xiàn)方法：向已測定核磁共振氫譜的有機物樣品管中，加少量重水（D2O），振搖后再測定核磁共振。若有核磁共振峰消失或減少現(xiàn)象，就可以推斷相應的化學位移處是有-OH、-NH、-SH或-COOH活性氫原子的。注意：酰胺質(zhì)子交換速度慢，不易完全消失；另外形成分子內(nèi)氫鍵的活潑氫也難消失。25D2O

交換:

-OH,-NH2,-COOH,-SH…第25頁/共54頁26第26頁/共54頁27第27頁/共54頁同樣，用氘氧化鈉（NaOD）等試劑可以將一些有機物分子中的甲基或亞甲基上的H換成D，這樣就使原本能自旋偶合的相鄰H被D阻隔而相互不再發(fā)生峰分裂。不僅確定了重氫交換處相關氫的位置，而且也對重氫交換相鄰處氫的判斷提供了依據(jù)。重氫交換方法非常簡單易行，因此，在核磁共振氫譜的測定過程中經(jīng)常被運用。28第28頁/共54頁29溶劑效應第29頁/共54頁化學位移試劑

正常的核磁共振氫譜的化學位移值在0－10ppm范圍，化學位移的范圍非常窄。假如，化學位移范圍被拉大，尤其是相鄰重疊峰的化學位移增加，則各峰之間就可以區(qū)別分辨。

能使樣品的化學位移引起較大移動使不同的吸收峰拉開距離的物質(zhì)成為位移試劑。一般是具有順磁性的金屬絡合物。常用鑭系金屬銪(Eu)或鐠(Pr)與β-二酮及其衍生物的絡合物，使用最多的是Eu(DPM)3和Pr(DPM)3。30

位移試劑對帶有孤電子對的化合物有明顯的位移作用，順序如下：第30頁/共54頁31第31頁/共54頁32第32頁/共54頁通常Eu3＋的位移試劑是使有機物分子中特定氫的化學位移增加，即向高δ值方向移動；Pr3＋位移試劑則相反，是將有機物分子中特定氫的化學位移向低δ值方向移動。因絕大多數(shù)有機物分子中氫的化學位移δ值為正數(shù)，因而Eu3+位移試劑使用比較普遍。最常見的商品位移試劑Eu(DPM)3（DipivalomethanatoEuropium），對不同類型有機物分子中的特定氫分子位移的影響有顯著差異。Eu(DPM)3能將胺基和羥基氫的化學位移增加到100ppm以上，而對其它有機基團氫的位移分別從3ppm增加到30ppm。對硝基和鹵化物、烯類和酚等酸性有機物，位移試劑將被分解而不可用。33有機物分子氫類型（H）位移增加（ppm，CCl4為溶劑）*RCH2NH2～150RCH2OH～100RCH2NH230～40RCH2OH20～50RCH2CHO11～19RCH2COR10～17RCH2SOR9～11(RCH2)2O10RCH2CO2R7RCH2CO2CH2R5～6RCH2CN3～7硝基和鹵化物、烯類0RCOOH和酚位移試劑不可用（分解）第33頁/共54頁手性位移試劑

手性位移試劑中許多是鑭系金屬試劑。鑭系金屬配合物是弱Lewis酸，在非質(zhì)子溶劑(如CDCl3、CCl4或CS2)中，這些順磁性的鹽能和Lewis堿(特別是那些含有孤對電子的堿，如酰胺、胺、酯、酮和亞砜)配合。結果，質(zhì)子、碳和其他核相對于那些未受配合的位置而言，通常受到去屏蔽作用，因而這些核的化學位移也改變了。這種改變的程度取決于配合的強度以及核與順磁金屬原子核的距離。因此，不同類型的核以不同的程度位移，導致核磁譜的簡單化。在手性位移試劑存在下，對映體的核磁譜的不等價性，可用手性位移試劑—手性化合物所生成的非對映配合物的幾何結構的不同以及可能引起的磁環(huán)境的不同來解釋。34第34頁/共54頁35第35頁/共54頁36第36頁/共54頁37雙共振去偶

磁核間偶合的條件是其在某一自旋態(tài)的時間必須大于偶合常數(shù)的倒數(shù)。雙共振技術是在用B1磁場掃面圖譜的同時，加上B2磁場照射相互偶合的兩核中的一組核，使其飽和(即高速往返于各種自旋核之間)，在某一自旋態(tài)停留時間很短，破壞偶合條件，達到去偶目的。通過雙共振去偶可以達到簡化圖譜的目的第37頁/共54頁自旋去偶是雙共振（spindecoupling）最常用的方法。以AX體系為例，A的譜線被X分裂，但若A被照射而共振（該照射的頻率為ν1）,以強的功率照射X（ν2），X的核發(fā)生共振被飽和，在A核處產(chǎn)生的附加磁場平均為零，這消除了X核對A核的偶合作用。38第38頁/共54頁有機波譜解析

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|氫譜39第39頁/共54頁巴豆醛雙共振去偶示意圖40第40頁/共54頁雙共振去偶除了可以簡化圖譜之外，還可以通過峰形變化找出相互偶合的峰組41第41頁/共54頁核Overhauser效應(nuclearOverhausere?ect，NOE)研究發(fā)現(xiàn)：當某核被照射飽和時，其空間位置附近的其他核的共振信號會加強。42四個甲基的化學位移：2.43ppm(6H)、2.63ppm(3H)和2.88(3H)8.52ppm7.94ppm當照射2.43ppm的甲基時，H5和H10的信號強度不變，說明2.43是2和3位的兩個甲基。當照射2.63ppm的甲基時，H10的信號強度增加兩11%，而H5的信號不變，說明是1位甲基。而照射2.88ppm時，H5信號增強33%，H10的信號不變，說明是4位甲基。第42頁/共54頁NOE效應產(chǎn)生機制是兩個空間相近核磁距作用的偶極偶合。而自旋偶合是通過化學鍵傳遞的，通過化學鍵傳遞偶合的稱之物標量偶合。因此兩個核空間靠近是發(fā)生NOE效應的必須條件，而與它們相隔的化學鍵的數(shù)目無關。當然二者空間距離在一定的范圍之內(nèi)，一般說來不超過5個化學鍵。因此NOE效應就成為研究立體化學的重要手段。43第43頁/共54頁需要對樣品的氫譜有準確指認NOE除與分子結構相關外，也受到儀器、實驗條件等因素的影響需要有某些預定的分子模型，以便根據(jù)NOE結果做出明確判斷NOE最適用于剛性分子如果沒有出現(xiàn)NOE，并不能確定兩個氫核之間不相關（如柔性分子中存在較快的構象互變，導致不能觀測到NOE)注意事項44第44頁/共54頁在具體的實驗中，需要觀察比較選擇去偶前后的譜線的強度。這種方法在NOE弱的情況下是相當受限制的，只有吸收強度改變大于10％，才能肯定兩個氫核在空間相近。即使觀察不到NOE也不能否定兩個氫核在空間靠近，可能存在著其它的干擾而掩蓋了NOE.到了八十年代后期，在此基礎上，發(fā)展了NOE差譜技術。45第45頁/共54頁所謂NOE差譜就是將脈沖傅立葉變換（PFT）儀器雙照射前后所得的自由誘導衰減信號（FID）進行扣除便得到NOE差譜。差譜中所顯示的僅僅是那些由NOE誘導而發(fā)生強度變化的核信號，所有其它信號都被扣除。所以即使是很小的增益也可靠檢測出，同時不存在其它重疊信號的干擾。46第46頁/共54頁47NOE效應不僅能夠提供有關分子構型和構象等立體化學的信息，并且能夠