核磁共振波譜學

..一．核磁共振簡介核磁共振技術由珀塞爾〔Purcell〕和布洛齊〔Bloch〕于1945年始創(chuàng)，至今已有近六十年的歷史，他們二人因此榮獲1952年諾貝爾物理獎。自1950年應用于測定有機化合物的構造以來，經過幾十年的研究和實踐，開展十分迅速，現(xiàn)已成為測定有機化合物構造不可缺少的重要手段。通過核磁共振譜可以得到有機化合物的構造信息，如通過化學位移可以得到各組磁性核的類型，氫譜可以判斷烷基氫、烯氫、芳氫、氨基氫、醛氫等，而在碳譜中可以判斷飽和碳，烯碳、羰基碳等，通過偶合常數(shù)和峰形可判斷個磁性核的化學環(huán)境，以判斷各氫和碳的歸屬。譜儀頻率已從30MHz開展到900MHz。1000MHz譜儀亦在加緊試制之中。儀器工作方式從連續(xù)波譜儀開展到脈沖-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。其應用圍也大大拓寬，已從化學、物理擴展到生物、醫(yī)學等多個學科15.3.1二。核磁共振根本原理1．原子核的磁矩

核磁共振的研究對象是原子核，原子核是帶正電粒子，其自旋運動會產生磁矩，具有自旋運動的原子核都具有一定的自旋量子數(shù)I，原子核可按Ｉ的數(shù)值分為以下三類：

〔1〕中子數(shù)、質子數(shù)均為偶數(shù)，那么I=0，如12C、16O、32S等。此類原子核不能用核磁共振法進展測定。

〔2〕中子數(shù)與質子數(shù)其一為偶數(shù)，另一為奇數(shù)，那么Ｉ為半整數(shù)，如

I=1/2：1H、13C、15N、19F、31P、37Se等；

I=3/2：7Li、9Be、11B、33S、35Cl、37Cl等；

I=5/2：17O、25Mg、27Al、55Mn等；

以及I=7/2、9/2等。

〔3〕中子數(shù)、質子數(shù)均為奇數(shù)，那么I為整數(shù)，如2H(D)、6Li、14N等I=1；58Co，I=2；10B，I=3。

〔2〕、〔3〕類原子核是核磁共振研究的對象。其中，I=1/2的原子核，其電荷分布為球形，這樣的原子核不具有四極矩，其核磁共振的譜線窄，最宜于核磁共振檢測。

原子核的磁矩取決于原子核的自旋角動量P，其大小為：〔

式中：I為原子核的自旋量子數(shù)。h為普朗克數(shù)?！撤睮值非零的原子核即具有自旋角動量P，也就具有磁矩μ，μ與P之間的關系為：〔稱為磁旋比，是原子核的重要屬性。2．自旋核在磁場中的取向和能級具有磁矩的核在外磁場中的自旋取向是量子化的，可用磁量子數(shù)m來表示核自旋不同的空間取向，其數(shù)值可?。簃=I,I-1,I-2,……,-I，共有2I+1個取向。例如，對1H核來說，I=1/2,那么有m=+1/2和m=-1/2兩種取向。m=+1/2取向是順磁場排列，代表低能態(tài)，而m=-1/2那么是反磁場排列，代表高能態(tài)。對于I=1的原子核，如2H,14N而言，m那么有m=+1，0，-1三種取向，代表三個不同能級。根據電磁理論，磁矩μ在外磁場中與磁場的作用能E為：E=-μBO〔式中BO為磁場強度。作用能E屬于位能性質，故核磁矩總是力求與外磁場方向平行。外加磁場越強，能級裂分越大，上下能態(tài)的能級差也越大?！?．核磁共振的產生在靜磁場中，具有磁矩的原子核存在著不同能級。此時，如運用某一特定頻率的電磁波來照射樣品，并使該電磁波能量恰等于原子核的能級差〔ΔE〕，原子核即可進展能級之間的躍遷，這就是核磁共振。當然，躍遷時必須滿足選律，即。當發(fā)生核磁共振現(xiàn)象時，原子核在能級躍遷的過程中吸收了電磁波的能量，由此可檢測到相應的信號。4．弛豫過程對磁旋比為的原子核外加一靜磁場B0時，原子核的能級會發(fā)生分裂。處于低能級的粒子數(shù)n1將多于高能級的離子數(shù)n2，這個比值可用玻爾茲曼定律計算。由于能級差很小，n1和n2很接近。設溫度為300K，磁感強度為1.4092T〔即14092G，相應于60MHz射頻儀器的磁感強度〕，可算出：=1.0000099〔式中ｋ為玻爾茲曼常數(shù)?！吃陔姶挪ǖ淖饔孟?，n1減少，n2增加，因二者相差不多，當n1=n2時不能再測出核磁共振信號，稱作飽和。由此看出，為能連續(xù)存在核磁共振信號，必須有從高能級返回低能級的過程，這個過程即稱為弛豫過程。弛豫過程有兩類。其一為自旋-晶格弛豫，亦稱為縱向弛豫。其結果是一些核由高能級回到低能級。該能量被轉移至周圍的分子〔固體的晶格，液體那么為周圍的同類分子或溶劑分子〕而轉變成熱運動，即縱向弛豫反映了體系和環(huán)境的能量交換；第二種弛豫過程為自旋-自旋弛豫，亦稱為橫向弛豫。類似于化學反響動力學中的一級反響，縱向弛豫，橫向弛豫過程的快慢分別用1/T1、1/T2來描述。T1叫縱向弛豫時間，T2叫橫向弛豫時間。三．屏蔽效應和化學位移1．化學位移

氫質子〔1H〕用掃場的方法產生的核磁共振，理論上都在同一磁場強度〔Ho〕下吸收，只產生一個吸收信號。實際上，分子中各種不同環(huán)境下的氫，再不同Ho下發(fā)生核磁共振，給出不同的吸收信號。例如，對乙醚進展掃場那么出現(xiàn)二種吸收信號，在譜圖上就是二組吸收峰。如圖：〔乙醚的氫核磁共振譜〕這種由于氫原子在分子中的化學環(huán)境不同，因而在不同磁場強度下產生吸收峰,峰與峰之間的差距稱為化學位移。2．屏蔽效應——化學位移產生的原因

分子中的磁核不是裸核，核外包圍著電子云，在磁場的作用下，核外電子會在垂直于外磁場的平面上繞核旋轉，形成微電流，同時產生對抗于主磁場的感應磁場。感應磁場的方向與外磁場相反，強度與磁場強度BO成正比。感應磁場在一定程度上減弱了外磁場對磁核的作用。這種感應磁場對外磁場的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應，通常用屏蔽常數(shù)σ來衡量屏蔽作用的強弱。磁核實際感受的磁場強度稱為有效磁場強度Beff，可用下式表示：Beff=BO-BO﹒σ=BO〔1-σ〕

同理〔3-7〕式可改寫為：v=γBO〔1-σ〕/2π〔電子對核的屏蔽作用〕可見，不同的化學環(huán)境的質子，核外電子云分布不同，σ值不同，核磁共振吸收峰出現(xiàn)的位置亦不同。在以掃頻方式測定時，核外電子云密度大的質子，σ值大，吸收峰出現(xiàn)較低頻，相反核外電子云密度小的質子，吸收峰出現(xiàn)在較高頻。如果以掃場方式進展測定，那么電子云密度大的質子吸收峰在較高場，電子云密度小的質子出現(xiàn)在較低場。3．化學位移值

化學位移數(shù)值很小，質子的化學位移只有所用磁場的百萬分之幾，化學位移值的大小，可采用一個標準化合物為原點，測出峰與原點的距離，就是該峰的化學位移值，一般采用四甲基硅烷為標準物〔代號為TMS〕。d=(n樣-nTMS)′106/nTMS或d=(BTMS-B樣)′106/BTMS〔Δυ=υ樣品-υTMS〕，δ為化學位移值，它是一個無量綱數(shù)，用ppm〔百萬分之一〕表示。

化學位移是依賴于磁場強度的。不同頻率的儀器測出的化學位移值是不同的，例如，測乙醚時：

用頻率60MHz的共振儀測得Δυ，CH3-為69Hz，-CH2-為202Hz。

用頻率100MHz的共振儀測得Δυ，CH3-為115Hz，-CH2-為337Hz。

為了使在不同頻率的核磁共振儀上測得的化學位移值一樣〔不依賴于測定時的條件〕，通常用δ來表示，δ的定義為：標準化合物TMS的δ值為0。在TMS左邊的吸收峰δ值為正值，在TMS右邊的吸收峰，δ值為負值。n樣和nTMS分別為樣品和標準物TMS中質子的共振頻率，B樣和BTMS分別為樣品和標準物TMS中質子的共振磁場強度。

由此可得，60MHz時乙醚中CH3-的H的δ值為69×106/60×106=1.15,

60MHz時乙醚中-CH2-的H的δ值為202×106/60×106=3.37。

100MHz時乙醚中CH3-的H的δ值為115×106/100×106=1.15,

100MHz時乙醚中-CH2-的H的δ值為337×106/100×106=3.37。

這樣，就得到各種不同構造的H的δ值。4．影響化學位移的因素

(1)誘導效應1．δ值隨著鄰近原子或原子團的電負性的增加而增加。如：CH3X中甲基的化學位移值

X

Li

Si(CH3)3

H

Me

Et

NH2

OH

F

SMe

Cl

δ(ppm)

-1.94

0.0

0.23

0.86

0.91

2.47

3.39

4.27

2.09

3.06

2．δ值隨著H原子與電負性基團距離的增大而減小。如：

CH3——CH2——CH2—Clδ值：1.06

1.81

3.47

3。烷烴中H的δ值按伯、仲、叔次序依次增加。如：

CH3—H

RCH2—H

R2CH—H

R3C—H

δ值

：〔2〕共軛效應

當拉電子或推電子基團與乙烯分子上的碳-碳雙鍵共軛時，烯碳上的質子的電子云密度會改變，其吸收峰也會發(fā)生位移，以下是乙酸乙烯酯、丙烯酸甲酯與乙烯的比擬：〔3〕電子環(huán)流效應〔磁場的各向異性〕

烯烴、醛、芳環(huán)中，π電子在外加磁場作用下產生環(huán)流，使氫原子周圍產生感應磁場，如果感應磁場的方向與外加磁場一樣，即增加了外加磁場，所以在外加磁場還沒有到達Ho時，就發(fā)生能級的躍遷，稱為去屏蔽效應，該區(qū)域稱為去屏蔽區(qū)，用‘-’號表示；而當感應磁場的方向與外加磁場方向相反時，即減小了外加磁場，稱屏蔽效應，該區(qū)域稱為屏蔽區(qū)，用‘+’號表示。烯烴、醛、芳環(huán)中氫原子處于去屏蔽區(qū)，因而它們的δ很大〔δ=4.5~12〕，乙炔也有π電子環(huán)流,但炔氫的位置不同，處在屏蔽區(qū)〔處在感應磁場與外加磁場對抗區(qū)〕，所以炔氫的δ值較小?！卜辑h(huán)的磁場的各向異性

〕〔叁鍵的磁場的各向異性〕〔4〕氫鍵效應和溶劑效應

當分子形成氫鍵后，由于靜電場的作用，使氫外圍電子云密度降低而去屏蔽，δ值增加。由于氫鍵的強度與分子所處環(huán)境有關，因此，氫鍵中氫隨溶劑極性、溶液濃度和測定溫度的不同，δ值也有所改變。如羧基的氫化學位移通常在10~14左右。在核磁共振譜的測定中，由于采用不同溶劑，某些質子的化學位移發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為溶劑效應。溶劑效應的產生往往是由溶劑的磁各向異性效應或溶劑與被測試樣分子間的氫鍵效應引起的。由于氫原子核的化學位移圍比擬小，而核磁共振的測定通常必須將樣品配置為溶液狀態(tài)進展，因而溶劑效應是一個不可忽略的因素。四．峰面積與氫原子數(shù)目

在核磁共振譜圖中，每一組吸收峰都代表一種氫，每種共振峰所包含的面積是不同的，其面積之比恰好是各種氫原子數(shù)之比。如乙基苯的核磁共振氫譜如下，圖中共有三組核磁共振峰面積比為：5：2：3，即乙基苯中三種氫的數(shù)目比。因此核磁共振譜不僅提供了各種不同H的化學位移，并且表示了各種不同氫的數(shù)目?！惨一降暮舜殴舱駳渥V〕共振峰的面積大小一般是用積分曲線高度法測出，是核磁共振儀上帶的自動分析儀對各峰的面積進展自動積分，得到的數(shù)值用階梯積分高度表示出來〔如上圖所示〕。積分曲線的畫法是由低場到高場〔從左到右〕，從積分曲線起點到終點的總高度與分子中全部氫原子數(shù)目成比例。每一階梯的高度表示引起該共振峰的氫原子數(shù)之比。五．峰的裂分和自旋偶合1．峰的裂分在1950年，Proctor等人研究發(fā)現(xiàn)：質子的共振頻率與其構造〔化學環(huán)境〕有關。在高分辨率下，吸收峰產生化學位移和裂分，這種使吸收峰分裂增多的現(xiàn)象稱為峰的裂分。如下列圖中碘代乙烷的氫原子a裂分為三重峰，而b裂分為四重峰。由有機化合物的核磁共振圖，可獲得質子所處化學環(huán)境的信息，進一步確定化合物構造?！驳獯彝榈暮舜殴舱駳渥V〕2．自旋偶合核磁共振峰的裂分是因為相鄰兩個碳上質子之間的自旋偶合〔自旋干擾〕而產生的。我們把這種由于鄰近不等性質子自旋的相互作用〔干擾〕而分裂成幾重峰的現(xiàn)象稱為自旋偶合。自旋偶合作用不影響磁核的化學位移，但對共振峰的形狀會產生重大影響，使譜圖變得復雜，但又為構造分析提供更多的信息。(1)自旋偶合的產生〔以碘乙烷為例〕根據Pauli原理和Hund規(guī)那么，每個成鍵軌道最多只能容納2個電子且自旋方向相反；同一成鍵原子的電子自旋方向平行；電子自旋方向與核自旋方向一樣，核自旋能級升高，電子自旋方向與核自旋方向相反，核自旋能級降低。對于自旋量子數(shù)I=1/2的核來說，在磁場中有兩種取向：m=+1/2和m=-1/2。在碘乙烷中，a、b氫原子核是相鄰近的，有互相偶合作用，當b氫取m=+1/2順磁場排列〔↑〕時，其產生的局部磁場會使a質子感受到稍微增強的磁場強度，故會在較低的外磁場中發(fā)生共振，相反，當b組二個氫原子核取m=-1/2反磁場排列〔↓〕時，會使a氫原子核感受到稍微減弱的磁場強度，而在較高的外磁場中發(fā)生共振，由于b種氫共有2個，其排列方式有4中，其中有兩種方式對a氫原子核的影響是一樣的，故b氫原子核的偶合會使a氫原子核裂分成三重峰，其強度比為1:2:1。同樣道理，a組三個氫原子核在磁場中有8種不同的取向組合，如下列圖所示，這8種取向組合出現(xiàn)的幾率為1:3：3：1。因此，a組氫原子核在外磁場中產生四種不問的局部磁場使b氫原子核裂分成四重峰。(2)n+1規(guī)律磁等性氫原子核之間不發(fā)生偶合。兩個磁不等性氫原子核相隔三個σ鍵以上時，那么不發(fā)生偶合。同碳上的磁不等性氫原子核可偶合裂分?！?〕裂分峰數(shù)的計算某組環(huán)境一樣的氫核，與n個環(huán)境一樣的氫核〔或I=1/2的核〕偶合，那么被裂分為(n+1)個峰。例如：n+1規(guī)律只適合于互相偶合的質子的化學位移差遠大于偶合常數(shù)，即△v>>J時的一級光譜。其中J為偶合常數(shù)，它是相鄰兩裂分峰之間的距離，單位為赫茲〔Hz〕。在實際譜圖中互相偶合的二組峰強度會出現(xiàn)側高，外側低的情況，稱為向心規(guī)那么。利用向心規(guī)那么，可以找到吸收峰間互相偶合的關系。某組環(huán)境一樣的氫核，分別與n個和m個環(huán)境不同的氫核〔或I=1/2的核〕偶合,那么被裂分為(n+1)(m+1)條峰〔實際譜圖可能出現(xiàn)譜峰局部重疊，小于計算值〕。例如：

在儀器分辨率不高的情況下，只用n+1來計算，那么上述Hb只有n+1=5重峰。鄰近質子數(shù)與裂分峰數(shù)和峰強度的關系：〔1+1〕〔1+1〕的情況：四重峰，具有同樣的強度。

〔2+1〕〔2+1〕的情況：強度比為1：2：1：2：4：2：1：2：1，特征不明顯，通常不易分辨出來。六．核磁共振譜的解析1。核磁共振氫譜可提供的信息：由吸收峰數(shù)可知分子中氫原子的種類。由化學位移可了解各類氫的化學環(huán)境。由裂分峰數(shù)目大致可知各種氫的數(shù)目。由各種峰的面積比即知各種氫的數(shù)目。15.3.5.2譜圖解析

核磁共振氫譜的解析通常有如下幾個步驟：

首先，要了解化合物的來源，對化合物有初步的了解，如化合物的顏色，晶形，熔點，溶解性等信息，又助于對化合物進展分類。其次，通過元素分析或質譜分析得到化合物的分子式，并計算不飽和度，不飽和度的計算如下式：〔其中n為分子中4價原子的數(shù)目，如C，Si；a為分子中3價原子的數(shù)目，如P，N；b為分子中1價原子的數(shù)目，如H，F(xiàn)，Cl，Br，I。氧和硫的存在對不飽和度沒有影響?！称浯危瑥姆e分曲線，算出各組信號的相對面積，再參考分子式中氫原子數(shù)目，來決定各組峰代表的質子數(shù)目。也可用可靠的甲基信號或孤立的次甲基信號為標準計算各組峰代的質子數(shù)。從各組峰的化學位移，偶合常數(shù)及峰形，根據它們與化學構造的關系，推出可能的構造單元。識別譜圖中的一級裂分譜，讀出J值，驗證J值是否合理。結合元素分析、紅外光譜、紫外光譜、質譜、13C核磁共振譜和化學分析的數(shù)據推導化合物的構造。例1

某分子式為C4H8O2的化合物，其HNMR如下：

試解析其分子構造。解：該分子的不飽和度為1，說明分子構造中有一個雙鍵或一個環(huán)。譜圖中共有三組核磁共振吸收，其中δ為1.9ppm處的3個氫核為單峰，說明其不與其他氫核相連，為一個孤立的甲基，而δ為4.1ppm處的兩個氫核為四重峰，δ為1.2ppm處的氫核裂分為3重峰，說明分子構造中有一個-CH2CH3單元，其中CH2單元，由于氫的化學位移在4.1ppm,說明它與強吸電子基團直接相連，分子中有兩個氧原子，結合以上數(shù)據，解析得其構造為：例2．化合物C9H11O在UV中260nm、285nm有吸收；IR譜中于1720cm-1有吸收；NMR譜在δ7.2處〔5H〕單峰，δ3.6處〔2H〕單峰，δ2.1處〔3H〕單峰。試由上述光譜資料推測化合物的構造。七．核磁共振碳譜簡介13C核磁共振譜〔13MR〕的信號是1957年由P.C.Lauterbur首先觀察到的。碳是組成有機物分子骨架的元素，人們清楚認識到13MR對于化學研究的重要性。由于13C的信號很弱，加之1H核的偶合干擾，使13MR信號變得很復雜，難以測得有實用價值得譜圖的。二十世紀七十年代后期，質子去偶和傅立葉變換技術的開展和應用，才使13MR的測定變成簡單易得。二十多年來，核磁共振技術取得巨大開展，目前，13MR已廣泛應用于有機化合物的分子構造測定、反響機理研究、異構體判別、生物大分子研究等方面，成為化學、生物化學、藥物化學及其他相關領域的科學研究和生產部門不可缺少的分析測試手段，對有關學科的開展起了極大的促進作用。在有機物中，有些官能團不含氫，例如：-C=O，-C=C=C-，-N=C=O等官能團的信息，不能從1H譜中得到，只能從13C譜中得到有關的構造信息。1．核磁共振碳譜的特點靈敏度低，分辨能力高，因為碳譜的化學位移圍大，約300ppm為1H譜的20~30倍，譜線之間分得很開，容易識別。自然豐度1.1%，不必考慮