核磁共振波譜分析法

核磁共振波譜分析法nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR第十三章2024/1/3一、概述NMR是研究原子核對射頻輻射(Radio-frequencyRadiation)的吸收，它是對各種有機和無機物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強有力的工具之一，有時亦可進(jìn)行定量分析。（測定有機化合物的結(jié)構(gòu)，1HNMR──氫原子的位置、環(huán)境以及官能團和C骨架上的H原子相對數(shù)目）在強磁場中，原子核發(fā)生能級分裂(能級極?。涸?.41T磁場中，磁能級差約為25

10-3J)，當(dāng)吸收外來電磁輻射(10-9-10-10nm,4-900MHz)時，將發(fā)生核能級的躍遷----產(chǎn)生所謂NMR現(xiàn)象。射頻輻射─原子核(強磁場下，能級分裂)-----吸收──能級躍遷──NMR

與UV-vis和紅外光譜法類似，NMR也屬于吸收光譜，只是研究的對象是處于強磁場中的原子核對射頻輻射的吸收。2024/1/3歷史：

1924年P(guān)auli預(yù)言了NMR的基本理論：有些核同時具有自旋和磁量子數(shù)，這些核在磁場中會發(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NMR現(xiàn)象，并于1952年分享了Nobel獎；

1953年Varian開始商用儀器開發(fā)，并于同年做出了第一臺高分辨NMR儀。1956年，Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對NMR信號有影響，而這一影響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1991年諾貝爾化學(xué)獎授予R.R.Ernst教授，以表彰他對二維核磁共振理論及傅里葉變換核磁共振的貢獻(xiàn)。這兩次諾貝爾獎的授予，充分地說明了核磁共振的重要性。

2024/1/3核磁共振在儀器、實驗方法、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)、物理擴展到生物、醫(yī)學(xué)等多個學(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。

2024/1/3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)是一種非介入探測技術(shù)，相對于X-射線透視技術(shù)和放射造影技術(shù)，MRI對人體沒有輻射影響，相對于超聲探測技術(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。

2024/1/3磁共振最常用的核是氫原子核質(zhì)子（1H），因為它的信號最強，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)弛豫時間長短；(c)血液和腦脊液的流動；(d)順磁性物質(zhì);(e)蛋白質(zhì)。磁共振影像灰階特點是，磁共振信號愈強，則亮度愈大，磁共振的信號弱，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。2024/1/3一、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principlesofnuclearmagneticresonance

2024/1/3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)有一個是奇數(shù)時，它就和電子一樣有自旋運動，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。2024/1/3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(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；2024/1/3一、核磁共振與化學(xué)位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift二、影響化學(xué)位移的因素factorsinfluencedchemicalshift第二節(jié)

核磁共振與化學(xué)位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift2024/1/3化學(xué)位移在一固定外加磁場(H0)中，有機物的1H核磁共振譜應(yīng)該只有一個峰，即在乙醇的質(zhì)子核磁共振譜中有三個峰,原因？=E/h=·(1/2)·H02024/1/3氫原子核的外面有電子，它們對磁場的磁力線有排斥作用。對原子核來講，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)增加磁場強度才能使之發(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亦就出現(xiàn)在不同的位置。此位置的差異即叫化學(xué)位移。

2024/1/3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2024/1/3一、核磁共振與化學(xué)位移

nuclearmagneticresonanceandchemicalshift1.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(yīng)磁場，起到屏蔽作用，使氫核實際受到的外磁場作用減小：

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，共振需更強的外磁場(相對于裸露的氫核)。2024/1/3化學(xué)位移：

chemicalshift

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(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。2024/1/32.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，沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)。相對標(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個氫處于完全相同的化學(xué)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(zhì)子峰不重迭；

c.化學(xué)惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。2024/1/3位移的表示方法

與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位移最大，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)號略去，將它看作正數(shù)。

=[（樣-TMS)/

TMS]106(ppm)

小，屏蔽強，共振需要的磁場強度大，在高場出現(xiàn)，圖右側(cè)；

大，屏蔽弱，共振需要的磁場強度小，在低場出現(xiàn)，圖左側(cè)；2024/1/3二、影響化學(xué)位移的因素

factorsinfluencedchemicalshift1．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，吸電子作用越強，價電子偏離質(zhì)子，屏蔽作用減弱，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2024/1/3

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 3.403.052.682.16 X,:X,電子云密度,屏蔽效應(yīng),共振在較低磁場發(fā)生，

誘導(dǎo)效應(yīng)(電負(fù)性對化學(xué)位移的影響)2024/1/3吸電子基團越多,這種影響越大5.307.273.05基團距離越遠(yuǎn)，受到的影響越小

2024/1/3

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，對質(zhì)子的屏蔽

如：乙烷質(zhì)子

=0.96乙烯質(zhì)子

=5.84

2）炔碳為sp雜化，相對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)子共振吸收向低場移動.但炔氫譜峰相對烯氫處于較高場，芳環(huán)氫譜峰相對于烯氫處于較低場，則因另有較重要的影響因素所致。

碳雜化軌道電負(fù)性：SP>SP2>SP32024/1/32.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。2024/1/3

醇羥基0.5~5酚4~7胺0.5~5羧酸10~13二聚體形式（雙分子的氫鍵）例：2024/1/3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11~162024/1/3介質(zhì)的影響

不同溶劑，使樣品分子所受的磁感強度不同；不同溶劑分子對溶質(zhì)分子有不同的作用，因此介質(zhì)影響δ值。值得指出的是，當(dāng)用氘代氯仿作溶劑時，有時加入少量氘代苯，利用苯的磁各向異性，可使原來相互重疊的峰組分開。這是一項有用的實驗技術(shù).2024/1/34.各類有機化合物的化學(xué)位移①飽和烴-CH3:

CH3=0.791.10ppm-CH2:

CH2=0.981.54ppm-CH:

CH=CH3+(0.50.6)ppm

H=3.2~4.0ppm

H=2.2~3.2ppm

H=1.8ppm

H=2.1ppm

H=2~3ppm2024/1/3各類有機化合物的化學(xué)位移②烯烴

端烯質(zhì)子：H=4.8~5.0ppm內(nèi)烯質(zhì)子：H=5.1~5.7ppm與烯基，芳基共軛：H=4~7ppm③芳香烴

芳烴質(zhì)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=7.2~8.0ppm2024/1/3各類有機化合物的化學(xué)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=9~10ppm2024/1/3常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍2024/1/3一、自旋偶合與自旋裂分spincouplingandspinsplitting二、峰裂分?jǐn)?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spincouplingandspinsplitting2024/1/3一、自旋偶合與自旋裂分

spincouplingandspinsplitting

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（自旋干擾）；2024/1/3二、峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積

numberofpearsplittingandpearareas

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)子之間的相對比例。2024/1/3峰裂分?jǐn)?shù)2024/1/3峰裂分?jǐn)?shù)1:11:3:3:11:11:2:12024/1/3峰裂分?jǐn)?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1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:12024/1/3一、譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息structureinformationofcompoundinspectrograph二、簡化譜圖的方法methodsofsimplingspectrograph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(jié)構(gòu)確定analysisofspectrographandstructuredetermination2024/1/3

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）峰的強度(面積)：每類質(zhì)子的數(shù)目(相對)，多少個；（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）。2024/1/3三、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(zhì)子和其它質(zhì)子

活潑氫D2O交換，解析消失的信號由化學(xué)位移，偶合常數(shù)和峰數(shù)目用一級譜解析參考IR，UV，MS和其它數(shù)據(jù)推斷解構(gòu)得出結(jié)論，驗證解構(gòu)2024/1/36個質(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（或元素）相連，在高場出現(xiàn)。1.譜圖解析（1）2024/1/3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，兩個單峰。單峰：沒有相鄰碳原子（或相鄰碳原子無質(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（相對與質(zhì)子a）出現(xiàn)。質(zhì)子b也受其影響，峰也向低場位移。2024/1/3譜圖解析（3）裂分與位移2024/1/3譜圖解析（4）苯環(huán)上的質(zhì)子在低場出現(xiàn)。為什么1H比6H的化學(xué)位移大？2024/1/3對比2024/1/32.譜圖解析與結(jié)構(gòu)(1)確定5223化合物C10H12O28765432102024/1/3譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定步驟正確結(jié)構(gòu)：

=1+10+1/2(-12)=5δ2.1單峰三個氫，—CH3峰結(jié)構(gòu)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

2024/1/3譜圖解析與結(jié)構(gòu)(2)確定9δ5.30δ3.38δ1.37C7H16O3，推斷其結(jié)構(gòu)612024/1/3結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(fù)性基團相連正確結(jié)構(gòu)：2024/1/3譜圖解析與結(jié)構(gòu)(3)化合物C10H12O2，推斷結(jié)構(gòu)δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H2024/1/3結(jié)構(gòu)(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(fù)性基團相連哪個正確?正確：B為什么?2024/1/3譜圖解析與結(jié)構(gòu)(4)化合物C8H8O2，推斷其結(jié)構(gòu)9876543102024/1/3結(jié)構(gòu)(4)確定過程化合物C8H8O2，

=1+8+1/2(-8)=5δ=7-8芳環(huán)上氫，四個峰對位取代δ=9.87—醛基上氫，低δ=3.87CH3上氫，低場移動，與電負(fù)性強的元素相連：—O—CH3正確結(jié)構(gòu)：2024/1/3四、聯(lián)合譜圖解析（1）C6H12O

1700cm-1,C=0,

醛,酮<3000cm-1,-C-H

飽和烴兩種質(zhì)子1：3或3：9-CH3：-C(CH3)9無裂分，無相鄰質(zhì)子2024/1/3譜圖解析（2）C8H14O4

1700cm-1,C=0,

醛,酮，排除羧酸，醇，酚<3000cm-1,-C-H

飽和烴，無芳環(huán)

1．三種質(zhì)子4：4：６２．裂分，有相鄰質(zhì)子；３．

=1.3(6H)兩個CH3裂分為3,相鄰C有2H;CH3-CH2-4.

=2.5(4H),單峰,

CO-CH2CH2-CO-5.

=4.1(4H)低場(吸電子),兩個-O-CH2-2024/1/31.化合物環(huán)戊烷

的核磁共振譜圖中，各峰的面積比為多少？由于該化合物所有的質(zhì)子都是化學(xué)等價的質(zhì)子，所以在譜圖中僅有一個峰，因此無比例可測。

2024/1/3一、概述generalization二、化學(xué)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13CNuclearmagneticresonancespectroscopy

2024/1/3一、概述

PFT-NMR(1970年)，實用化技術(shù)；13C譜特點：（1）研究C骨架，結(jié)構(gòu)信息豐富；（2）化學(xué)位移范圍大；0～250ppm；

(19F：300ppm；31P：700ppm；)（3）13C-13C偶合的幾率很??；13C天然豐度1.1%；（4）13C-H偶合可消除，譜圖簡化。核磁矩：

1H=2.79270;

13C=0.70216磁旋比為質(zhì)子的1/4；相對靈敏度為質(zhì)子的1/5600；H0EI=I=

HsplittingC

splitting2024/1/3PFT-NMRMAGNETR-FreceiveranddetectorRecorderSweepgeneratorMAGNET2024/1/3富里葉變換

TPWPWTransmitterRecei