核磁共振波譜

核磁共振波譜核磁共振波譜原理送樣要求及注意事項測樣流程常用圖譜介紹儀器操作數(shù)據(jù)軟件應(yīng)用1基本知識2屏蔽效應(yīng)和化學(xué)位移3峰面積與氫原子數(shù)目4峰的裂分和自旋偶合

一原理

核磁共振譜核磁共振技術(shù)是珀塞爾（Purcell）和布洛齊（Bloch）始創(chuàng)于1946年，至今已有近六十年的歷史。自1950年應(yīng)用于測定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)以來，經(jīng)過幾十年的研究和實踐，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已成為測定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)不可缺少的重要手段。

從原則上說，凡是自旋量子數(shù)不等于零的原子核，都可發(fā)生核磁共振。1H（99.98%)的天然豐度高，在有機(jī)化學(xué)中很常用，以1H進(jìn)行介紹。1基本知識1.1核的自旋與磁性由于氫原子是帶電體，當(dāng)自旋時，可產(chǎn)生一個磁場，因此，我們可以把一個自旋的原子核看作一塊小磁鐵。氫的自旋量子數(shù)ms為+1/2，-1/2。1.2核磁共振現(xiàn)象原子的磁矩在無外磁場影響下，取向是紊亂的，在外磁場中，它的取向是量子化的，只有兩種可能的取向。

當(dāng)ms=+1/2時，如果取向方向與外磁場方向平行，為低能級（低能態(tài)）當(dāng)ms=-1/2時，如果取向方向與外磁場方向相反，則為高能級（高能態(tài)）兩個能級之差為ΔE：r為旋磁比，一個核常數(shù)，h為Planck常數(shù)，6.626×10-34J.S。

ΔE與磁場強(qiáng)度（Ho）成正比。給處于外磁場的質(zhì)子輻射一定頻率的電磁波，當(dāng)輻射所提供的能量恰好等于質(zhì)子兩種取向的能量差（ΔE）時，質(zhì)子就吸收電磁輻射的能量，從低能級躍遷至高能級，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。

1.3核磁共振譜儀及核磁共振譜的表示方法

1.3.1核磁共振結(jié)構(gòu)圖樣品管NS磁鐵磁鐵接受放大器射頻發(fā)生器射頻接受器記錄儀掃描發(fā)生器核磁共振儀磁體實圖磁體譜儀磁自動進(jìn)樣器探頭如圖，裝有樣品的玻璃管放在磁場強(qiáng)度很大的磁鐵的兩極之間，用恒定頻率的無線電波照射通過樣品。在掃描發(fā)生器的線圈中通直流電流，產(chǎn)生一個微小磁場，使總磁場強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到一定的值Ho時，樣品中某一類型的質(zhì)子發(fā)生能級躍遷，這時產(chǎn)生吸收，接受器就會收到信號，由記錄器記錄下來，得到核磁共振譜。如圖所示。1.3.2核磁共振譜圖的表示方法

1H受到一定頻率（ν）的電磁輻射，且提供的能量=ΔE，則發(fā)生共振吸收，產(chǎn)生共振信號。

2屏蔽效應(yīng)和化學(xué)位移2.1化學(xué)位移氫質(zhì)子（1H）用掃場的方法產(chǎn)生的核磁共振，理論上都在同一磁場強(qiáng)度（Ho）下吸收，只產(chǎn)生一個吸收信號。實際上，分子中各種不同環(huán)境下的氫，在不同Ho下發(fā)生核磁共振，給出不同的吸收信號。例如，對乙醇進(jìn)行掃場則出現(xiàn)三種吸收信號，在譜圖上就是三個吸收峰。如圖：這種由于氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，因而在不同磁場強(qiáng)度下產(chǎn)生吸收峰,峰與峰之間的差距稱為化學(xué)位移。2.2屏蔽效應(yīng)——化學(xué)位移產(chǎn)生的原因有機(jī)物分子中不同類型質(zhì)子的周圍的電子云密度不一樣，在外加磁場（H0）作用下，引起電子環(huán)流，電子環(huán)流圍繞質(zhì)子產(chǎn)生一個感應(yīng)磁場（H感應(yīng)），這個感應(yīng)磁場使質(zhì)子所感受到的磁場強(qiáng)度減弱了，即實際上作用于質(zhì)子的磁場強(qiáng)度比Ho要小。

H有效

=H0-H感應(yīng)這種由于電子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場對外加磁場的抵消作用稱為屏蔽效應(yīng)。H0誘導(dǎo)電子流核圖H核周圍電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)越大。

------屏蔽常數(shù)產(chǎn)生共振吸收所需要的H0越高，信號向高場移動2.3化學(xué)位移值

化學(xué)位移值的大小，可采用一個標(biāo)準(zhǔn)化合物為原點，測出峰與原點的距離，就是該峰的化學(xué)位移值，一般采用四甲基硅烷為標(biāo)準(zhǔn)物（TMS）。所以在NMR譜中，吸收峰的化學(xué)位移實際上是與TMS的相對值，用δ表示，單位ppm。

標(biāo)準(zhǔn)化合物TMS的δ值為0。

2.4影響化學(xué)位移的因素2.4.1誘導(dǎo)效應(yīng)

化學(xué)位移是由核外電子屏蔽作用引起的，因此任何影響核外電子密度的因素均會影響化學(xué)位移。

電負(fù)性大的取代基（如鹵素，硝基，氨基，羰基，羧基等）的誘導(dǎo)效應(yīng)均會降低核外電子的密度從而起了去屏蔽作用，產(chǎn)生的與外磁場方向相反的誘導(dǎo)磁場強(qiáng)度（H誘）減小.根據(jù)H掃=H0+H誘可知共振所需磁場強(qiáng)度相應(yīng)降低，即共振在較低磁場發(fā)生，則δ增大。δ值隨著鄰近原子或原子團(tuán)的電負(fù)性的增加而增加。如：

CH3—HCH3—BrCH3—ClCH3—NO2

δ值0.232.693.064.29δ值隨著H原子與電負(fù)性基團(tuán)距離的增大而減小。如：

CH3——CH2——CH2—Clδ值1.061.813.47

2.4.2電子環(huán)流效應(yīng)

A.雙鍵碳上的質(zhì)子

烯烴雙鍵碳上的H質(zhì)子位于π鍵環(huán)流電子產(chǎn)生的感生磁場與外加磁場方向一致的區(qū)域（稱為去屏蔽區(qū)），去屏蔽效應(yīng)的結(jié)果，使烯烴雙鍵碳上的H質(zhì)子的共振信號移向稍低的磁場區(qū)，其δ=4.5～5.7。同理，羰基碳上的H質(zhì)子與烯烴雙鍵碳上的H質(zhì)子相似，也是處于去屏蔽區(qū)，存在去屏蔽效應(yīng)，但因氧原子電負(fù)性的影響較大，所以，羰基碳上的H質(zhì)子的共振信號出現(xiàn)在更低的磁場區(qū)，其δ=9.4～10。

B.三鍵碳上的質(zhì)子：

碳碳三鍵是直線構(gòu)型，π電子云圍繞碳碳σ鍵呈筒型分布，形成環(huán)電流，它所產(chǎn)生的感生磁場與外加磁場方向相反，故三鍵上的H質(zhì)子處于屏蔽區(qū)，屏蔽效應(yīng)較強(qiáng)，使三鍵上H質(zhì)子的共振信號移向較高的磁場區(qū)，其δ=2～3。

C.芳環(huán)體系

隨著共軛體系的增大，環(huán)電流效應(yīng)增強(qiáng)，即環(huán)平面上、下的屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)，環(huán)平面上的去屏效應(yīng)增強(qiáng)。苯氫較烯氫位于更低場（7.27ppm）

4.3.3共軛效應(yīng)

苯環(huán)上的氫被推電子基（如CH3O）取代，由于p–π共軛，使苯環(huán)的電子云密度增大，δ值高場位移；拉電子基（如C=O、NO2）取代，由于π–π共軛，使苯環(huán)的電子云密度降低，δ值低場位移。特征質(zhì)子的化學(xué)位移值102345678910111213C3CHC2CH2C-CH3環(huán)烷烴0.2—1.5CH2ArCH2NR2CH2SC

CHCH2C=OCH2=CH-CH31.7—3CH2FCH2Cl

CH2BrCH2ICH2OCH2NO22—4.70.5(1)—5.56—8.510.5—12CHCl3(7.26)4.6—5.99—10OHNH2NHCR2=CH-RRCOOHRCHO常用溶劑的質(zhì)子的化學(xué)位移值D

小結(jié)：

3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。如乙醇CH3CH2OH中有三種氫其譜圖為3組質(zhì)子的面積積分比為3：2：14峰的裂分和自旋偶合4.1峰的裂分應(yīng)用高分辨率的核磁共振儀時，得到等性質(zhì)子的吸收峰不是一個單峰而是一組峰的信息。這種使吸收峰分裂增多的現(xiàn)象稱為峰的裂分。例如：碘乙烷的裂分圖示如下。

4.2自旋偶合

4.2.1自旋偶合的產(chǎn)生

在高分辨率核磁共振譜儀測定CH3CH2―I或CH3CH2OH時，CH3―和―CH2―的共振吸收峰都不是單峰，而是多重峰。產(chǎn)生的原因：

相鄰的磁不等性H核自旋相互作用（即干擾）的結(jié)果。這種原子核之間的相互作用，叫做自旋偶合。由自旋偶合引起的譜線增多的現(xiàn)象，叫做自旋裂分。偶合表示核的相互作用，裂分表示譜線增多的現(xiàn)象?，F(xiàn)以CH3CH2―I為例，討論自旋偶合與自旋裂分作用：首先，分析―CH3上的氫（以Ha表示）：它的鄰近―CH2―上有兩個H核（以Hb表示），Hb對Ha的影響可表示如下：∵H核的自旋量子數(shù)I=1/2，在磁場中可以有兩種取向，即：

+1/2（以↑表示）和－1/2（以↓表示）這樣，Hb的自旋取向的排布方式就有以下幾種情況：兩個Ha為等性H三個Hb為等性H我們討論Ha，Hb的偶合情況由此可見，裂分峰的數(shù)目有如下規(guī)律：

峰的數(shù)目=n+1

n：為相鄰H核的數(shù)目如：CH3CH2CH36+1=7重峰

4.2.2偶合常數(shù)偶合使得吸收信號裂分為多重峰，多重峰中相鄰兩個峰之間的距離稱為偶合常數(shù)（J），單位為赫（Hz）。

J的數(shù)值大小表示兩個質(zhì)子間相互偶合（干擾）的大小。等性氫之間不產(chǎn)生信號的自旋裂分。

4.2.3自旋偶合的限度（條件）

A磁等性質(zhì)子之間不發(fā)生偶合。

B兩個磁不等性質(zhì)子相隔三個σ鍵以上時，則不發(fā)生偶合。

C同碳上的磁不等性質(zhì)子可偶合裂分。4.3裂分峰數(shù)的計算

當(dāng)有不同化學(xué)位移的近鄰時（一種n個氫，另一種n’個氫,…),則顯示(n+1)(n’+1)…個峰.

如果這些不同化學(xué)位移的近鄰氫與某氫核的偶合常數(shù)相同，則可把這些氫的總數(shù)令其為n，仍按n+1規(guī)律計算分裂的峰數(shù).

由n+1規(guī)律所得的復(fù)峰，其強(qiáng)度比是雙峰１：１，三重峰１：２：１，即其強(qiáng)度比為(a+b)n展開式的系數(shù)比。例如：二送樣要求及注意事項填寫送樣卡，注明樣品重量及可能的分子量；選擇樣品溶解性好的氘代溶劑；純度≥90%；樣品量，氫譜:5mg/0.5ml,碳譜:>10mg/0.5ml；樣品瓶小于10mL在靠近樣品管管口1cm處貼上標(biāo)簽，標(biāo)簽上注明樣品名稱及溶劑并用膠帶紙貼緊；樣品中不應(yīng)含磁性物質(zhì)（如金屬元素等）；測試二維譜需要提供碳譜；樣品編號第一個字母一定符合本組編號，編號盡量不要和本組其他同學(xué)編號重合，最好4字符。送樣要求溶劑體積應(yīng)小于0.5ml/次（溶劑太多則濃度降低,測試時間延長,甚至測不出碳譜)，溶劑在樣品管內(nèi)的長度不超過3cm(節(jié)約溶劑)；樣品管外表擦干凈，否則會影響測試;特殊樣品請在送樣卡上注明；樣品管是否平直，粗細(xì)是否均勻，是否有裂痕；樣品管清洗后烘干，溫度低于120℃烘1小時以上，溫度太高，樣品管會變形；樣品管帽不要烘烤，否則會變形。注意事項二送樣要求及注意事項

溶解樣品要求樣品事先應(yīng)選好易溶的溶劑，加樣時避免公用滴管被樣品污染。溶劑每次吸滴管的三分之一溶解，一般2至3次，少量多次，所用溶劑高度如下。清洗樣品管用同溶劑，細(xì)鐵絲的另一端折成小鉤，清洗三次，或用強(qiáng)極性溶劑清洗，最后用丙酮清洗兩次。溶劑高度3cm吸滴管1/3的溶劑溶解

測定氫譜由于1H（99.98%)、13C(1.1%)的天然豐度相差極大,導(dǎo)致氫譜(2min)和碳(>30min)的測試時間差別巨大，因此根據(jù)氫譜判斷樣品的純度和濃度，是決定是否繼續(xù)測試及累加次數(shù)和時間的關(guān)鍵。與圖1對應(yīng)的碳譜雜質(zhì)峰圖1積分面積不成比例的氫譜純度不夠雜質(zhì)峰

根據(jù)氫譜的積分面積、峰形及峰的裂分情況，可以判斷樣品的純度及化合物大概類型。通常積分面積與質(zhì)子數(shù)成比例，峰形尖銳，裂分較好的樣品純度高，反之純度較低。圖2峰形不尖銳，裂分不好的氫譜純度不夠圖3正常圖譜雜質(zhì)峰含有幾個物質(zhì)圖4積分面積不成比例的氫譜積分值不成比例0.343/0.475/1與圖4對應(yīng)的碳譜雜質(zhì)峰三測樣流程將樣品管插入轉(zhuǎn)子在量規(guī)中測量并確定樣品溶液與轉(zhuǎn)子的相對位置樣品放入磁體鎖場(lock)勻場(shim)自動調(diào)節(jié)增益（rga）開始采樣(zg)采樣結(jié)束后傅立葉變換(ft)積分(integrate)打印(plot)根據(jù)以下步驟可完成樣品測試，其中勻場在測樣流程中最關(guān)鍵勻場是重要步驟勻場的目的是將磁體中探頭附近的磁場調(diào)均勻，使輸出信號最強(qiáng)勻場主要調(diào)整的是各個線圈的電流值一般勻場時僅須調(diào)整z1,z2,z3即可各個參數(shù)間會有相互影響，應(yīng)反復(fù)調(diào)整勻場好壞可根據(jù)鎖線的高度來判斷勻場到一定程度后，應(yīng)采樣

從譜圖來查看勻場的好壞：峰形是否對稱峰越細(xì)（半峰寬越小）越好單峰不應(yīng)有裂峰型與磁場的矢量關(guān)系調(diào)節(jié)完成后，應(yīng)采樣以確定勻場的效果四常用圖譜介紹

推導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)常用核磁共振譜主要有1D氫譜，碳譜，DEPT,2D氫氫相關(guān)cosy譜，碳?xì)湎嚓P(guān)hsqc譜，碳?xì)溥h(yuǎn)程相關(guān)hmbc譜，空間構(gòu)型的noesy譜，氫氫全相關(guān)tocsy譜，碳?xì)淙嚓P(guān)hsqc-tocsy譜。根據(jù)1D推出化合物的大概化學(xué)結(jié)構(gòu)，再用2D來驗證化學(xué)結(jié)構(gòu)。

以如下化合物為例進(jìn)行介紹。HOCH2OHOH12345678910Formula:C10H14O3Mass:182H-9H-10H-7H-8H-3H-4H-2OH-1苯環(huán)及取代基效應(yīng)使氫的化學(xué)位移拉開，此化合物的氫譜可按n+1規(guī)律分析。10位和7位的OH在氫譜上很難出現(xiàn)，因為氘代的甲醇溶劑會把活潑氫交換掉，因此1位OH比較弱，7、10位OH基本看不到。C-7C-1C-9C-8C-10C-6C-5C-4C-3C-2C-7DEPT135

CHCH3

DEPT90

CH

CH2

13C

H-4H-3H-4H-3H-7H-10H-8H-9H-2H-9H-8H-7H-9H-10

H-HCOSY反映的是鄰位相關(guān)C-4C-6C-2C-3C-5C-7C-10C-8C-9C-1H-4H-3H-7H-10H-8H-9H-2

C-HCOSY(HSQC)反映的是同碳?xì)湎嚓P(guān)H-4H-7C-8C-1C-6C-5C-9C-7C-10H-2H-4H-3H-10H-8H-9C-4

HMBC主要反映的是2J、3J碳?xì)湎嚓P(guān)H-4H-3H-8H-7H-9H-3H-2H-7H-10H-8H-9

ROESY反映的是質(zhì)子的相對空間位置H-2H-4H-3H-2H-3H-4H-7H-10H-8H-9H-10H-9H-7H-8H-H全相關(guān)TOCSYH-4H-2H-3C-2C-4C-3H-4H-2H-7H-10H-8H-9C-9C-8C-10C-7

C-H全相關(guān)

HSQC-TOCSY

TOCSY未觀察到1'與4′、6′的相關(guān)，可能原因為：1′與4′、6′處于平面的上下。

HSQC-TOCSY未觀察到1′與4′、6′的相關(guān)，可能原因為：1′與4′、6′處于平面的上下。累加次數(shù)樣品名圖譜編號時間儀器型號接收機(jī)增益（判斷濃度）溶劑馳豫時間所測核混合時間采樣點數(shù)儀器頻率偶合常數(shù)=儀器頻率×峰與峰之間的差值儀器頻率GottliebHE,KotlyarV,NudelmanA.J.Org.Chem.1997,62,7512常見溶劑化學(xué)位移GottliebHE,KotlyarV,NudelmanA.J.Org.Chem.1997,62,7512常見溶劑化學(xué)位移吡啶'C5H5N+CHCl3+CH3OH+CH3COCH3+CH3CH2OH+CH3COOCH3+石油醚Ｈ混合混合溶劑圖混合溶劑圖C5H5N+CHCl3+CH3OH+CH3COCH3+CH3CH2OH+CH3COOCH3+石油醚Bruker－400兆核磁譜儀

手動操作進(jìn)入程序界面譜圖顯示譜圖處理工具相位調(diào)整化學(xué)位移校正積分工具多重顯示譜圖打印參數(shù)在文件菜單中，選擇“Search”，打開一個已經(jīng)存在的譜圖使用Search打開譜圖后打開譜圖后當(dāng)前打開的譜圖所使用的各種參數(shù)將自動調(diào)入計算機(jī)應(yīng)使用edc命令建立新的文件名，否則采樣后會將原圖覆蓋無需在使用RPAR命令做其他實驗時edc命令，在打開的對話框中重新設(shè)置文件名和目錄需使用RPAR命令調(diào)入相應(yīng)的實驗getprosol調(diào)入與探頭有關(guān)的參數(shù)準(zhǔn)備將樣品管放入磁體將樣品管外表擦干凈將樣品管插入轉(zhuǎn)子在量規(guī)中測量并確定樣品溶液與轉(zhuǎn)子的相對位置回到在程序界面準(zhǔn)備進(jìn)樣打開程序的窗口菜單單擊此按鈕打開進(jìn)樣對話框準(zhǔn)備進(jìn)樣將樣品放入到磁體樣品室中讓樣品管旋轉(zhuǎn)打開旋轉(zhuǎn)使用此按鈕調(diào)整旋轉(zhuǎn)速率，缺省為２０Ｈｚ旋轉(zhuǎn)正常后，這個按鈕變成粉紅色樣品管已經(jīng)旋轉(zhuǎn)鎖場前查看場是否偏移使用命令lockdisp打開鎖線窗口查看鎖線的兩個峰值是否在窗口的中間位置如果鎖線不在中間位置，需要調(diào)整field參數(shù)，將鎖線的兩個峰值調(diào)到窗口的中間察看鎖線窗口中鎖線的狀態(tài)lock輸入Lock命令，鎖場在Lock對話框中選擇溶劑鎖場成功后，鎖線發(fā)生變化，開始升高此按鈕變色鎖場成功單擊Lock按鈕，打開鎖場對話框點擊這些按鈕，并修改數(shù)值調(diào)節(jié)各方向磁場強(qiáng)度鎖場成功單擊此按鈕打開勻場對話框勻場是重要步驟勻場的目的是將磁體中探頭附近的磁場調(diào)均勻，是輸出信號最強(qiáng)勻場主要調(diào)整的是各個線圈的電流值通常只有z1,z2,z3,z4,z5