第12章核磁共振波谱法.ppt

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1、第12章 核磁共振波谱法,利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR,将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振,在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用,概论,与紫外、红外比较,共同点都是吸收光谱,概论,NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。 分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析方法,概论,12.1核磁共振基本原理,原子核具有质量并带正电荷，大多数核有自旋现象，在自旋时产生磁矩，

2、磁矩的方向可用右手定则确定，核磁矩和核自旋角动量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比地增加 = P,磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。是磁性核的一个特征常数,12.1.1 原子核的自旋和磁矩,例：H原子H=2.68108T-1S-1(特斯拉-1 秒-1) C13核的C =6.73107 T-1S-1,代入上式得:,当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I0,原子核才有自旋角动量和自旋现象,核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量子数 I 的关系如下:,（ = P）,12.1.1原子核的自旋和磁矩,实践证明,核自旋与核的质量数,质子数和中子数有关,12.1.1

3、原子核的自旋和磁矩,I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核表面,如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15 它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适宜检测,目前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振谱,12.1.1原子核的自旋和磁矩,(一)核自旋能级 把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示 m=I, I-1, I-2, -I 每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核只有两种取向 I=1的核在B0中有三种取向,12.1.2 磁矩的空间量子化,与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E

4、 1/2= B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0,I=1/2的氢核,12.1.2 磁矩的空间量子化,Pz为自旋角动量在Z轴上的分量 核磁矩在磁场方向上的分量 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能E, 即各能级的能量为 E=ZB0,E 1/2= B0 E-1/2= B0,12.1.2 磁矩的空间量子化,I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系,由式 E = ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 E=E2E1= B0 (B0) = 2 B0 E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能级分裂越大, E越大,12.1.2

5、磁矩的空间量子化,如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的核，且射频频率恰好满足下列关系时： h =E E=2 B0 （核磁共振条件式）,处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态，这种现象叫做核磁共振现象。,I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频的频率，即共振频率。,自旋核的跃迁能量,12.1.3 核磁共振的条件,对自旋量子数I=1/2的同一核来说,，因磁矩为一定值，为常数，所以发生共振时，照射频率的大小取决于外磁场强度的大小。外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也相应增加；反之，则减小。,产生核磁共振光谱的条件,12.1.3 核磁共振的条件,12.2.1 屏蔽常数,任何原子核都被电子

6、云所包围,当1H核自旋时,核周围的电子云也随之转动，在外磁场作用下，会感应产生一个与外加磁场方向相反的次级磁场，实际上会使外磁场减弱，这种对抗外磁场的作用称为屏蔽效应.,如图所示，1H核由于在化合物中所处的化学环境不同，核外电子云的密度也不同，受到的屏蔽作用的大小亦不同，所以在同一磁场强度B0 下，不同 1H核的共振吸收峰频率不同。,12.2.1 屏蔽常数,影响屏蔽常数的因素： 原子屏蔽原子屏蔽可指孤立原子的屏蔽，也可指分子中原子的电子壳层的局部屏蔽，称为近程屏蔽效应。 分子内屏蔽：指分子中其他原子或原子团对所要研究原子核的磁屏蔽作用。 分子间屏蔽：指样品中其他分子对所要研究的分子中核的屏蔽作

7、用。影响这一部分的主要因素有溶剂效应、介质磁化率效应、氢键效应等。,12.2.2 化学位移的定义,由于氢核具有不同的屏蔽常数，引起外磁场或共振频率的移动，这种现象称为化学位移。固定照射频率, 大的原子出现在高磁场处, 小的原子出现在低磁场处,12.2.2 化学位移的定义,化学位移有两种表示方法： 1. 用共振频率差( )表示，单位Hz。 (12-8) 由于是个常数，因此共振频率差与外磁场的磁感应强度B0呈正比。这样同一磁性核，用不同磁场强度的仪器测得的共振频率差是不同的。所以用这种方法表示化学位移时，需注明外磁场的磁感应强度B0。,12.2.2 化学位移的定义,2. 用值表示 化学位移定义为：

8、 该表达式也适用于脉冲NMR法。 对于扫场法，固定的是发射机的射频频率，因此样品S和参比物R的共振频率满足： 此时定义化学位移为：,12.2.2 化学位移的定义,两种表示方法可通过下图进一步了解：,（一）自旋偶合和自旋裂分 化学位移是磁性核所处化学环境的表征，但是在核磁共振波谱中化学位移等同的核，其共振峰并不总表现为一个单一峰。,12.3 自旋-自旋耦合,12.3.1 自旋自旋耦合和耦合常数J,氢核吸收峰的裂分是因为分子中相邻氢核之间发生了自旋相互作用，自旋核之间的相互作用称为自旋自旋偶合。 自旋偶合不影响化学位移，但会使吸收峰发生裂分，使谱线增多，简称自旋裂分。,12.3.1 自旋自旋耦合和

9、耦合常数J,（二）偶合常数,自旋偶合产生峰裂分后，裂分峰之间的间距称为偶合常数，用J表示，单位为Hz。 J 值大小表示氢核间相互偶合作用的强弱。与化学位移不同，不因外磁场的变化而变化，受外界条件的影响也很小。偶合常数有以下规律： （1）J 值的大小与B0无关。影响J值大小的主要因素是原子核的磁性和分子结构及构象。因此，偶合常数是化合物分子结构的属性。 （2）简单自旋偶合体系J值等于多重峰的间距，复杂自旋偶合体系需要通过复杂计算求得。 超过三个化学键的J耦合一般较弱。,12.3.1 自旋自旋耦合和耦合常数J,12.3.2 自旋自旋耦合分裂的规律,由于邻近核的耦合作用，NMR谱线发生分裂。在一级近

10、似下，谱线分裂的数目N与邻近核的自旋量子数I和核的数目n有如下关系： 当I = 1/2时，N = n+1，称为“n+1规律”。谱线强度之比遵循二项式展开式的系数比，n为引起耦合分裂的核数。下面以“CH2CH3”基团的1H NMR谱线分裂情况为例进行说明。,2. 自旋裂分峰数目及强度,（1）化学环境完全相同的原子，虽然它们有很强的偶合作用，但无裂分现象。 例：-CH3不发生裂分 （2）分子中化学位移相同的氢核称为化学等价核；把化学位移相同，核磁性也相同的称为磁等价核。磁等价核之间虽有偶合作用，但无裂分现象，在NMR谱图中为单峰。 例如：Cl-CH2-CH2-Cl 分子中， -CH2上的氢核皆是磁

11、等价核，出现的信号强度相当于4个 H 核的单峰 化学位移相同，偶合常数也相同，磁等价核一定是化学等价核,12.3.2 自旋自旋耦合分裂的规律,磁不等价核之间才能发生自旋偶合裂分。如下情况是磁不等价 氢核 A：化学环境不相同的氢核； B：与不对称碳原子相连的-CH2上的氢核 C：固定在环上的-CH2中的氢核； D：单键带有双键性质时，会产生磁不等价氢核 E：单键不能自由旋转时，也会产生磁不等价氢核。,12.3.2 自旋自旋耦合分裂的规律,（3）一组相同氢核自旋裂分峰数目由相邻氢核数目n 决定 裂分峰数目遵守n+1规律相邻n个H，裂分成n+1峰 氢核相邻一个H原子，H核自旋方向有两种，两种自旋取向

12、方式 （顺着磁场方向，反着磁场方向） 氢核相邻两个H原子，H核自旋方向有四种，四种自旋取向方式 1/4 1/4 1/4 1/4 氢核相邻三个H原子，H核裂分为四重峰。强度比为1 3 3 1,-CH2的这四种取向对邻近H 峰影响，裂分成三重峰，强度比为12 1,1/2,12.3.2 自旋自旋耦合分裂的规律,（4）裂分峰之间的峰面积或峰强度之比符合二项展开式各项系数比的规律。（a+b）n n为相邻氢核数 n=1 （a+b）1 11 n=2 （a+b）2 12 1 n=3 （a+b）3 133 1 （5）氢核邻近有两组偶合程度不等的H 核时，其中一组有n个，另一组有n+1个，则这组H 核受两组 H

13、核自旋偶合作用，谱线裂分成(n+1)(n+1)重峰。,12.3.2 自旋自旋耦合分裂的规律,1. 电子结构对耦合常数的影响 (1). 核周围电子密度对耦合常数的影响 电子密度增加，传递耦合的能力增强，耦合常数增大。原子序数增加，核周围电子密度也增加，耦合常数也增大。 (2). 化学键对耦合常数的影响 相隔化学键数目多，耦合常数小；多重键耦合常数值大；相隔超过三个化学键的远程耦合可以忽略不计。,12.3.3 耦合常数与分子结构的关系,2. 几何结构对耦合常数的影响 一般地，键长越长耦合越弱。 其中nJ表示通过n个化学键相连的两个核之间的耦合常数，K值取决于相互耦合核的种类和耦合途径中化学键的长度

14、和性质。 而键角与耦合常数的关系则为： 式中为两个CCH平面的夹角即二面角，A、B、C为与分子结构有关的常数。,12.3.3 耦合常数与分子结构的关系,12.4.1 谱仪的基本组件 磁体：产生强的静磁场。 射频源：用来激发核磁能级之间的跃迁。 探头：位于磁体中心的圆柱形探头作为NMR信号检测器，是NMR谱仪的核心部件。样品管放置于探头内的检测线圈中。 接收机：用于接收微弱的NMR信号，并放大变成直流的电信号。 匀场线圈：用来调整所加静磁场的均匀性，提高谱仪的分辨率。 计算机系统：用来控制谱仪，并进行数据显示和处理。,12.4 核磁共振谱仪,把射频场连续不断地施加到样品上，即用连续波激发自旋系统

15、。,12.4.2 连续波NMR谱仪,NMR信号观测系统：包括射频激发单元、探头、接收系统等。 稳定磁场系统：包括电源、稳场系统等，用来提高磁场强度的稳定性，从而提高谱线的重复性。 磁场均匀化系统：包括匀场系统、样品旋转系统等，主要用来提高仪器的分辨率。 此外，NMR谱仪还常常配备有双共振系统和变温系统等。,12.4.2 连续波NMR谱仪,在连续波谱仪上加脉冲发生器和计算机数据采集处理系统，就构成了PFT NMR谱仪。,12.4.3 脉冲傅里叶变换NMR谱仪,PFT NMR谱仪包含以下三大部分： NMR信号观测系统：包括脉冲发生器、射频系统、探头、接收系统、计算机控制和数据处理系统。 稳定磁场系

16、统：与连续波NMR谱仪基本一样。 磁场均匀化系统：与连续波NMR谱仪基本一样。,12.4.3 脉冲傅里叶变换NMR谱仪,分辨率：有相对和绝对分辨率，表征波谱仪辨别两个相邻共振信号的能力，即能够观察到两个相邻信号1和2各自独立谱峰的能力，以最小频率间隔|12|表示。 稳定性：包括频率稳定性和分辨率稳定性。衡量办法是连续记录相隔一定时间的两次扫描，测量其偏差。 灵敏度：分为相对灵敏度和绝对灵敏度。在外磁场相同、核数目相同及其他条件一样时，以某核灵敏度为参比，其他核的灵敏度与之相比称为相对灵敏度。,12.4.4 波谱仪的三大技术指标,超导NMR谱仪向高磁场方向发展 探头的改进 场频联锁技术 LC-N

17、MR联用技术 微成像和医用谱仪,12.4.5 NMR谱仪的近期进展,12.5.1 核磁共振氢谱的特点 质子的磁旋比较大，天然丰度为99.98，其NMR信号的绝对灵敏度是所有磁性核中最大的。 质子是有机化合物中最常见的原子核，1H NMR谱在有机化合物结构解析中最常用。 化学位移数值反映质子的化学环境。 谱峰面积与其代表的质子数目呈正比。,12.5 一维核磁共振氢谱,二乙基丙二酸CH2(COOCH2CH3)2，从低场到高场共有三组峰： 4.2的四重峰是亚甲基的共振信号， 3.3的单峰是与羰基相连的碳原子上氢的共振信号， 1.2的三重峰则是甲基的共振信号。它们之间峰面积之比(即积分曲线高度之比)为

18、2:1:3，等于相应三个基团的质子数之比。,12.5.1 核磁共振氢谱的特点,化合物中，质子不是孤立存在，其周围还连接着其他的原子或基团，它们彼此之间的相互作用影响质子周围的电子云密度，从而使吸收峰向低场或高场移动。 影响质子化学位移的因素主要有：诱导效应、共轭效应、磁各向异性效应、范德华效应、溶剂效应和氢键效应等。 其中诱导效应、共轭效应、磁各向异性效应和范德华效应为分子内作用。 溶剂效应为分子间作用，氢键效应则在分子内和分子间都会产生。,12.5.2 氢谱中影响化学位移的主要因素,诱导效应 1H核受一个或几个电负性较强原子或基团的拉电子作用，则周围的电子云密度降低，屏蔽效应降低，化学位移值

19、增大，吸收峰左移。 若1H核与一个或几个给电子基团连接，则其周围的电子云密度增加，屏蔽效应增加，化学位移值减小，吸收峰右移。 诱导效应还与取代基的数目以及取代基与观测核的距离大小有关。,12.5.2 氢谱中影响化学位移的主要因素,12.5.2 氢谱中影响化学位移的主要因素,共轭效应 电负性较强的原子存在并以单键形式连接到双键上，由于发生p-共轭，电子云自电负性原子向键方向移动，使键上相连的1H电子云密度增加，因此降低，共振吸收移向高场。 电负性较强的原子以不饱和键的形式连接，且产生-共轭，则电子云将移向电负性原子，使键上连接的1H电子云密度降低，因此变大，共振吸收移向高场。,12.5.2 氢谱

20、中影响化学位移的主要因素,磁各向异性效应：如果分子具有多重键或共轭多重键，在外磁场作用下，电子会沿着分子的某一方向流动，它对邻近的质子附加一个各向异性的磁场，使某些位置的质子处于该基团的屏蔽区，值移向高场，而另一些位置的质子处于该基团的去屏蔽区，值移向低场。 诱导效应通过化学键传递，而磁各向异性效应则通过空间相互作用。 范德华效应：当两个原子相互靠近时，由于受到范德华力作用，电子云相互排斥，导致原子核周围电子云密度降低，屏蔽减小，谱线向低场移动，这种效应称为范德华效应。,12.5.2 氢谱中影响化学位移的主要因素,氢键：氢的化学位移对氢键很敏感。当分子形成氢键后，由于静电场的作用，使氢外围电子

21、云密度降低而去屏蔽，值增加，也就是说，无论是分子内还是分子间氢键的形成都使氢受到去屏蔽作用。 溶剂效应：同一化合物在不同溶剂中的化学位移会有所差别，这种由于溶质分子受到不同溶剂影响而引起的化学位移变化。,12.5.2 氢谱中影响化学位移的主要因素,同碳耦合常数：连接在同一碳原子上的两个磁不等价质子之间的耦合常数称为同碳耦合常数。通常用2J或 2JH-H (J同)来表示，一般为负值，变化范围较大。 邻碳耦合常数：邻碳耦合是相邻碳上质子通过3个化学键的耦合，其耦合常数用3J或J邻表示。3J一般为正值，大小通常在016 Hz之间。 芳环及芳环上氢的耦合：苯及苯的衍生物中邻、间、对位氢的耦合常数是不同

22、的。邻位耦合常数比较大，一般6 10 Hz (3键)，间位1 3 Hz (4键)，对位耦合很小，在0 1 Hz (5键)。,12.5.3 氢谱中耦合常数的特点,远程耦合：经由3个以上化学键的核间耦合称为远程耦合。一般情况下，饱和化合物中远程耦合常数很小(1 Hz)，可以忽略。 常见的远程耦合有：芳环和杂芳环上质子的耦合；折线型耦合 氢和其他核的耦合：质子和其他磁性核如13C、19F、31P的耦合常会遇到。,12.5.3 氢谱中耦合常数的特点,一级1H NMR谱具有以下特征信息： 吸收峰的组数，代表分子中处于不同化学环境的质子种类。 从谱图中可直接得到J和值。各组峰中心为该组质子的化学位移，其数

23、值说明分子中基团的情况；各峰之间的裂距(相等)为耦合常数J，其数值与化学结构密切相关。 各组峰的分裂符合n+1规律，分裂数目说明各基团的连接关系，分裂后各组峰强度比符合(a+b)n展开式系数比。 吸收峰的面积与产生该吸收峰的质子数呈正比。,12.5.4 氢谱的解析,分析图谱的一般步骤为： 1. 检查谱图是否符合规则： 2. 标识杂质峰、溶剂峰、旋转边带等非待测样品的信号。 3. 计算不饱和度。 4. 确定各组峰代表的质子数。 5. 推出可能的结构单元。 6. 识别谱中的一级裂分谱，验证J值。 7. 解析高级谱， 8. 结合其他分析方法数据推导化合物的结构。 9. 仔细核对各组信号的化学位移和耦

24、合常数。,12.5.4 氢谱的解析,12.6 一维核磁共振碳谱,12.6.1 13C NMR的特点 （1）化学位移范围宽 （2）可检测不与氢相连的碳的共振 吸收峰 （3）灵敏度低，耦合复杂 （4）13C核的自旋晶格弛豫时间T1较长。 （5）谱峰强度不与碳原子数呈正比,概述： 核磁矩：1H=2.79270; 13C=0.70216 磁旋比为质子的1/4； 相对灵敏度为质子的1/5600；,12.6.2 碳谱中影响化学位移的主要因素,1. 碳的轨道杂化 c值受碳原子杂化的影响，其次序与H平行，一般情况下，屏蔽常数 。 2. 诱导效应 3. 空间效应：13C化学位移对分子的几何形状非常敏感，分子的空

25、间构型对其影响很大。相隔几个键的碳，如果它们的空间距离非常近，将互相发生强烈的影响。,12.6.2 碳谱中影响化学位移的主要因素,4. 共轭效应 5. 电场效应：带电基团引起的屏蔽作用，如解离后的羧基、质子化的氨基等。一般说来，基团质子化后，其和碳向高场位移约 0.15 4，而 和碳的位移小于 1。,12.6.2 碳谱中影响化学位移的主要因素,6. 重原子效应：电负性取代基对被取代的脂肪碳的屏蔽影响主要为诱导效应。 7. 同位素效应：分子中的质子被其重同位素氘(2H)取代后，由于平均电子激发能的增加，导致相连碳的化学位移值减小，称为同位素效应。 8. 分子内氢键 9. 介质效应,12.6.3

26、碳谱中的耦合现象,13C-13C偶合的几率很小（13C天然丰度1.1%）； 13C- 1H偶合；偶合常数1JCH：100-250 Hz；峰裂分；谱图复杂 去偶方法： (1)质子噪声去偶或宽带去偶(proton noise decoupling or boradband decoupling) ： 采用宽频带照射，使氢质子饱和； 去偶使峰合并，强度增加 (2)质子偏共振去偶：识别碳原子类型； 弛豫： 13C的弛豫比1H慢，可达数分钟；采用PFT-NMR可测定，提供空间位阻、各向异性、分子大小、形状等信息；,12.6.4 碳谱的解析,(1). 由分子式计算出不饱和度。 (2). 分析13C NMR

27、的质子宽带去耦谱，识别杂质峰，排除干扰。 (3). 由各峰的值分析sp3、sp2、sp杂化的碳各有几种，此判断应与不饱和度相符。 (4). 由偏共振谱分析与每种化学环境不同的碳直接相连的氢原子的数目，推导出可能的基团及与其相连的可能基团。 (5). 综合以上分析，推导出可能的结构，进行必要的经验计算以进一步验证结构。 (6). 化合物结构复杂时，需其他谱(MS，1H NMR，IR，UV)配合解析。 (7). 化合物不含氟或磷，谱峰的数目大于分子式中碳原子的数目，可能有以下情况存在：1异构体；2溶剂峰；3杂质峰。,12.6.4 碳谱的解析,12.7.1 二维NMR波谱概况,1. 二维核磁共振谱的

28、形成 一维谱的信号是一个频率的函数，记为S()，共振峰分布在一条频率轴上。 二维谱信号是二个独立频率变量的函数，记为S(1, 2)，共振峰分布在两个频率轴组成的平面上。 磁共振谱由一维扩展到二维，大大降低了谱线的拥挤和重叠程度，并提供了核自旋之间相互关系的新信息，对分析诸如生物大分子等复杂体系特别有用，因此2D NMR谱一经提出便获得迅速发展。,12.7 二维核磁共振波谱简介,1. 二维核磁共振谱的形成 (1). 频率域实验 (2). 混合时域、频率域实验 (3). 二维时域实验,12.7 二维核磁共振波谱简介,1. 二维核磁共振谱的形成 (1). 频率域实验 (2). 混合时域、频率域实验

29、(3). 二维时域实验 2. 二维核磁共振谱的表现形式 (1). 堆积图 (2). 等高线图,12.7 二维核磁共振波谱的分类,1. 二维J分解谱 在演化期t1和检测期t2之间，若不存在混合期和混合脉冲，那么由于自旋体系在t1和t2期间受到的作用不同，获得的信息也不同。这种实验得到的二维谱称为二维J分解谱，它把化学位移和自旋耦合的作用分离开来。 2. 二维相关谱 可分为三种：二维化学位移相关谱，二维NOE谱，二维交换谱。,12.7 二维核磁共振波谱的分类,3. 多量子谱 通常我们所测定的核磁共振谱线由单量子跃迁(m = 1)产生，发生多量子跃迁时m为大于1的整数。 如果预备期不是建立单量子相干

30、，而是建立多量子相干，这种实验得到的二维相关谱称为二维多量子谱。 多量子NMR技术通过检测“禁阻”跃迁来简化复杂的一维和二维谱图，已被广泛应用于多维高分辨NMR谱的谱图编辑和信号增强。 适用于像质子这种核自旋量子数I = 1/2的自旋体系，也适用于其他核自旋量子数大于1/2的体系。,12.8 核磁共振应用简介,12.8.1 在有机化学中的应用：是有机化学结构研究中最有用的工具之一。 12.8.2 在聚合物研究中的应用：高分辨NMR技术已成为一种分析聚合物的微观化学结构，构象和弛豫现象等非常有效的手段。 12.8.3 核磁共振在石油化学中的应用：提供原油和精炼产品中化合物的化学组成及结构信息。 12.8.4 核磁共振在生命化学中的应用：NMR新技术特别是二维NMR技术的迅速、全面发展，开辟了解析高分子量蛋白质、核酸、糖类等生命物质的新天地。,