核磁共振波谱法课件

第12章 核磁共振波谱法 n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 n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 n共同点都是吸收光谱 紫外-可见见红红外核磁共振 吸收 能量 紫外可见见 光 200780 nm 红红外光 780nm10 00m 无线电线电 波 1100m波长长 最长长，能量 最小,不能发发 生电电子振动动 转动转动 能级跃级跃 迁 跃跃迁 类类型 电电子能级级 跃跃迁 振动动能级级 跃跃迁 自旋原子核 发发生能级跃级跃 迁 概论 nNMR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。 n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，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 n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 n例：H原子H=2.68108T-1S-1(特斯拉-1 秒-1) C13核的C =6.73107 T-1S-1 n代入上式得: n当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I 0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象 n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 质质量数 为为偶数 原子序 数为为偶 数 自旋量子 数为为0 无自旋 12C6,32S1 6,16O8 质质量数 为为偶数 原子序 数为为奇 数 自旋量子 数为为1,2,3 有自旋 14N7 质质量数 为为奇数 原子序 数为为奇 或偶数 自旋量子 数为为 1/2,3/2,5/ 2 有自旋 1H1, 13C6 19F9,31P1 5 12.1.1原子核的自旋和磁矩 nI=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 n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 n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 n m=I, I-1, I-2, -I n每种取向各对应一定能量状态 n I=1/2的氢核只有两种取向 n 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 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 nPz为自旋角动量在Z轴上的分量 n核磁矩在磁场方向上的分量 n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 n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 nE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 无磁场 B0外加磁场 E1= B0 E2= B0 E=2 B0 m= -1/2 m= +1/2 12.1.2 磁矩的空间量子化 n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： n h =E E=2 B0 （核磁共振条件式） n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 磁性核h =E 高能级 低能级 12.1.3 核磁共振的条件 n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 n任何原子核都被电子云所包围,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. n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 n影响屏蔽常数的因素： n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。 n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。 n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： 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 n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 n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。 n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 自旋自旋耦合和耦合常数J （二）偶合常数 n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。 n 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： n（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。 n（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。 n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 n由于邻近核的耦合作用，NMR谱线发生分裂 。在一级近似下，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： n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 n 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 n 裂分峰数目遵守n+1规律相邻n个H，裂分成n+1峰 n 氢核相邻一个H原子，H核自旋方向有两种，两种自旋取 向方式 （顺着磁场方向，反着磁场方向） n 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 n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 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 n1. 电子结构对耦合常数的影响 n(1). 核周围电子密度对耦合常数的影响 n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。 n(2). 化学键对耦合常数的影响 n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 n2. 几何结构对耦合常数的影响 n一般地，键长越长耦合越弱。 n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和性质。 n而键角与耦合常数的关系则为： n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 n12.4.1 谱仪的基本组件 n磁体：产生强的静磁场。 n射频源：用来激发核磁能级之间的跃迁。 n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。 n接收机：用于接收微弱的NMR信号，并放大变 成直流的电信号。 n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。 n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 n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。 12.4.2 连续波NMR谱仪 nNMR信号观测系统：包括射频激发单元 、探头、接收系统等。 n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。 n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。 n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 n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 nPFT NMR谱仪包含以下三大部分： nNMR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。 n稳定磁场系统：与连续波NMR谱仪基本 一样。 n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 n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。 n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。 n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 n超导NMR谱仪向高磁场方向发展 n探头的改进 n场频联锁技术 nLC-NMR联用技术 n微成像和医用谱仪 12.4.5 NMR谱仪的近期进展 n12.5.1 核磁共振氢谱的特点 n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。 n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 。 n化学位移数值反映质子的化学环境。 n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 n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 n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。 n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。 n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。 n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 n诱导效应 n 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，化学位移值增大，吸收峰左移。 n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。 n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 n共轭效应 n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。 n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 氢谱中影响化学位移的主要因素 n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。 n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。 n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 n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。 n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 n 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。 n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。 n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)。 n 12.5.3 氢谱中耦合常数的特点 n 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。 n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 n 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 n一级1H NMR谱具有以下特征信息： n吸收峰的组数，代表分子中处于不同化学环境 的质子种类。 n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。 n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。 n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 n分析图谱的一般步骤为： n1. 检查谱图是否符合规则： n2. 标识杂质峰、溶剂峰、旋转边带等非待测样 品的信号。 n3. 计算不饱和度。 n4. 确定各组峰代表的质子数。 n5. 推出可能的结构单元。 n6. 识别谱中的一级裂分谱，验证J值。 n7. 解析高级谱， n8. 结合其他分析方法数据推导化合物的结构。 n9. 仔细核对各组信号的化学位移和耦合常数。 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； H0 E I= I= H splitting C splitting 12.6.2 碳谱中影响化学位移的主要因素 n1. 碳的轨道杂化 nc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 。 n2. 诱导效应 n3. 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 n4. 共轭效应 n5. 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 n6. 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。 n7. 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。 n8. 分子内氢键 n9. 介质效应 12.6.3 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 n1. 二维核磁共振谱的形成 n一维谱的信号是一个频率的函数，记为S()，共振 峰分布在