[文学]7核磁共振波谱法08药.ppt

第 7 章核磁共振波谱法 (nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR ),7-1 概述 7-6 一级图谱与图谱解析 7-2 基本原理 7-7 高级图谱与简化方法 7-3 核磁共振波谱仪 7-8 碳谱简介 7-4 化学位移 7-5 自旋偶合与自旋系统,7-1 概述,UV、IR官能团信息，但官能团之间的连接？,核磁共振波谱图可提供物质结构的下列信息,峰 的 组 数: 了解分子中有多少种化学环境不一样的质子 峰的强度(面积)比: 每种质子的数目(相对)是多少 峰 的 位 置(): 每种质子所处的化学环境、分子中的位置 峰 的 裂 分 数 : 相邻碳原子上质子数； 偶 合 常 数 (J): 确定化合物构型。,与UV、IR比较,共同点都是吸收光谱,NMR发展简史,1946年哈佛大学的purcell与斯坦福大学的Bloch等人发现, 1952年获诺贝尔奖 。,1951年Arnold等发现乙醇的核磁共振谱由三组峰（CH3、CH2、OH）组成，发现了化学位移，进而发现了偶合现象，从而NMR开始被化学家所重视。,1953年，出现了第一台30 MHz连续波核磁共振波谱仪(CW-NMR)商品，,1958年出现了60 MHz仪器，而使1H-NMR、19F-NMR及 51P-NMR得到迅速发展。,60年代初期出现了100 MHz仪器，相继出现脉冲Fourier变换NMR(PFT-NMR或简称 FT-NMR)技术。,由于计算机的发展及1965年Coaley等提出的快速Fourier变换运算方法，使 PFT-NMR技术得以成为现实。这是NMR技术的一次革命性飞跃，它的出现，使天然丰度很低的13C及15N等的NMR信号的测定成为可能。,70年代后期起，NMR与计算机的理论和技术日趋成熟，NMR的重大进展主要方向：为提高灵敏度与分辨率，仪器向更高磁场仪器发展。一般磁铁的磁场强度，上限约为2.5 T(100 MHz仪器)，要想提高场强必须采用超导磁体(励磁线圈需放在液氦中冷却)，最高可达14 T(约600 MHz仪器)。因此，80年代以来相继出现200500 MHz仪器使核间偶合关系简化，波谱易于解析。二维核磁共振谱(2D-NMR)的出现，可以了解核间相关与偶合关系，如CH与HH相关谱等。可进行多核研究，原则上具备了测定各种磁性核NMR的条件。NMR成象技术实现与完善，使NMR可以用于医疗诊断。,NMR应用,（1）在有机物质结构研究方面 可测定化学结构及立体结构(构型、构象)、研究互变现象等，是有机化合物结构测定最重要的手段之一。,氢谱(1H-NMR)主要可给出三方面结构信息： 质子类型(CH3、CH2、 、=CH、,、Ar、OH、CHO、)及质子的化学环境；氢分布；核间关系。缺点：不能给出不含氢基团，如羰基、氰基等的核磁共振信号。对于含碳较多的有机物（如甾体等)中化学环境相近的烷氢，用氢谱常常难以鉴别。但氢谱仍然是目前应用最普及的核磁共振谱。,碳谱(13C-NMR spectrum；CNMR)，弥补了氢谱的不足，可给出丰富的碳骨架信息。特别对于含碳较多的有机物，具有很好的鉴定意义。峰面积与碳数一般不成比例关系，是其缺点。因而氢谱和碳谱可互为补充。,氮-15NMR(15N-NMR)用于研究含氮有机物的结构信息，是生命科学研究的有力工具。,（2）物理化学研究方面 可以研究氢键、分子内旋转及测定反应速度常数等。,（3）在定量分析方面 可以测定某些药物的含量及纯度检查。例如，英国药典1988年版规定庆大霉素用NMR法鉴定。,（4）医疗与药理研究 由于核磁共振法具有能深入物体内部，而不破坏样品的特点，因而对活体动物、活体组织及生物化学药品也有广泛的应用。如酶活性、生物膜的分子结构、癌组织与正常组织的鉴别、药物与受体间的作用机制等。近年来，国内一些大医院已配备了核磁共振仪，用于诊察人体疾病，成像功能优于X光透视，而且不损伤身体。,7-2 基本原理,一、原子核的自旋,1. 原子核的组成与自旋,原子核 = 质子 + 中子,质子数 （核电荷数）,质量数 （核子数）,中子数,同位素Z相同N不同的核素,研究原子光谱精细结构发现自旋,自旋产生磁矩（微观磁矩）,核自旋的特征用自旋量子数(spin quantum number) I 来描述,原子核基态的自旋量子数有如下规律,能级分裂数目多 共振谱线复杂,能级分裂数目少，共振谱线简单； 电荷分布均匀，共振谱线窄。,2. 核磁矩,原子核存在自旋，产生核磁性偶极矩：,自旋角动量：,核 磁 矩：,磁旋比,1/2的原子核,1/2的 原子核,二、原子核的自旋能级和共振吸收,（一）核自旋能级分裂,1. 空间量子化,5424 和 125 36,对于氢核,每一种取向可用磁量子数m来表示。m的取值为 I，I1，I2，I+1，I，共2I+1个。,原子核在外磁场中的自旋取向数为： 自旋取向数2 I + 1,5424 和 125 36,2. 能级分裂,核磁矩在磁场方向Z轴上的分量取决于角动量在Z轴上的分量（Pz）,核磁矩的能级,对于氢核，,和,低能态（核磁矩与外场同向）,高能态（核磁矩与外场反向）,的自旋能级的能量分别为,(二)原子核的共振吸收,1. 原子核的进动（旋进）,陀螺的进动,角速度0,角速度0 Larmor进动方程 ： 0 = 2 0 = H0,2. 共振吸收条件,(1) 核有自旋 (2) 外加磁场,产生能级分裂; (3) 射频波照射能量等于自旋 核跃迁能级差,例：外磁场H0=4.69T（特斯拉，法定计量单位）1H 的共振 频率为,外磁场 H0 = 2.35T 0 = 100MHz,圆频率,三、核自旋能级分布和驰豫,(一)核自旋能级分布,波兹曼（Boltzmann）分布,(二)核自旋驰豫,振动驰豫,高能态核 低能态核,自发辐射的概率近似为零,通过一些非辐射途径回到,“饱和”,通常采用液体试样,Heisenberg 测不准原理,H0,加H1（射频）,M（宏观磁化矢量和）,去H1,核磁共振基本原理示意图,7-3 核磁共振波谱仪,*只能测天然丰度高的核 (如1H，19F，31P)。,*对于13C这类天然丰度极低的核 ，无法测试。,*扫描速度不能太快，通常全扫描时间为200-300s。若扫描太快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。 *灵敏度低、所需样品量大。对一些难以得到的样品，无法进行NMR分析。,CW-NMR 特点,脉冲傅立叶变换NMR仪(PFT-NMR),单频，连续变化， 连续照射。,宽频，脉冲式照射。,频谱,时间谱,扫频方式时,转换,*灵敏度高：通过累加可提高信噪比； *测量速度快：几秒至几十秒即可完成1H NMR谱的测定； *采用大型计算机后，通过设置适当的脉冲序列可测各种新技术谱图，如消除溶剂和水峰，NOE谱和质子交换谱，13C 的 DEPT谱和各种二维谱，使复杂化合物的结构分析更为容易。,此外，现代核磁共振波谱仪都配有一套积分装置，可以在图谱上以阶梯的形式显示出积分数据。通过它来估计各类核的相对数目及含量。,乙苯的核磁共振1H谱,PFT-NMR 特点,7-4 化学位移,一、化学位移的产生核外电子的屏蔽效应,外磁场 H0 = 2.35T 0= 100MHz,屏蔽常数,屏蔽效应,裸核,处于分子中不同位置上的氢核，核 外电子云密度（化学环境）不同，,不同。,化学位移,例如，分别在1.4092T和2.3487T的外磁场中，测定CH3Br中CH3的化学位移,二、化学位移的测量与表示方法,单位：Hz,相对测量法,单位：MHz,扫场,扫频,单位：Hz,例如，分别在1.4092T和2.3487T的外磁场中，测定CH3Br中CH3的化学位移 。,参照 四甲基硅烷,为什么用TMS作为基准? a. 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰； b.屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭； c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,常见结构单元化学位移范围,三、影响化学位移的因素,内部因素,局部屏蔽诱导效应与共轭效应,远程屏蔽,键的磁各向异性效应 苯环的环电流效应 单键的磁各向异性效应 环丙烷环电流效应,空间效应,分子内、间氢键的去屏蔽效应,质子的交换反应,外部因素,溶剂效应,局部屏蔽效应 质子周围电子云密度,（一）内部因素,1. 诱导效应,甲烷中氢核的化学位移与取代元素电负性关系,取代基电负性,2. 共轭效应, = 5.28,乙烯醚 p- 共轭,乙烯酮 - 共轭,3. 相连C原子的杂化态影响,碳杂化轨道电负性：sp(3.29) sp2(2.75) sp3(2.48),4. 化学键的磁各向异性,（1） 叁键,方向性,作用的大小及正负是距离与方向的函数,（2）双键,乙醛氢9.69,（3）苯环, 7. 27,十八碳环壬烯,（4）单键,CH4 RCH3 R2CH2 R3CH 0.23 0.88 1.25 1.50,斥电子,电子云密度,强,大,小,弱,小,大,实测值,预测值,He Ha 1.60 1.21,5. 氢键效应,CH3CH2CH3,(CH3CH2OH/CCl4: a, 10%; b, 5%; c, 0.5%),a,b,c,6. 空间效应,7. Van der Waals效应,电子云互相排斥,8. 质子交换反应,位置交换：分子中与杂原子相连的质子（OH、NH、SH），具有一定的活泼性，可在分子间或分子内发生交换反应，导致化学位移发生变化。,当交换反应很慢时（相当于不交换），分别出现各自的吸收峰。,例如：含水甲醇,当交换反应很快时，两峰合并，合并后在核磁共振谱图上的位置，由下式决定,观察=Na a+Nb b,摩尔比,设C甲醇=0.5mol/L，C水=0.5mol/L,合并为一个峰,当体系中存在多种活泼氢时，同样也只能观测到一个平均的活泼氢信号。,又如,13.0,6.5,分子的动态变化和它的1H NMR,慢速交换：图谱上同时出现两个信号 快速交换：交换质子在图谱上变为一个尖锐信号 中速交换：交换质子的信号一般呈宽钝峰,交换速度,慢速交换,中速交换,快速交换,构象交换,如环己烷,He Ha 1.60 1.21,活泼氢的化学位移 ,识别活泼质子的方法加重水交换,加重水后,CH3CH2OH,CH3,CH2,CH2,CH3,7-5 自旋偶合与自旋系统,一、自旋偶合与峰的裂分,低分辨图谱,高分辨图谱,自旋-自旋裂分,自旋自旋偶合,乙醇的NMR图谱,耦合机制,接触机制：自旋核之间的相互耦合是通过核间电子对传递的,Pauling原理：同一轨道上成键电子对应自旋方向相反,Hund规则：同一原子成键电子应自旋平行,1. 自旋偶合与自旋裂分的产生,例：CH3CH2Cl,+2H,0,-2H,（+2H）,（-2H）,0,2. 裂分峰数,各裂分峰强度（峰高）之比符合二项式展开式的各项系数之比。 例如：n0时， （1） 单峰（s） n1时， （1:1） 二重峰（d） n2时， （1:2:1） 三重峰（t） n3时， （1:3:3:1） 四重峰（q）,I1/2的核，裂分峰数=2nI1,如果有几个（组）数量分别为na、nb、nc的相邻氢核与某氢核偶合，有以下两种情况： 峰裂距相等（ ）,峰被裂分为 重峰。 峰裂距不等（ ），则峰被裂分为 重峰。,I=1/2的核 ，裂分峰数n1,峰数 单峰(single, s) 二重峰(doublet, d) 三重峰(triplet, t) 四重峰(quarte, qua) 五重峰(quinter, qui) 六重峰(sexter, sex),Pascal 三角形,峰裂分数,1H核与n个不等价1H核相邻时，裂分峰数： （n+1)( n+1)个；,(nb+1)(nc+1)(nd+1) = 222 = 8,Ha裂分为8重峰,1:3:3:1,1:2:1,1:1,1:6:15:20:15:6:1,峰裂分数,Ha裂分为多少重峰？,Ha裂分峰:(3+1)(2+1)=12,实际Ha裂分峰:(5+1)=6,强度比近似为：1:5:10:10:5:1,Figure High-resolution NMR spectrum of pure, anhydrous ethanol, relative to TMS as the internal standard.,“向心“规则,1:1,1:3:3:1,1:1,1:2:1,二、核的等价性质,1. 化学等价（化学位移等价）,若分子中一组相同原子（或相同基团）处于完全相同的化学环境，其化学位移也严格相等，它们是化学等价的。,化学等价的核的判断： 在分子中，若通过快速机制（如单键的快速旋转、核的快速翻转和质子交换等）或某种对称操作（如轴、面对称）， 一些核可以互换位置,则这些核称之化学等价的核。,更简单的判断方法是：用同一基团取代两个相同原子（或两个相同基团），取代后的两个产物若为同一物质或一对对映异构体，则它们是化学等价的；若为一对非对映异构体，则它们是化学不等价的。,通过对称轴旋转而互换的质子称之等位质子，无论是非手性还是手性环境，化学位移均是等价的。 等位质子用同一基团取代，取代后的两个产物为同一物质。,分子中无对称轴，但与其他对称因素（如对称面）相关的质子称之对映异位质子。 对映异位质子用同一基团取代，取代后的两个产物为一对对映异构体。这两个质子仍为等价质子。,Cl,Cl,Br,Br,D,D,Ha,Ha,Cl,Br,Hb,Ha,S,R,分子中不能通过对称操作进行互换的质子称之非对映异位，非对映异位质子用同一基团取代，取代后的两个产物为一对非对映异构体。则这两个质子为不等价质子。 例如,（1R，2R）,（1R，2S）,1,2,键的快速旋转导致的化学等价：,CH3-CH2-O-， X-CH2CH2-Y,对称性导致的化学等价：,快速交换导致化学等价：, 固定在环上CH2的两个氢化学不等价。, 单键不能快速旋转，连于同一原子上的两个相同基团化学不等价。, 与手性碳相连的CH2的两个氢化学不等价。,（1） 非对称取代的双键碳上CH2的两个氢化学 不等价。,常见不等价质子类型,在一组化学等价的核中，其中每一个与该分子中另一组化学等价的核中的每一个自旋核都以相同的偶合常数进行偶合，则这组化学等价的核被称为磁等价的核或称全同核。,磁等同例子：,三个H核 化学等同 磁等同,二个H核化学等同，磁等同 二个F核化学等同，磁等同,六个H核 化学等同 磁等同,2. 磁等价,磁等价的核的判断：相互偶合的核彼此之间相隔化学键与键角是否一致。,4个H 化学等价, 磁等价,6个H 化学等价, 磁等价,CH3-CH2-CH3,6个H 化学等价 磁等价,H与H 化学不等价 磁不等价,19F9= 1/2,JH1F1= JH2F1 JH1F2= JH2F2,H1 H2 化学等价, 磁等价,JHaFa JHaFb JHbFa JHbFb,Ha Hb 化学等价, 磁不等价,磁等价的核一定是化学等价的核，而化学等价的核不一定是磁等价的核。,Fa，Fb化学等价，磁不等同,Ha、Ha 化学等价 磁不等等价 Hb、Hb同样 属于: AABB,2个Hb 化学等价 磁等价 属于：AB2,因为 ， 所以H1、H2是化学等价，也是磁等价。,H1、H2、H3和H4、H5分别是两组 化学等价的核，也是磁等价的核。,因为H1、H2化学环境一样 ，但 ，所以H1、H2 是化学等价，而不是磁等价。,H1、H2及H3、H4分别是化学等价，而不是磁等价。,磁等价核有下列特点： 组内核化学位移相等， 与组外核的偶合常数相等， 无组外核干扰时，组内核虽有偶合，但不产生分裂。,磁不等价质子类型,（2） 处于末端双键上的两个氢核是磁不等价的；,（1） 化学环境不相同的氢核一定是磁不等价的；,（3）芳环上取代基的对称氢核是磁不等价的。,*双键碳上的情况分析,CH3,CH3,Ha,Hb,CH3,C2H5,Ha,Ha,Ha,Ha,Ha,Hb,Hb,Hb,Hb,Hb,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,C2H5,C2H5,Ha Hb不等价,Ha Hb等价,Ha Hb等价,Ha Hb等价,Ha Hb不等价,Ha Hb不等价,三、偶合常数与偶合类型,一级图谱中两裂分峰之间的距离（以Hz为单位）, 大小表明自旋核之间偶合程度的,偶合常数( J ),强弱,外磁场,两个氢核相距奇数根键时，自旋相反，J 0 两个氢核相距偶数根键时，自旋相同，J 0 耦合作用随键的数目的增加而迅速下降,分子结构,偶合核间的距离,远程偶合,同碳（偕碳）偶合,邻碳偶合,影响2J 的因素, 邻位键的影响,2J 减小(C=C、C=O、CC、CN),2J= 42 Hz,2J = 2.3Hz,HCH 通常J = -10 -16,1. 同碳偶合 ( 2J ), 取代基电负性的影响,取代基电负性增大，2J 值增大。, 键角（）的影响,角增大，2J 减小,端烯峰的裂分经常不很明显,2. 邻碳偶合 ( 3J ),HCCH,3J = 0 16Hz,3J = 6 8 Hz,3J = 6 12 Hz,3J = 4 10Hz,影响3J 的因素,两面夹角,Karplus（卡普拉斯）方程,3J = J 0 cos2 0.28 (0o 90o) 3J = J 180 cos2 0.28 (90o 180o) (J 0 8 9Hz, J 180 11 12Hz),解释现象： 烯氢的Jtrans(1517Hz) Jcis(1011Hz) 六员环的Jaa Jae Jee 立体化学信息（赤式与苏式结构的3J不等）,判断烯烃取代位置,3JH,H 随取代基的电负性的增加而减小。,顺式， 随着环的增大，J增大；,增加，3J 减小。,2Jae = 2Jae 12Hz 3Jaa（180o ） 812Hz， 10 Hz 3Jae（60o） 或 3Jea 26Hz ， 3Jee 25Hz 4 Hz,取代基电负性,环状化合物构型,3JHH 8.0 7.0 6.0,CH3CH3 CH3CH2Cl CH2ClCHCl2, 键长, 键角,11.5 8.0,0.133nm,0.139nm, 135 126 120,2.44.0 57 8.810.5,3. 远程偶合 ( J远 ),HCC=CH，H C C C CH,远程偶合(4J, 5J)的偶合常数一般较小，在0 3Hz 范围。,4J: 0,4J: 1-3 Hz,5J: 0-1 Hz,4J: 0-2 Hz,远程偶合一般通过-键或张力环传递，所以这种现象在烯烃、炔烃和芳香烃中比较普遍。,5J 1-5Hz,大于叁键的偶合,烯丙基型,邻位 610 间位 13 对位 01,芳香质子,4. 质子与其它磁核的偶合,2D 与1H 的耦合很小，仅为1H 和1H 之间耦合的 1/6.5，而且2D 与1H 的耦合也较少遇到，主要出现在氘代溶剂中。例如使用氘代丙酮作溶剂时，常常能在2.05 处发现一个裂距很小的五重峰，这就是氘代不完全的丙酮（ CHD2COCD3）中2D 与1H 的耦合，因为2D 的自旋量子数为 1，根据 2nI+1 规律，1H 被裂分成五重峰；,13C 因天然丰度仅 1% 左右，所以它与1H 的耦合在一般情况下看不到，只有在放大很多倍时，才比较明显； 14N 的自旋量子数为 1，有电四极弛豫，它与1H 的耦合比较复杂； 19F、31P 与1H 的耦合比较重要，19F、31P 的自旋量子数均为 1/2，所以它们对1H 的耦合与1H-1H 的耦合一样符合 n +1 规律。,自旋系统划分原则 ： 相互偶合的很多核组成一个自旋系统。 系统内部的核相互偶合，系统与系统之间的核不发生偶合。,一个分子可由一个或一个以上的自旋系统组成。,五、自旋系统,1. 自旋系统的划分、命名原则,例： CH3CH2OCH(CH3)2, C6H5CH2CH2OCOCH=CH2,化学位移相同的核构成一个核组，以一个大写英文字母标注，如A。,若核组内的核仅化学位移等价但磁不等价，则要在字母右上角标撇、双撇等加以区别。如一个核组内有三个磁不等价核，则可标为AAA。,几个核组之间分别用不同的字母表示，若它们化学位移相差很大（ 10），用相隔较远的英文字母表示，如AX或AMX等。反之，如果化学位移相差不大（ 10），则用相邻的字母表示。比如AB、ABC等。,若核组内的核磁等价，则在大写字母右下角用阿拉伯数字注明该核组的核的数目。比如一个核组内有三个磁等价核，则记为A3。,命名原则如下：,2. 自旋系统的分类,二旋系统 C=CH2, X-CH=CH-Y, C*-CH2- 等。 三旋系统 X-CH=CH2 , -CH2-CH , 三取代苯，二取代吡啶等。 四旋系统 X-CH2-CH2-Y ，二取代苯， 一取代吡啶等。 五旋系统 CH3-CH2-X , 一取代苯等。,A3MMXX,ABX,A3,7-6 一级图谱与图谱解析,产生条件是： 10； 同一核组（化学位移相同）内各个质子均为磁等价的。,图谱特征： 1) 裂分峰数符合n+1规律 2) 峰组内各裂分峰强度比为 (a+1)n的展开系数 3) 从谱图中可直接读出 和J，化学位移 在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离(Hz)为偶合常数J,谱图解析,1) 由分子式求不饱合度 2) 由积分曲线求各类1H核的相对数目 3) 解析各基团, 谱图解析步骤,首先解析：,再解析：,( 低场信号 ),最后解析：芳烃质子和其它质子 活泼氢D2O交换，解析消失的信号 由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析 参考 IR，UV，MS和其它数据推断解构 得出结论，验证解构,化学位移值与基团结构的相关性,饱和烃,-CH3: CH3 = 0.79 1.10 -CH2: CH2 = 0.98 1.54 -CH: CH = CH3 + (0.5 0.6),H = 3.2 4.0 H = 2.2 3.2 H = 1.8 H = 2.1 H = 2 3,烯烃,端烯质子：H = 4.8 5.0,内烯质子：H = 5.1 5.7,与烯基，芳基共轭：H=47,芳香烃,芳烃质子：H = 6.58.0,供电子基团取代-OR，-NR2 时：H = 6.5 7.0,吸电子基团取代-COCH3，-CN，-NO2 时：H = 7.2 8.0,-COOH：H= 10 13,-OH： （醇）H = 0.5 5.0 （酚）H = 4 8,-NH2：（脂肪）H = 0.43.5 （芳香）H = 2.9 4.8 （酰胺）H = 9.0 10.2,-CHO：H = 9 10,A. CH3COOCH2CH3 D. CH3CH2CH2NO2 B. p-CH3CH2C6H4I E. CH3CH2I C. CH3COOCH(CH3)2 F. (CH3)2CHNO2,例1,E,A. CH3COOCH2CH3 D. CH3CH2CH2NO2 B. p-CH3CH2C6H4I E. CH3CH2I C. CH3COOCH(CH3)2 F. (CH3)2CHNO2,例2,A,8 7 6 5 4 3 2 1 0,5,2,2,3,例3 化合物 C10H12O2结构的确定, 3.0, 4.30, 2.1, 7.3, =1+10+1/2(-12)=5, 2.1单峰三个氢，CH3峰 结构中有氧原子，可能具有：, 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代, 3.0和 4.30三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰,例4 化合物 C10H12O2结构的确定, =1+10+1/2(-12)=5,1) 2.32和 1.2CH2CH3相互偶合峰 2) 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代 3) 5.21CH2上氢，低场与电负性基团相连,例5 化合物 C8H14O4结构的确定,IR谱图,NMR谱图,1. 计算不饱和度 =1+8+1/2(-14)=2 脂肪族化合物,2. IR谱图 存在强C=O 伸缩振动信号 3000 cm-1, 分子中无=C-H和CH,3. NMR谱图 三组峰显示分子中存在三组磁不等价氢核 2) 根据积分高度计算每组氢核的数目,3) 根据自旋裂分推测各组氢核间的关系,1.3三重峰6个氢与4.1四重峰四个氢相互偶合，说明存在2个磁等价的CH3CH2；,2.5单峰4个氢，说明可能存在2个磁等价的-CH2-,可能的结构：,4. 验证确认 单峰4个氢为2.5，四重峰4个氢为4.1，说明结构A不合理，该化合物的结构应为B。,3H, t,2H, 5重峰,1H, t,1H, s,例6,3H,t,3H,S,2H,q,例7,7-7 高级图谱与简化方法,一、二级图谱或者高级图谱,不能满足一级图谱的两个条件,图谱特征： 1) 裂分峰数不符合n+1规律 2) 峰组内各裂分峰强度相对关系复杂，不再符合 (a+1)n的展开系数 3) 一般不能从谱图中直接读出 和J，需要计算。,一、几种常见的二级图谱 AB系统 环上孤立CH2，二取代乙烯，四取代苯等。,谱线关系：,AB体系的理论计算值，设：,讨论： 1）当JABAB时，AX体系， 当JAB/AB时，A2体系 （单线）。 2） 从NMR谱中只能求出JAB 和AB 的绝对值，而不能 确定它们的符号。,偶合常数仍以相邻两峰的间隔测得：,每个H的化学位移处于裂分的两重峰的重心位置。 各裂分峰的相对强度为：,3，7-二氯-8-羧基喹啉的环上有4个H，结构式为：,其中H5和H6可看作AB系统，四条谱带的共振频率分别为711.96，703.07，685.30和676.41Hz，由此算得:,计算出的A和B值是裂分谱带的重心,而不是它们的中心(中心位置分别为7.90和7.60ppm)。,由图也可看出，H2和H4互为间位偶合，化学位移分别为8.34和8.84，4J=2.40Hz，J=(8.84-8.34)89.55/2.40=18.7，为一级谱AX系统。其图形基本上不受H5、H6的AB系统的影响。,2. AB2系统,A 7.421 B 6.929 C 2.513,AMX 系统：,AMX系统，12条峰. A (dd, 1H, JAM JAX) M (dd, 1H, JAM JMX) X (dd, 1H, JMX JAX),在A，M，X各4条谱线中， 1-2=3-4等于一种偶合常数， 1-3=2-4等于另一种偶合常数， 化学位移值约等于4条谱线的中心。,AMX系统的理论裂分模式,例： C8H8O的1HNMR谱如下, 推导其结构并解释谱图。, 7.15,M 2.96,X 3.69,A 2.61,200MHz,苯基环氧乙烷, 3.69, 2.96, 2.61,JAM=5.5Hz,JMX=4.1Hz,JAX= 2.5Hz,A,M,X,A 2.61,M 2.96,X 3.69,HM,HX,HA,HX,HM,HA,例：解释-呋喃甲酸甲酯的1HNMR谱.,JAM=3.5, JMX=1.8, JAX= 1Hz,3. ABX系统,在解析ABX系统时，可认为AB系统的四重峰各自被X质子裂分成双重峰，因而AB部分变成八重峰，X质子则变成等强度的四重峰，总共得到12条谱线。值得注意的是，在X质子部分的9和10(以及11和12)线的间距并不等于JAX或JBX，而是9到12线的间距等于 JAX+JBX,A,B,X,1、3、5、6 2、4、7、8,两组AB型谱,2倍中心距离 = JAX + JBX,4. AAXX和AABB系统 在对位取代的芳香族化合物中经常遇到这种四旋体系，得到的谱图粗略地看类似于AB四重峰，但仔细观察就会发现谱图中存在着额外的裂分峰。图3-22示出4，4-二硝基苯醚的1H NMR谱。由于硝基是强吸电基团，与氧原子相差甚多，构成了AA XX系统，质子化学位移示于分子式上。值得注意的是，每对裂分峰的间距并不等于JAx(或JAX)。这里JAX+JAx=9.23Hz。在每个峰的底部各有一对小峰，其间距为(JAA+JXX)，在本例中为5.49Hz。 图3-22 4，4-二硝基苯醚的1H NMR谱(CDCl3，90MHz),当苯环上对位取代基的性质相近时，裂分峰的化学位移差变小，由AAXX变成AABB系统。如4，4-二氨基苯醚的1H NMR谱示于图3-23中。谱图解析与AAXX系统相同。JAX+JAX=8.90Hz，由于谱带重叠，无法得到JAA+JBB值。该图与AB四重峰有明显差别，有时称为假AB四重峰。无论如何，从图3-22和3-23来推断化合物为对位双取代结构并不困难。,1. 单取代苯环 （1）第一类取代基团：,o, p, m位氢的值差别不大，基本是一个大峰。,（2）第二类取代基团：,o, p, m位氢的值均移向高场，但m位移动较小。,取代苯环,（3）第三类取代基团：,o, p, m位氢的值均移向低场，但o位移动较大。,在判断三类取代基时的要点： （1）集中于3J引起的耦合裂分的峰形分析 （2）结合值进行考虑。 （3）当用高频仪器时，谱峰可以拉开。,x是烷基 A5 x不是烷基 ABBCC,2）对位取代苯环 属于AABB体系，其谱图左右对称，粗看似AB体系。,3）邻位取代苯环 取代基团相同，属于典型的AABB体系，谱图左右对称。,取代基团不同，属于ABCD体系，其谱图最复杂。但若两个取代基团分属第二和第三类时，或使用高频仪器时，可近似为AKPX体系。,4）间位取代苯环 取代基团相同，属于AB2C体系；取代基团不同，属于 ABCD体系。 隔离H因无3J耦合，经常显示粗略的单峰。,5）多取代苯环 五取代：单峰 四取代：A2，AX，AB体系 三取代：AMX，ABX，ABC，AB2体系。,xy AABB x=y A4,x=y 是烷基 A4 x=y 不是烷基 AABB,C9H12O,例8,例9. 某化合物的化学式为C9H13N，其1H NMR谱为图16.25所示，试推断其结构。,例10,a,c,b,d,C6H5CH2CH2OCOCH3 a b c d,例11,p-ClC6H4COCH3,3H,t,2H,q,5H,S,例12,例13,二、高级图谱的简化方法,1. 采用高场强仪器,A,B,C,2. 活泼氢D2O交换反应,3. 溶剂效应,OHNHSH,4. 位移试剂 (shift reagents),某些镧系位移试剂能与带有O、N等原子的化合物形成酸碱络合物。金属离子未共享电子的自旋会对邻近基团产生屏蔽或去屏蔽作用。,常用：Eu（DPM）3 三（2,2,6,6四甲基）庚二酮3,5铕,OH,OH,常用的位移试剂还有Eu(FOD)3三(1，1，l，2，2，3，3-七氟-7，7-7-甲基辛二酮-4，6)-铕等。,除铕外，还用镨(Pr)镱(Yb)等镧系位移试剂。铕引起有关核的低场位移，而镨则引起高场位移，均可用来分开重叠的谱带，测定化合物的结构和构型。,5. 去偶法（双照射）,第二射频场 H2,2,Xn（共振）,AmXn系统,消除了Xn对的Am偶合,照射 Ha,照射 Hb,AX：若A被照射发生共振的同时（该照射频率记为A），以强的功率照射X（该照射频率记为X），引起X核发生共振并饱和，X核在和能级间快速跃迁（X谱线消失），结果A核区分不清X核的状态，而只看到其平均值，即在A核处产生的附加磁场（在NMR时标下）平均为零。因此A和X核之间的耦合作用消失，A的谱线合并成单线。 自旋去耦的主要用途：确定耦合关系； 简化谱图； 确定隐藏谱线的化学位移； 去掉核四级矩效应。,自旋去耦（Spin decoupling）,定性解释,核Overhauser效应（Nuclear Overhauser Effect）,NOE: 若对分子中空间相距较近的两核（5）之一进行辐照，使之达到跃迁的饱和状态，此时记录另一个核的核磁共振峰，可发现较无此辐照时，谱峰强度有所变化，这即是核Overhauser效应（NOE）。 NOE产生的机制是磁性核之间的偶极耦合(dipole coupling)。 NOE的产生仅以两核空间相近为决定性条件，而与两核间化学键存在与否无关（与有无 J 耦合无关）。,JAC JBC,NOE,用 频率为 2的射频照射 =1.97 的 CH3时，2 位的烯氢信号从七重峰（ =5.66）减少到四重峰，信号强度没有明显变化；当用另一频率为 2*的射频照射 =1.42 的 CH3时，2位的烯氢信号也从七重峰减少到四重峰，同时信号强度增强了 17% 。,7-8 碳谱简介,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；,PFT-NMR(1970年)，实用化技术；,碳谱与氢谱的对比,一、13C-NMR的特点,1. 化学位移范围宽（0200ppm) 有多少种处于不同化学环境中的13C,在碳谱上就有 多少个共振峰。同时存在基团结构与值的关联。 2. 偶合常数大 13C H 1J 13C H :125250Hz 13C C H 2J 13C C H :060Hz 13C C C H 3J 13C CC H :020Hz 13C-13C偶合的几率很小（两个13C相互连接的几率为1/104） ；13C天然丰度1.1%,一般不考虑。,远程偶合, 1J 13C 19F : -150-350HZ 2J 13C C19F: 2060HZ; 3J C F :420HZ 1J 13C 31P (): 50180HZ 1J 13C 31P (): 50HZ 1J C X(N,Cl,I),因驰豫时间极短，即相当于这三种自旋核在两种状态中高速的往返，自旋去偶，因此不显示偶合。 3. 驰豫时间长 13C比1H的T1与T2长，所以能比较方便地实施T1,T2的 测定，且不同种类的C，其T1与T2存别，因此通过T1 与T2测定，可提供更多分子结构的信息。,4. 能得到无质子碳的共振吸收峰 如 5. 共振方法多，能得到多种碳谱。 6. 信号强度低 13C的信号强度只有1H的1/6000,故连续波的NMR仪测定13C谱时，需长时间的多次累加扫描。 7. 峰面积一般不与碳数成比例。,CHn基团是最典型的AXn体系。,碳谱中的耦合现象,耦合常数：,例： CH4 (sp3, s%=25%) 1J = 125Hz CH2=CH2 (sp2, s%=33%) 1J = 157Hz C6H6 (sp2, s%=33%) 1J = 159Hz CHCH (sp, s%=50%) 1J = 259Hz,coupled,C-H,C-H2,*CH3-CH2-,由于13C H的偶合常数很大与远程偶合的存在 ，通过单共振方法测定的图谱峰与峰之间的交叉与重叠很严重，以至图谱异常复杂，难于解析。因此，通常采用一些双共振的方法测量碳谱。,二、13C-NMR的测定方法,宽带去耦 （质子噪声去耦）,去偶使峰合并，强度增加,宽频带照射（覆盖所有氢核的共振频率）饱和， NOE,峰数不同化学环境的碳（单峰）,值可确定碳的位置。,信息,1. 测定各碳的值。 2. 确定分子中不等价碳的数目。,缺点：,用途：,. 无法确认碳的级别，因为失去偶合信息 、峰强度不与碳数成正比，不能用于碳的定量，即每种类型的碳有多少个，无法得知。,实验方法：在测定碳谱的同时，另外施加一个（略高于所有氢核的共振频率）频率范围较小，即将去偶器的频率设定在比作为内标准的四甲基硅烷信号高出1个ppm处,并用单一频率的电磁波对1H核进行照射，从而保留部分偶合，清除所有远程偶合。 JR 为数十Hz,故各信号交叉掩盖的现象大大减少. 信息：季碳s 峰 仲碳t 峰 叔碳d 峰 伯碳q 峰 用途：识别碳的级别 缺点：当复杂且分子量大的分子，谱线间重叠，图谱分析困难。因而随后又发展了INEP与DEPT谱。,2. 偏共振去偶碳谱（部分去偶碳谱）,偏共振去耦的目的是降低1J，改善因耦合产生的谱线重叠而又保留了耦合信息，从而确定碳原子级数。,确定相应13C信号的归属,质子去耦,偏共振去耦,质子去偶,偏共振去偶,偏共振去偶谱,通过改变照射1H的第三脉冲宽度()，使作45，90 ，135 变化并测定其13C NMR谱,在DFPT实验中调节脉冲宽度，所得信息如下： =45时，CH、CH2、CH3均为正峰； =90时，CH为正峰，CH2和CH3无峰； =135时，CH与CH3为正峰，CH2为负峰； 在DEPT谱中，季碳不出现信号。 在实际测定中，只要测出45 、90和135的13C-DEPT谱以及质子噪音去偶谱进行对照，即可确定分子各碳的类型。,DEPT（无畸变的极化转移增强法）谱,DEPT 谱,M,rf,x,y,z,45o,90o,135o,135,135,135,45 ,90,化学位移范围：0250ppm；核对周围化学环境敏感，重叠少 氢谱与碳谱有一定的对应性 碳谱化学位移规律： (1) 高场低场 碳谱：饱和烃碳原子、炔烃碳原子、烯烃碳原子、羧基碳原子 氢谱：饱和烃氢、炔氢、烯氢、醛基氢； (2) 与电负性基团相连，化学位移向低场移动；,三、化学位移值与基团结构的相关性,化学位移,1H,13C,化学位移表 chemical shift table,SP杂化碳：0 60 ppm SP杂化碳： 烯 100 150 ppm 芳烃 120 160 ppm 羰基 160 220 ppm SP 杂化碳 60 90 ppm,影响化学位移的因素,1. 碳原子的轨道杂化 2. 碳核周围的电子云密度 3. 诱导效应 4. 共轭效应 5. 立体效应 6. 取代情况,13C谱化学位移的决定因素是顺磁屏蔽,烷烃,取代烷烃:,C = 0 - 60 C CH CH2 CH3 邻碳上取代基增多C 越大,烯烃,C=100-150（成对出现）,端碳=CH2 110；邻碳上取代基增多C越大：,取代烯烃： (C=) (-HC=) (H2C=),炔烃,C = 60 - 90,苯环碳的化学位移,苯的C 120160 ppm 苯环的吸电子取代基使邻、对位碳原子向低场位移；苯环的推电子取代基使邻、对位碳原子向高场位移,1） 苯：128.5ppm，取代苯环：100 160ppm；被取代碳原子值有明显变化，邻、对位碳原子值有较大变化，间位碳原子值几乎不变化； 2） 一般，取代基电负性越强，被取代碳原子值越大； 3）取代基烷基分枝多，被取代碳原子值增加较多； 4）重原子效应：被碘、溴取代的碳原子值向高场位移； 5）共振效应：第二类取代基使邻、对位碳原子值向高场