核磁共振波谱分析法.ppt

08 33 01 核磁共振波谱分析法 nuclearmagneticresonancespectroscopy NMR 第十三章 08 33 01 一 概述 NMR是研究原子核对射频辐射 Radio frequencyRadiation 的吸收 它是对各种有机和无机物的成分 结构进行定性分析的最强有力的工具之一 有时亦可进行定量分析 测定有机化合物的结构 1HNMR 氢原子的位置 环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目 在强磁场中 原子核发生能级分裂 能级极小 在1 41T磁场中 磁能级差约为25 10 3J 当吸收外来电磁辐射 10 9 10 10nm 4 900MHz 时 将发生核能级的跃迁 产生所谓NMR现象 射频辐射 原子核 强磁场下 能级分裂 吸收 能级跃迁 NMR与UV vis和红外光谱法类似 NMR也属于吸收光谱 只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收 08 33 01 历史 1924年Pauli预言了NMR的基本理论 有些核同时具有自旋和磁量子数 这些核在磁场中会发生分裂 1946年 Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象 并于1952年分享了Nobel奖 1953年Varian开始商用仪器开发 并于同年做出了第一台高分辨NMR仪 1956年 Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响 而这一影响与物质分子结构有关 1991年诺贝尔化学奖授予R R Ernst教授 以表彰他对二维核磁共振理论及傅里叶变换核磁共振的贡献 这两次诺贝尔奖的授予 充分地说明了核磁共振的重要性 08 33 01 核磁共振在仪器 实验方法 理论和应用等方面有着飞跃的进步 谱仪频率已从30MHz发展到900MHz 1000MHz谱仪亦在加紧试制之中 仪器工作方式从连续波谱仪发展到脉冲 傅里叶变换谱仪 随着多种脉冲序列的采用 所得谱图已从一维谱到二维谱 三维谱甚至更高维谱 所应用的学科已从化学 物理扩展到生物 医学等多个学科 核磁共振成像技术还可以与断层扫描技术 CT 结合为临床诊断和生理学 医学研究提供重要数据 总而言之 核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一 08 33 01 核磁共振是当前应用于诊断早期病变的临床医学影像技术 这种检查对患者和检查者都是安全可靠的 核磁共振成像技术是一种非介入探测技术 相对于X 射线透视技术和放射造影技术 MRI对人体没有辐射影响 相对于超声探测技术 核磁共振成像更加清晰 能够显示更多细节 此外相对于其他成像技术 核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变 而且还能够对脑 心 肝等功能性反应进行精确的判定 在帕金森氏症 阿尔茨海默氏症 癌症等疾病的诊断方面 MRI技术都发挥了非常重要的作用 08 33 01 磁共振最常用的核是氢原子核质子 1H 因为它的信号最强 在人体组织内也广泛存在 影响磁共振影像因素包括 a 质子的密度 b 弛豫时间长短 c 血液和脑脊液的流动 d 顺磁性物质 e 蛋白质 磁共振影像灰阶特点是 磁共振信号愈强 则亮度愈大 磁共振的信号弱 则亮度也小 从白色 灰色到黑色 各种组织磁共振影像灰阶特点如下 脂肪组织 松质骨呈白色 脑脊髓 骨髓呈白灰色 内脏 肌肉呈灰白色 液体 正常速度流血液呈黑色 骨皮质 气体 含气肺呈黑色 08 33 01 一 原子核的自旋atomicnuclearspin二 核磁共振现象nuclearmagneticresonance三 核磁共振条件conditionofnuclearmagneticresonance四 核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometer 第一节核磁共振基本原理 principlesofnuclearmagneticresonance 08 33 01 分子的磁性质 原子核 带正电荷的粒子当它的质量数和原子序数有一个是奇数时 它就和电子一样有自旋运动 产生磁矩 例 11H 136C 199F和3115P有自旋现象 126C和168O没有自旋现象 08 33 01 样品的制备 试样浓度 5 10 需要纯样品15 30mg 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg 标样浓度 四甲基硅烷TMS 1 溶剂 1H谱四氯化碳 二硫化碳 氘代溶剂 氯仿 丙酮 苯 二甲基亚砜的氘代物 08 33 01 一 核磁共振与化学位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift二 影响化学位移的因素factorsinfluencedchemicalshift 第二节核磁共振与化学位移 nuclearmagneticresonanceandchemicalshift 08 33 01 化学位移 在一固定外加磁场 H0 中 有机物的1H核磁共振谱应该只有一个峰 即在 乙醇的质子核磁共振谱中有三个峰 原因 E h 1 2 H0 08 33 01 氢原子核的外面有电子 它们对磁场的磁力线有排斥作用 对原子核来讲 周围的电子起了屏蔽 Shielding 效应 核周围的电子云密度越大 屏蔽效应就越大 要相应增加磁场强度才能使之发生共振 核周围的电子云密度是受所连基团的影响 故不同化学环境的核 它们所受的屏蔽作用各不相同 它们的核磁共振信号亦就出现在不同的位置 此位置的差异即叫化学位移 08 33 01 吸收峰数多少种不同化学环境质子峰的位置质子类型峰的面积每种质子数目 CH3CH2OH高分辨 08 33 01 一 核磁共振与化学位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift 1 屏蔽作用与化学位移理想化的 裸露的氢核 满足共振条件 0 H0 2 产生单一的吸收峰 实际上 氢核受周围不断运动着的电子影响 在外磁场作用下 运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场 起到屏蔽作用 使氢核实际受到的外磁场作用减小 H 1 H0 屏蔽常数 越大 屏蔽效应越大 0 2 1 H0屏蔽的存在 共振需更强的外磁场 相对于裸露的氢核 08 33 01 化学位移 chemicalshift 0 2 1 H0由于屏蔽作用的存在 氢核产生共振需要更大的外磁场强度 相对于裸露的氢核 来抵消屏蔽影响 在有机化合物中 各种氢核周围的电子云密度不同 结构中不同位置 共振频率有差异 即引起共振吸收峰的位移 这种现象称为化学位移 08 33 01 2 化学位移的表示方法 1 位移的标准没有完全裸露的氢核 没有绝对的标准 相对标准 四甲基硅烷Si CH3 4 TMS 内标 位移常数 TMS 0 2 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 08 33 01 位移的表示方法 与裸露的氢核相比 TMS的化学位移最大 但规定 TMS 0 其他种类氢核的位移为负值 可是文献中常将负号略去 将它看作正数 样 TMS TMS 106 ppm 小 屏蔽强 共振需要的磁场强度大 在高场出现 图右侧 大 屏蔽弱 共振需要的磁场强度小 在低场出现 图左侧 08 33 01 二 影响化学位移的因素factorsinfluencedchemicalshift 1 电负性 去屏蔽效应与质子相连元素的电负性越强 吸电子作用越强 价电子偏离质子 屏蔽作用减弱 信号峰在低场出现 CH3 1 6 2 0 高场 CH2I 3 0 3 5 O H C H 大 小低场高场 08 33 01 诱导效应 电负性对化学位移的影响 08 33 01 吸电子基团越多 这种影响越大 基团距离越远 受到的影响越小 08 33 01 1 烯碳sp2杂化比sp3杂化 与氢相连的碳原子从sp3 碳碳单链 到sp2 碳碳双键 s电子的成分从25 增加至33 C H键电子更靠近碳 对质子的屏蔽 如 乙烷质子 0 96乙烯质子 5 84 2 炔碳为sp杂化 相对sp2和sp3杂化的C H键电子更靠近碳 使质子周围的电子云密度减少 质子共振吸收向低场移动 但炔氢谱峰相对烯氢处于较高场 芳环氢谱峰相对于烯氢处于较低场 则因另有较重要的影响因素所致 碳杂化轨道电负性 SP SP2 SP3 08 33 01 2 氢键效应 形成氢键后1H核屏蔽作用减少 氢键属于去屏蔽效应 使共振吸收移向低场 08 33 01 醇羟基0 5 5酚4 7胺0 5 5羧酸10 13二聚体形式 双分子的氢键 例 08 33 01 分子内氢键同样可以影响质子的共振吸收 二酮的烯醇式可以形成分子内氢键该羟基质子的化学位移 为11 16 08 33 01 介质的影响不同溶剂 使样品分子所受的磁感强度不同 不同溶剂分子对溶质分子有不同的作用 因此介质影响 值 值得指出的是 当用氘代氯仿作溶剂时 有时加入少量氘代苯 利用苯的磁各向异性 可使原来相互重叠的峰组分开 这是一项有用的实验技术 08 33 01 4 各类有机化合物的化学位移 饱和烃 CH3 CH3 0 79 1 10ppm CH2 CH2 0 98 1 54ppm CH CH CH3 0 5 0 6 ppm H 3 2 4 0ppm H 2 2 3 2ppm H 1 8ppm H 2 1ppm H 2 3ppm 08 33 01 各类有机化合物的化学位移 烯烃 端烯质子 H 4 8 5 0ppm 内烯质子 H 5 1 5 7ppm 与烯基 芳基共轭 H 4 7ppm 芳香烃 芳烃质子 H 6 5 8 0ppm 供电子基团取代 OR NR2时 H 6 5 7 0ppm 吸电子基团取代 COCH3 CN NO2时 H 7 2 8 0ppm 08 33 01 各类有机化合物的化学位移 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 10ppm 08 33 01 常见结构单元化学位移范围 08 33 01 一 自旋偶合与自旋裂分spincouplingandspinsplitting二 峰裂分数与峰面积numberofpearsplittingandpearareas三 磁等同与磁不等同magneticallyequivalentandnonequivalent 第三节自旋偶合与自旋裂分 spincouplingandspinsplitting 08 33 01 一 自旋偶合与自旋裂分spincouplingandspinsplitting 每类氢核不总表现为单峰 有时多重峰 原因 相邻两个氢核之间的自旋偶合 自旋干扰 08 33 01 二 峰裂分数与峰面积numberofpearsplittingandpearareas 峰裂分数 n 1规律 n相邻碳原子上的质子数 系数符合二项式的展开式系数 峰面积与同类质子数成正比 仅能确定各类质子之间的相对比例 08 33 01 峰裂分数 08 33 01 峰裂分数 1 1 1 3 3 1 1 1 1 2 1 08 33 01 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 2 2 2 8 Ha裂分为8重峰 1 3 3 1 1 2 1 1 1 1 6 15 20 15 6 1 08 33 01 一 谱图中化合物的结构信息structureinformationofcompoundinspectrograph二 简化谱图的方法methodsofsimplingspectrograph三 谱图解析spectrumunscrambling四 谱图联合解析deducethestructuresfromNMRspectrumandIRspectrum 第四节谱图解析与化合物结构确定 analysisofspectrographandstructuredetermination 08 33 01 一 谱图中化合物的结构信息 1 峰的数目 标志分子中磁不等性质子的种类 多少种 2 峰的强度 面积 每类质子的数目 相对 多少个 3 峰的位移 每类质子所处的化学环境 化合物中位置 4 峰的裂分数 相邻碳原子上质子数 5 偶合常数 J 确定化合物构型 不足之处 仅能确定质子 氢谱 08 33 01 三 谱图解析步骤 由分子式求不饱合度由积分曲线求1H核的相对数目解析各基团首先解析 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 08 33 01 6个质子处于完全相同的化学环境 单峰 没有直接与吸电子基团 或元素 相连 在高场出现 1 谱图解析 1 08 33 01 谱图解析 2 质子a与质子b所处的化学环境不同 两个单峰 单峰 没有相邻碳原子 或相邻碳原子无质子 质子b直接与吸电子元素相连 产生去屏蔽效应 峰在低场 相对与质子a 出现 质子b也受其影响 峰也向低场位移 08 33 01 谱图解析 3 裂分与位移 08 33 01 谱图解析 4 苯环上的质子在低场出现 为什么1H比6H的化学位移大 08 33 01 对比 08 33 01 2 谱图解析与结构 1 确定 5 2 2 3 化合物C10H12O2 08 33 01 谱图解析与结构确定步骤 正确结构 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 4 30 2 1 3 0和 4 30三重峰和三重峰O CH2CH2 相互偶合峰 08 33 01 谱图解析与结构 2 确定 9 5 30 3 38 1 37 C7H16O3 推断其结构 6 1 08 33 01 结构 2 确定过程 C7H16O3 1 7 1 2 16 0 a 3 38和 1 37四重峰和三重峰 CH2CH3相互偶合峰 b 3 38含有 O CH2 结构结构中有三个氧原子 可能具有 O CH2 3 c 5 3CH上氢吸收峰 低场与电负性基团相连 正确结构 08 33 01 谱图解析与结构 3 化合物C10H12O2 推断结构 7 3 5 21 1 2 2 3 5H 2H 2H 3H 08 33 01 结构 3 确定过程 化合物C10H12O2 1 10 1 2 12 5 a 2 32和 1 2 CH2CH3相互偶合峰b 7 3芳环上氢 单峰烷基单取代c 5 21 CH2上氢 低场与电负性基团相连 哪个正确 正确 B为什么 08 33 01 谱图解析与结构 4 化合物C8H8O2 推断其结构 08 33 01 结构 4 确定过程 化合物C8H8O2 1 8 1 2 8 5 7 8芳环上氢 四个峰对位取代 9 87 醛基上氢 低 3 87CH3上氢 低场移动 与电负性强的元素相连 O CH3 正确结构 08 33 01 四 联合谱图解析 1 C6H12O 1700cm 1 C 0 醛 酮 3000cm 1 C H饱和烃 两种质子1 3或3 9 CH3 C CH3 9无裂分 无相邻质子 08 33 01 谱图解析 2 C8H14O4 1700cm 1 C 0 醛 酮 排除羧酸 醇 酚 3000cm 1 C H饱和烃 无芳环 1 三种质子4 4 裂分 有相邻质子 1 3 6H 两个CH3裂分为3 相邻C有2H CH3 CH2 4 2 5 4H 单峰 CO CH2CH2 CO 5 4 1 4H 低场 吸电子 两个 O CH2 08 33 01 1 化合物环戊烷的核磁共振谱图中 各峰的面积比为多少 由于该化合物所有的质子都是化学等价的质子 所以在谱图中仅有一个峰 因此无比例可测 08 33 01 一 概述generalization二 化学位移chemicalshift三 偶合与弛豫couplingandrelaxation四 13CNMR谱图13CNMRspectrograph 第五节13C核磁共振谱简介 13CNuclearmagneticresonancespectroscopy 08 33 01 一 概述 PFT NMR 1970年 实用化技术 13C谱特点 1 研究C骨架 结构信息丰富 2 化学位移范围大 0 250ppm 19F 300ppm 31P 700ppm 3 13C 13C偶合的几率很小 13C天然丰度1 1 4 13C H偶合可消除 谱图简化 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 08 33 01 PFT NMR R F transmitter MAGNET R Freceiveranddetector Recorder Sweepgenerator MAGNET 08 33 01 富里叶变换 08 33 01 08 33 01 二 化学位