核磁共901课件

1 核磁共振 Nuclearmagneticresonance NMR 药物分析教研室 2 绪言 3 4 5 核磁共振 原子核的磁共振现象 核磁共振波谱 吸收波谱的一种 用频率为兆赫的长波长电磁波照射置于强磁场下能级分裂的原子核 当原子核吸收的能量与核能级差相等时 就会发生核能级的跃迁 产生NMR谱 6 第三章核磁共振氢谱 Nuclearmagneticresonance 1H NMR 7 第一节基本原理 原子核及核的自旋原子核在外加磁场中的行为特性产生NMR的条件核的屏蔽效应及能级跃迁仪器的基本构造 8 原子核及核的自旋 化合物 分子 原子若干带负电荷的电子 围绕一个体积极小的带正电荷的原子核运动99 9 以上的原子的质量都集中在原子核上原子核由质子和中子组成 其总和叫质量数 原子核 9 核的自旋 自旋角动量P 运动特性spinangularmomentum h普朗克常数I自旋量子数 I 0 1 3 2 2 10 核磁矩 nuclearmagneticmoment 带正电荷的原子核自旋 旋转电流 感应磁场 磁旋比 运动特性 原子核特性 磁性强弱 11 I与质量数及原子序数的关系 12 I 0无自旋 没有磁矩 不产生共振吸收I 1 2 具有均匀的球形电荷分布 有磁矩 NMR谱线窄 宜于检测I 1 具有非球形电荷分布 电荷分布不均匀 共振吸收复杂 研究应用较少 13 原子核在外磁场中的行为特性 14 外加磁场中核的自旋取向 自旋取向数 2I 1 能级的数目 每一个能级状态用磁量子数m表示m I I 1 I 15 核在磁场中的能量P68 能级差 E E2 E1 2 H0 E1 H0 E2 H0 I 1 2 E E2 E H0 H1 H2 m m 0 16 I 1 2 两种能级状态分布 遵从Boltzmann分配定律 热力学平衡下 低能态核比高能态核数目稍多 核在能级间的分布和跃迁 17 饱和 Saturation 低能态的核吸收能量跃迁至高能态 高能态核与低能态核数目相等时 能量不再吸收 核磁共振信号吸收减退至完全消失 为饱和状态 弛豫 Relaxation 高能态的核可以通过非辐射的方式把能量释放到周围环境中 返回低能态 保持Boltzmann分布的热平衡状态 自旋 晶格驰豫 纵向驰豫 自旋 自旋驰豫 横向驰豫 18 1 核有自旋 磁性核 2 外磁场 能级裂分 3 核的跃迁能 电磁辐射的能量 产生NMR的必要条件 电磁辐射能量 E h 核的跃迁能 E 2 H0 19 E E h 2 H0 异核 变 H0定 和 正比 定 H0和 反比 同核 定 H0和 正比 在某一磁场强度和与之匹配的射频条件下 只能观测到一种核的NMR 20 固定H0 改变 扫频 固定 改变H0 扫场 实现NMR的方法 21 屏蔽效应shieldingeffect 核外电子在与外加磁场垂直的平面上绕核旋转同时产生一个与外加磁场对抗的第二磁场 等于对氢核增加了一个免受外加磁场影响的防御措施 此为电子的屏蔽效应 核的屏蔽效应及能级跃迁 22 屏蔽常数 表示电子屏蔽效应的大小 取决于核外电子云密度 即取决于核所处的化学环境 核的跃迁能 E 2 H0 HN 氢核实际所受磁场 为屏蔽常数 1 23 与H0成正比 越大 H0越大 越高场 越小 H0越小 越低场 24 高场 低场 25 26 仪器的基本构造 Dataprocessing rfconsole Transmitter Receiver Magnet Sampletube Probe 27 28 5 2 2 3 化合物C10H12O2 第二节核磁共振氢谱的主要参数 29 分析谱图最基本的三个方面 峰面积积分 氢核数目峰的偶合裂分 相邻官能团的氢核取代化学位移 30 峰面积与氢核数目自旋偶合系统化学位移及影响因素各官能团中1H的化学位移1H NMR测定技术1H NMR解谱 31 1H NMR谱中 各吸收峰覆盖的面积与引起该吸收的氢核数目成正比峰面积由积分曲线高度表示注 在决定峰面积时 同型氢核应当归纳在一起考虑 例题P 99图3 47 峰面积与氢核数目 32 自旋 自旋偶合分子中相邻质子间的自旋相互作用自旋裂分因自旋偶合作用而形成的共振吸收峰分裂的现象 自旋偶合一定会造成峰的裂分吗 自旋偶合系统Spinspincouplingsystem 33 磁等同氢核 磁等同氢核指化学环境相同 化学位移也相同 且对组外氢核表现出相同偶合作用强度的氢核 相互之间虽有自旋偶合却并不产生裂分 例如在氯乙烷分子中 34 磁不等同氢核p 93 化学环境不相同的氢核处于末端双键上的两个氢核带有双键性质的单键上的氢核与不对称碳原子相连的亚甲基上的两个氢核处于刚性环或不能自由旋转的单键上亚甲基的两个氢核芳环上取代基的邻位质子也有可能 35 间隔超过三根键以上 自旋干扰可忽略不计 36 自旋偶合 裂分机制 1H 19F H0 37 1H 1H H0 39 1H 1H H0 41 峰裂分数 42 峰裂分数及峰面积numberofpearsplittingandpearareas 峰裂分数N 2nI 1 n 1规律 峰面积 X 1 n 43 n 核个数 峰裂数谱线相对强度0单峰 s 11双峰 d 112三重峰 t 1213四重峰 q 1331414641515101051 X 1 n 44 所有核磁共振谱中互相偶合的两组峰都是从最外面的一个峰开始逐渐向上倾斜 理想中的偶合峰 实际的偶合峰 45 峰裂分数 1 1 1 3 3 1 1 1 1 2 1 46 峰裂分数 1 3 3 1 1 2 1 1 1 1 6 15 20 15 6 1 47 偶合常数Jspin spincouplingconstant 由自旋偶合作用产生的多重峰 峰间距离为偶合常数 单位为赫兹 Hz 表示两核干扰的强度 只随分子中质子所处的环境不同而变化 同碳偶合 偕偶 H C H10 16Hz邻碳偶合 邻偶 H C C H5 9Hz远程偶合J 0 48 49 远程偶合J远 0的例外情况 W型偶合 两H位于W的两端 J远 1 系统 J邻 6 10HzJ间 1 3HzJ对 0 1Hz 50 一级偶合与一级谱 分子中氢核之间相互作用时 仅产生简单的裂分 且两组偶合核之间的化学位移之差远大于它们之间的偶合常数 称为一级偶合 由一级偶合而得到的NMR谱成为一级谱 51 化学位移及影响因素 化学位移诱导效应 电负性 磁的各向异性效应氢核交换氢键缔合 52 共振峰只在很小的范围内变动 难以测定其绝对值 1 化学位移chemicalshift 核外电子云密度 屏蔽效应 共振峰位置 核外化学环境 将待测核共振峰所在位置与基准物质相同核共振峰所在位置进行比较 求其相对距离 称为化学位移 53 sample 待测核吸收频率 ref 基准物中该核吸收频率 0 照射用电磁辐射频率P 76 54 低场 去屏蔽 高场 高屏蔽 55 56 化学位移与仪器条件无关 单位ppm 57 基准物质 TMS的化学位移被规定为 0 00 其它有机物质的共振峰大多在左边 即 为正值 四甲基硅烷 tetramethylsilane TMS 屏蔽作用强 TMS信号一般位于核磁共振图谱最高场区 所有质子的化学环境相同 很好的溶解度 沸点低 不活泼 无缔合 58 59 X电负性 电子云密度 屏蔽效应 低场位移 2 诱导效应p 78 60 拉电子基团越多 去屏蔽效应越大 3 05 5 30 7 27 Cl CH2 H Cl2 CH H Cl3 C H 61 基团距离拉电极基团越远 受到的影响越小 62 63 3 磁的各向异性magneticanisotropiceffect 电负性 P78 64 磁的各向异性效应 化学键因电子流动 产生诱导磁场 通过空间影响到邻近的氢核 在电子云分布不是球对称时 这种影响也不对称 方向与磁场一致之处的氢核 共振峰移向低场 负屏蔽 方向与磁场相反之处的氢核共振峰移向高场 正屏蔽 65 双键 电子环流 在其平面上下方均有一个锥形屏蔽区 其它区域为去屏蔽区 a C X X C N O S 66 67 苯环上六个sp2杂化碳原子共平面 六个 轨道两面交盖形成大 共轭体系 b 芳环 68 十八轮烯 其它大 共轭体系的化合物和苯环的情况类似 如十八轮烯 外质子的化学位移为 9 28 而环内质子为 2 9 70 c 叁键 叁键 轨道电子可以绕 键产生环电流 叁键两端位于屏蔽区 叁键的上下为去屏蔽区 71 72 73 4 氢核交换 酸性氢核 与O N S相连的活泼氢 OH COOH NH2 SH 交换与否及速度快慢均会影响化学位移及峰型 74 氢核交换后 原先两峰被一个新峰取代 化学位移 obs为原两峰的摩尔平均值 p81图3 21 识别酸性氢核峰 可加入D2O 重水 使该信号消失 p81图3 22 75 5 氢键缔合 分子间缔合浓度愈高 缔合愈甚 可采用稀释法区分分子内和分子间缔合 分子内缔合乙酰丙酮 二苯甲酰甲烷 p82 氢键缔合 电子云密度 低场位移 去屏蔽 76 各类有机物谱图中1H的化学位移 1 烷烃 CnH2n 2 0 7 2 0CH3 CH2 n CH3 n 峰 尖 窄 77 78 2 烯烃 烯H 5 25附近 A B 邻碳H 较烷烃H移向低场 D a C C sp2杂化 电负性大 吸电子 b 磁的各向异性 烯氢去屏蔽 80 取代乙烯上取代基对烯氢化学位移的影响 P84 表3 8 例 P84 81 82 83 84 3 炔烃 炔H 1 6 3 4 b 邻碳H 较烷烃H移向低场 a c d a C C sp杂化 电负性大 吸电子 b 磁的各向异性 炔氢正屏蔽 85 86 4 芳烃 芳H 7 26附近 a b 邻碳H 较烷烃H移向低场 a a sp2杂化 电负性大 吸电子 b 磁的各向异性 芳氢去屏蔽 87 88 89 5 醇 羟基活泼氢a 0 5 5 0 分子间氢键 b 醇分子间快速质子交换 偶合消失 无裂分 c 用氘取代羟基氢时 该峰减弱或消失 邻碳H 3 0以上 O电负性大 强吸电性 90 91 92 无活泼氢 其余与醇类似 6 醚 93 94 7 酚 共轭时 酚羟基对于苯来说起推电子作用 苯环电子云密度 屏蔽效应 高场位移 特别是邻对位 间位基本无影响 4 5 8 5氧氢间电子云密度降低 H共振峰移向低场 活泼氢 O原子与苯环共轭 电子离域到苯环上 95 96 8 酮 共轭时 羰基吸电子效应 烯氢或芳氢共振峰移向低场 H较烷烃移向低场 2 0 3 0 羰基 吸电子 97 98 99 100 9 醛 醛氢 9 0 10 5 H较烷烃移向低场 2 0 3 0 a 羰基 吸电子 b 各向异性的去屏蔽作用 101 102 104 10 羧酸 羧基氢核移至极低场 活泼氢 8 0 13 0与氘代试剂作用后 峰减弱或消失 H较烷烃移向低场 a 羧基吸电子效应 b 羧基各向异性效应 c 氧强吸电子效应 共轭情况与醛酮相似 105 106 107 11 酯 与氧原子相连的烷基H 比醚向更低场位移 与羰基相连的烷基H 较烷烃移向低场 类酮 酮 醚 108 109 110 脂肪胺的 H 2 2 3 2伯胺 仲胺的活泼氢 0 5 5 5 12 胺 与醇 醚类似 化学位移较醇 醚小 111 112 113 13 酰胺 与氮原子相连的烷基H 比胺向更低场位移 与羰基相连的烷基H 较烷烃移向低场 类酮 酮 胺 类酯和羧酸 活泼氢化学位移较胺更低场 4 5 8 5 114 115 116 117 14 卤代烃 卤素原子 吸电子 H向低场移动的能力 按F Cl Br I的顺序依次减弱 共轭时 吸电子诱导与供电子共轭的总的作用是极弱的吸电子效应 118 119 15 腈和硝基化合物 NO2 H化学位移 4 0 5 0 N C H化学位移 2 0 3 0 120 121 122 123 总结 饱和烃 CH3 CH3 0 79 1 10ppm CH2 CH2 0 98 1 54ppm CH CH CH3 0 5 0 6 ppm 124 125 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 供电基团取代 OR NR2 H 6 5 7 0ppm 吸电基团取代 COCH3 CN NO2 H 7 2 8 0ppm 126 COOH H 8 13ppm OH 醇 H 0 5 5 5ppm 酚 H 4 5 8 5ppm NH2 脂肪 H 0 5 5 5ppm 芳香 H 2 9 4 8ppm 酰胺 H 4 5 8 5ppm CHO H 9 10 5ppm 127 对比 128 1H NMR谱的测定技术 1 试样 溶剂 试样 纯 浓度15 20 基准 TMS溶剂 多用氘代溶剂可能有残存的溶剂1H信号 试样活泼氢有时会消失 129 2 强磁场NMR H0 J不变 J 分离度改善 谱图简化 130 3 去偶试验 同核去偶试验 homo decoupling 通过选择照射偶合系统中某个 组 或某几个 组 质子并使之饱和 则由该质子造成的偶合影响将会消除 原先受其影响而裂分的质子信号在去偶谱上变成单峰或得到简化 P102图3 50 131 4 核的Overhouser效应 NOE 两个 组 不同类型质子位于相近的空间距离时 照射其中一个 组 质子会使另一个 组 质子的信号强度增强 P104图3 52 132 第三节氢谱在结构解析中的应用 1H NMR谱解析的基本程序1H NMR谱结构解析实例 133 1 首先注意检查基准物质TMS等信号是否正常 底线是否平坦 溶剂相关基团的1H是否出现在预定的位置 以及信噪比 S N 是否符合要求 S N 30 2 根据积分曲线高度算出各个信号对应的H数 目前的核磁共振氢谱利用计算机处理可直接获得相对氢核数 一 1H NMR谱解析的基本程序 一 未知化合物谱图解析程序 P105 134 3 将滴加D2O后测得的图谱与加D2O前比较 解析消失的活泼氢信号 4 解析在 10 16低磁场区域处出现的 COOH及具有分子内氢键缔合的 OH信号 5 参考化学位移 峰裂分数目及偶合常数 解析低级偶合系统 6 解析芳香氢核信号及高级偶合系统 135 7 必要时 可以采用更换溶剂 加入位移试剂或采用去偶实验 NOE测定等特殊技术 或改用强磁场NMR仪测定 以利简化图谱 方便解析 8 对推测出的结构再利用取代基位移加和规律 或结合化学方法 或UV IR MS 13C NMR等情报信息进行反复推敲加以确定 并对信号的归属一一作出确认 136 二 已知化合物谱图解析程序 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和其它数据推断并验证结构 137 二 1H NMR谱结构解析实例 138 结构确定1 9 5 30 3 38 1 37 C7H16O3 推断其结构 6 1 5 3 s 1H 3 38 q 6H 1 37 t 9H 139 C7H16O3 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 5 3 s 1H 3 38 q 6H 1 37 t 9H 140 结构确定2 化合物C10H12O2 推断结构 7 3 5 21 1 2 2 3 5H 2H 2H 3H 7 3 s 5H 5 21 s 2H 2 3 q 2H 1 2 t 3H 141 化合物C10H12O2 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 7 3 s 5H 5 21 s 2H 2 3 q 2H 1 2 t 3H 142 化合物C8H8O2 推断其结构 结构确定3 1H 2H 3H 2H 143 化合物C8H8O2 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 144 C6H10O3 结构确定4 4 1 q 2H 3 5 s 2H 2 2 s 3H 1 2 t 3H 145 4 1 q 2H 3 5 s 2H 2 2 s 3H 1 2 t 3H 不饱和度为2 含有C O或C C 5以上没有吸收峰 表明不存在烯烃 峰的裂分数可见 4 1和 1 2是互相偶合 且与强吸电子基相连 COOCH2CH3 3 5为CH2 2 2为CH3 均为单峰 2 2应与吸电子的羰基相连 即CH3 C O CH3 C O COOCH2CH3 CH2 C6H10O3 146 C21H24O41 1 t 6H 3 2 s 4H 3 9 q 4H 7 2 s 10H C21H24O21 1 t 6H 2 2 q 4H 3 2 s 4H 7 2 s 10H 147 化学位移裂分峰H1 2d62 9m17 2s5 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 第四章核磁共振碳谱 Nuclearmagneticresonance 13C NMR 163 丰度仅1 1 观测灵敏度只有1H核的1 64 总的信号灵敏度仅为1H核的1 5700左右脉冲傅立叶变换核磁共振PulsefouriertransformNMR PF NMR 164 碳谱化学位移范围宽 一般在0 220 分辨率高 化学环境稍有不同的13C核均可观测到 可得到分子骨架信息 最充分掌握分子中所有碳原子信息 碳谱峰形简单 全去偶13C NMR谱中 峰形呈单峰 s 除非分子中含有其他磁性核 D 31P 19F 碳谱能给出季碳的信息 第一节碳谱的特点 165 碳氢偶合常数大 110 320Hz 碳弛豫时间长碳谱测试技术多碳灵敏度低发展了多种去偶技术 得到丰富的碳骨架信息 骨架推测和结论更可靠 166 167 168 例图分析 169 第二节碳谱的主要参数 化学位移峰面积偶合常数 170 一 化学位移 一般用四甲基硅烷 TMS 做内标一般水溶性样品常用氘代二氧六环或2 2 二甲基 2 硅代戊烷 5 磺酸钠 DSS 做内标 化学位移范围 0 220ppm常规的碳谱为质子去偶谱 各核的共振峰为简单的单峰 位置决定于化学位移 171 一 影响碳化学位移的结构性因素 1 碳原子的杂化 172 2 碳核周围的电子云密度 碳负离子核外电子云密度增大 屏蔽效应增强 向高场位移 碳正离子与含未共享孤电子对的杂原子相连是 碳化学位移值向高场移动P115 173 3 诱导效应P115 174 4 共轭效应 175 5 空间效应 一般顺式异构体的碳比相应的反式异构体向高场位移约5ppm 176 6 重原子效应 重原子效应 即随着原子序数增加 抗磁屏蔽增大 碘原子核外围有丰富的电子P117 177 7 分子内氢键的影响 邻羟基苯甲醛和邻羟基苯乙酮中羟基和羰基形成分子内氢键 使得羰基碳去屏蔽 值增大P117 178 8 取代基的数目 一般来说 碳上烷基或拉电子取代基数目增加 引起该碳化学位移值向低场移动增加 179 二 影响碳化学位移的外部因素 1 介质效应溶剂 样品浓度或者pH不同都会引起碳化学位移值改变 由溶剂不同引起的化学位移值的变化 称为溶剂效应2 温度效应温度升高 溶液粘度减小 可以减轻谱峰的宽化程度 温度升高 样品的溶解度增加 可以提高溶解度小的样品核磁共振谱的信噪比 反正 温度降低 可降低交换速度 有利于观察可交换质子以及其他的偶合 180 二 峰面积 与氢谱不同 碳全去偶谱中信号强度 峰面积或峰高 与碳的数目不完全呈定量关系 主要是两大因素影响13C NMR中峰的强度 1 自旋 晶格弛豫时间2 质子对直接相连碳原子的NOE增益由质子宽带去偶产生的异核NOE效应表现为与氢相连的碳原子谱峰增强 181 三 偶合常数 13C 13C同核偶合的几率很小 13C天然丰度1 1 1H天然丰度 99 13C 1H异核偶合 偶合影响突出 峰裂分 谱图复杂 182 一 直接碳 氢偶合 1JCH P119碳谱中 相隔一键的13C 1H直接偶合具有很大的偶合常数值 1JCH为110 320Hz 影响1JCH值得因素 1 1JCH与杂化轨道s电子成分有关 1JCH值与S电子成分占的比例 S 近似经验关系式 1JCH 5 S Hz2 1JCH与键角有关 环越小 键角越小 1JCH值越大3 1JCH受取代基的电负性影响 取代基的电负性越大 碳核的有效核电荷数增加越多 1JCH值也增加越多 183 二 远程碳 氢键偶合主要指间隔2个键和间隔3个键的碳 氢偶合 三 其他核对13C的偶合D 19F 31P 184 与直接相连的H的偶合裂分遵循n 1规律 除了直接相连的H的影响外 还存在间隔两个键以上的远程偶合 信号进一步裂分 形成更复杂的图 多种去偶方法 185 第三节碳谱的测定技术 186 1 质子噪音去偶谱 protonnoisedecouplingspectrum 全氢去偶 protoncompletedecoupling COM 宽带去偶 broadbanddecoupling BBD 在读取C的信号期间 用覆盖所有H核共振频率的宽频电磁辐射照射H核 消除所有氢核对相关C的偶合 特征 单峰可判断磁不等同C核的数目 化学位移无法判断C的类型 伯仲叔季 187 2 偏共振去偶谱OFR offresonancedecouplingspectrum COM法完全消除了13C核上1H信息 对解谱不利 如何保留与13C直接相连的H的信息 当照射1H核的电磁辐射偏离所有1H核共振频率一定距离时 测得的13C NMR谱中将不能完全消除直接相连的1H的偶合影响 偏共振去偶谱 188 3 选择氢核去偶谱SEL selectiveprotondecouplingspectrum 在氢核信号归属已经明确的前提下 用很弱的能量选择性的照射某种 组 或某几种 组 特定的氢核 以分别消除它们对相关碳的偶合影响 p 122 189 4 门控去偶及反转门控去偶GDandIGD GatedecouplingandInversegateddecoupling 门控去偶有称交替脉冲去偶或预脉冲去偶 是在发射脉冲前 预先去偶照射 使自旋体系被去偶 此时有NOE效应 接着发射脉冲 接收FID信号 关掉去偶照射 此时核迅速恢复偶合 门控去偶谱和偶合谱一样有偶合关系 但和偶合谱不同的是有NOE效应使谱线增强 门控去偶可得到13C 1H偶合信息 190 反转门控去偶是另一种门控去偶 又称抑制NOE门控去偶 采用加长脉冲间隔 增加延迟时间 尽可能抑制NOE 得到宽带去偶谱 保持碳数与信号强度成正比 反转门控去偶主要用于碳原子数的定量 191 第四节各类化合物的13C NMR特征 1 烷烃sp3杂化 值 45ppm端甲基 13 14 分支越多 越大 开链烷烃 i 2 6 9 1n 9 4n 2 5n i为i碳原子的化学位移n n 和n 分别为i碳原子 和 位所连碳原子的个数 192 CH3 CH2 CH2 CH2 CH312345 1 C1和C5 2 6 9 1 1 9 4 1 2 5 1 13 4ppm 2 C2和C4 2 6 9 1 2 9 4 1 2 5 1 22 5ppm 3 C3 2 6 9 1 2 9 4 2 34 4ppm i 2 6 9 1n 9 4n 2 5n 193 i 2 6 9 1n 9 4n 2 5n 194 2 烯烃 C C sp2杂化 82 160ppm 成对出现 端碳 110 邻碳上取代基增多 越大 195 196 197 198 3 炔烃 sp杂化 65 100ppm 199 4 芳烃 sp2杂化 82