核磁共振波谱(NMR).ppt

1 第三章核磁共振波谱 NuclearMagneticResonanceSpectroscopy NMR 氢核磁共振谱 1H NMRspectroscopy 碳核磁共振谱 13C NMRspectroscopy 结构解析的利器 四大光谱 UV IR NMRandMS 2 几个问题 2 NMR是如何产生的 1 药物的本质和来源 3 学习本门课程的目的即NMR的用途 3 Hydroxycamptothecin Morphine Structuresofdrugs 4 三大品牌 瑞士Bruker 日本电子Jeol 美国Varian SamplesofNMRSpectrometers 5 6 7 1 基本原理 核的自旋与核磁矩 核磁距 磁旋比 P 自旋角动量 第一节核磁共振基础知识 1 1 1原子核的自旋 自旋角动量 核磁矩和磁旋比 8 原子核的自旋量子数 I 与质量数 A 及原子序数 Z 的关系 P I I 1 h 2 I 0 1 2 1 3 2 2 5 2等不同的数值 p 9 自旋取向数 2I 1m I I 1 I 核的自旋取向 自旋取向数与能级状态 1 1 2磁性原子核在外加磁场中的行为特性 E 2 H0 10 核在能级间的定向分布及核跃迁 通常在热力学平衡条件下 自旋核在两个能级间的定向分布数目遵从Boltzmann分配定律 即低能态核的数目比高能态的数目稍多一些 11 饱和 saturation 和弛豫 relaxation 低能态的核吸收能量自低能态跃迁到高能态 能量将不再吸收 此种状态称作 饱和 状态 高能态的核由高能态回到低能态 从而保持Boltzman分布的热平衡状态 这种过程称作 弛豫 跃迁 共振 饱和 驰豫 12 核的进动与拉摩尔频率 陀螺在重力场下的进动 13 产生核磁共振的必要条件 磁性核2 外加静磁场3 电磁辐射 指什么 4 电磁辐射能量等于能极差 14 实现NMR的方法 扫频 frequencysweep固定外加磁场强度H0 通过逐渐改变电磁辐射频率来检测共振信号 扫场 fieldsweep固定电磁辐射频率 通过逐渐改变磁场强度来检测共振信号 核磁共振所需辐射频率 2 h H0 E 2 H0 E h E E 15 E 2 H0 E h E E H0 h 2 16 屏蔽效应及能级跃迁 以氢核为例 实受磁场强度 HN H0 1 为屏蔽常数 表示电子屏蔽效应的大小 其数值取决于核外电子云密度 而电子云密度与氢核所处的化学环境有关 17 b a 举个例子详细说明一下吧 否则我们不明白滴 18 低磁场 高磁场 去屏蔽 屏蔽 E 2 HN 2 H0 1 E h E E H0 h 2 1 不同类型氢核共振峰所处的大致位置 19 2 氢核磁共振 1H NMR 1 化学位移的定义 d usample uref u0 106 在一定的辐射频率下 处于不同化学环境的质子 产生核磁共振的磁场强度或共振吸收频率不同的现象 称为化学位移 采用位移常数 来表示化学位移 20 相对差值 与外加磁场强度H0无关 例 用一台60MHZ的NMR仪器 测得某质子共振时所需射频场的频率比TMS 四甲基硅烷 的高120HZ 用一台100MHZ的NMR仪器 进行上述同样测试 2 1化学位移 随着外加磁场强度的增强和照射频率的增加 峰与峰之间的间距增加 但化学位移不变 意义 21 2 基准物质 Reference 常用的标准物是四甲基硅烷 CH3 4Si 简称TMS1 TMS化学性质不活泼2 TMS是一个对称结构3 因为Si的电负性 1 9 比C的电负性 2 5 小4 TMS沸点很低 27度 5 但TMS是非极性溶剂 不溶于水 对于那些强极性试样 必须用重水为溶剂测谱时要用其它标准物 22 3 化学位移的影响因素 重点内容 1 电负性随着相连基团电负性的增加氢核外围电子云密度不断降低 故化学位移值 不断增大 2 H0 1 h d usample uref u0 106 化学位移 屏蔽效应 电子云密度 电负性 23 定义 具有多重键或共轭多重键分子 在外磁场作用下 电子沿分子某一方向流动 产生感应磁场 此感应磁场与外加磁场方向在环内相反 抗磁 在环外相同 顺磁 即对分子各部位的磁屏蔽不相同 2 1 3化学位移的影响因素 磁的各向异性效应 特点与外加磁场方向一致 负屏蔽效应 增加与外加磁场方向相反 正屏蔽效应 降低 24 C X基团 X C O N S CH3CH30 96CH2 CH25 28RHC O9 10 三键 1 8 CH HC 2 1 3化学位移的影响因素 磁的各向异性效应sp2 sp sp3 下面这图是什么意思 为什么正的分布在那里 25 烯氢 4 5 5 7ppm芳氢 6 0 9 0ppm醛氢 9 0 10 0ppm炔氢 1 8 3 0ppm 26 单键的磁各向异性 甲基亚甲基次甲基d0 85 0 95d1 20 1 40d1 40 1 65 环己烷构象中平伏键受到的屏蔽效应 Ha比Hb的化学位移数值稍大 处于低场 27 2 氢核交换对化学位移的影响 分子中的 OH COOH NH2等活泼氢可在分子间相互交换 RCOOHa HOHbRCOOHb HOHa信号的位置与溶液中羧酸和水的摩尔比有关 观察 Na a Nb b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 ROH DOD ROD HOD 28 3 化学位移的影响因素 3 分子内 间 氢键a 分子内氢键 不受溶剂影响 b 分子间氢键 受溶剂影响 浓度 温度等 29 小结 影响化学位移大小的因素 原子的杂化状态 SP2 SP SP3 电子云密度 吸电诱导 共轭等 磁各向异性 C X C C 活泼氢交换 OH NnH COOH 氢键缔合的影响 30 1H NMR化学位移总结 烷烃类化合物 1 与双键相连 2 与O相连 4 与N相连 3 由于N的电四极矩效应 使与之连接的碳上的质子信号变宽 与芳环相连 2 3 2 9 与羰基相连 2 0 2 2 sp3杂化碳上的质子化学位移范围 谱学知识介绍 31 sp2杂化碳上的质子化学位移范围 a 烯烃 谱学知识介绍 32 取代基对烯烃化学位移的影响 烯氢的化学位移值双键碳原子上的质子化学位移值 5 28 乙烯质子的 值 S是乙烯基上各取代基R同 R顺和R反对烯氢化学位移影响之和 2 1化学位移 33 质子化学位移的经验计算 取代基对苯环芳氢的影响 d 7 27 Ss 34 常见结构类型的质子化学位移 C6H6H2C CH2CH CHRH7 285 281 80 1 CHCH2CH31 40 1 651 20 1 400 85 0 95 35 COOH CHOArOHROH RNH2 10 129 104 80 5 5 36 2 1 4化学位移与官能团类型 书上 2 1化学位移 各种环境中质子的化学位移 ppm1211109876543210 37 ppm43210 ppm43210 各种环境中质子的化学位移 2 1 4化学位移与官能团类型 书上128页 2 1化学位移 38 2 1H NMR 氢核磁共振 39 4 峰面积与氢核数目 在1H NMR上 各吸收峰覆盖的面积与引起该吸收峰的氢核数目成正比 积分曲线的总高度和吸收峰的总面积相当 即相当于氢核的总个数 而每一阶梯高度则取决于引起该吸收的氢核数目 40 乙酸苄酯 根据积分曲线判断a b c三组氢核的位置 41 化学位移 积分曲线和偶合常数 42 5 峰的裂分 由相邻的两个 组 磁性核之间的自旋偶合或自旋干扰所引起谱线增多的现象 2 1H NMR 氢核磁共振 43 44 谱学知识介绍 45 46 47 2 3 1峰的裂分2 3 1 1峰裂分原因相邻的两个 组 磁性核之间的自旋偶合或自旋干扰所引起 48 49 化学等价核 所处化学环境相同 化学位移相同 化学不等价核 所处化学环境不同 因此化学位移也不相同 磁等同氢核 化学环境相同 化学位移也同 且对组外氢核表现出相同偶合作用强度 偶合常数相等 的氢核 相互之间虽有自旋偶合却不产生裂分 磁不等同氢核 偶合产生峰分裂 2 3峰的裂分及偶合常数 50 磁不等同核 1 化学环境不相同的氢核 即化学不等价一定磁不等价 2 处于末端双键上的氢核 双键不能自由旋转3 若单键带有双键性质时也会产生磁不等同氢核4 与不对称碳原子相连的CH2上的两个氢核5 CH2上的两个氢核如果位于刚性环上或不能自由旋转的单键上时6 芳环上取代基的邻位质子也可能是磁不等同的 51 5 偶合常数 couplingconstant J Hz a 偶合裂分是由原子核间相互干扰引起的 通过化学键传递 b 相互偶合的H核其J值相同 c 一级图谱峰的裂分遵循n 1规律 d 根据J值大小可以判断偶合氢核之间的关系 归属H核 谱学知识介绍 52 偶合分类 偕偶 Jgem geminalcoupling 因相互干扰的两个氢核位于同一个碳原子上所引起的自旋偶合为偕偶 也叫同碳偶合 偶合常数用J偕 Jgen 或2J表示 通常在10 16HZ 并与结构密切相关 sp3J 10 15Hz sp2C CH2J 0 2Hz N CH2J 7 6 17Hz 53 饱和型 自由旋转J 7Hz构象固定 0 18Hz 与两面角有关 J90 0Hz J180 Jo 7 5Hz 烯型 Jcis 6 14Hz 10 Jtrans 11 18Hz 15 芳环 Jo 6 9Hz Jm 1 3Hz 邻偶 vicinalcoupling Jvic 位于相邻的俩个碳原子上的氢核之间的偶合 与键长 取代基的电负性 两面角以及C C H间键角大小有关 54 可通过糖的C1 H与C2 H的偶合常数 来判断苷键构型 如 D 葡萄糖 邻碳偶合 55 用1H NMR可判断一些糖的相对构型 但还有一些糖由于其结构上的原因 而无法利用1H NMR来判断相对构型 如 56 57 远程偶合 longrangecoupling 间隔三根以上化学键的偶合为远程偶合 如烯丙偶合J4 0 3Hz 苯环的间位Jm 1 3Hz和对位偶合Jp 0 1Hz 58 59 强偶合 J 6高级偶合图谱表示方式 ABC KLM等连续的字母表示 弱偶合 J 6低级偶合图谱或一级图谱表示方式 AMX等相距较远的不连续的字母表示 磁等价的核表示方式 A2 B3连续的字母表示 磁不等价 而化学等价的核表示方式 AA BB 2 3 1 5低级偶合与高级偶合 Ha与Ha Hb与Hb 化学等价 磁不等价属于 AA BB 2个Hb 化学等价 磁等价属于 AB2 60 低级偶合 符合n 1规律 J 6 61 高级偶合 J 6或 J高级偶合系统因偶合干扰作用较强 故裂分小峰数目不符合n 1规律 与J值不可由图上直接读取 需要计算得到 高级偶合图谱又称二级图谱 二旋系统 AB 62 三旋系统 ABX ABC AB2 63 四旋系统 AA BB AA XX 等 64 1H NMR谱测定技术 图谱测定前的准备1 试样 合成得来或从天然产物中分离得到 2 纯度检测 薄层 HPLC 熔点测定等技术 3 干燥 样品首先应充分干燥后再打谱 以免水峰过大掩盖其它峰信号 3 溶剂 选择合适的氘代溶剂 必要时可更换使用 4 样品管 根据样品量的大小选择 65 强磁场NMR波谱仪 1H NMR谱中 不同类型H信号分布范围只在0 20 加以相互偶合裂分 故大多数情况下信号重叠严重 难以分辨 尤其对于初学者来说 从谱图中准确识别各个不同的自旋系统 进行准确归属是十分困难的 尤其是在有高级偶合的情况下如此 偶合常数 J 是定值 与外加磁场强度无关 但信号之间的化学位移差值 会随着外加磁场强度的增加而加大 因而 J值会增大 这样在地磁场NMR仪上显示复杂难辨的高级偶合就可能变成了分离度较好的一级偶合 给结构解析带来了很大的方便 66 简化谱图的方法 67 三大品牌 瑞士Bruker 日本电子Jeol 美国Varian 68 69 自旋去耦可以简化谱图 还可以通过峰形变化找出相互耦合的峰组 多重峰变成单峰也有利于确定多重峰的化学位移值 尤其是高级谱图中的化学位移值 2 4 3去偶试验 2 41H NMR谱测定技术 70 分子内空间位置相近的两个氢核之间HA和HB 如果照射HB 这时HA的共振信号就会增加 这种现象称为核Overhauser效应 nuclearOverhausereffect NOE 2 4 5核Overhauser效应 NOE 2 4 4位移试剂可使各种质子发生顺磁性或反磁性位移 从而将各种质子信号分开 这对解析复杂光谱有帮助 2 41H NMR谱测定技术 71 紫罗兰酮 1 3 4 6 7 8 9 10 1 3 6 7 8 9 10 4 空间排列有两种可能方式 通过NOE测定 照射10 CH3 发现7 H信号增强了8 7 而8 H仅增强5 2 核Overhauser效应 NOE 2 41H NMR谱测定技术 72 1H NMR谱解析的大体程序 首先检查TMS峰信号是否正常 底线是否平坦 溶剂