核磁共振氢谱解析ppt课件.ppt

第三章核磁共振氢谱 1 核磁共振的基本原理2 核磁共振仪与实验方法3 氢的化学位移4 各类质子的化学位移5 自旋偶合和自旋裂分6 自旋系统及图谱分类7 核磁共振氢谱的解析 前言 过去50年 波谱学已全然改变了化学家 生物学家和生物医学家的日常工作 波谱技术成为探究大自然中分子内部秘密的最可靠 最有效的手段 NMR是其中应用最广泛研究分子性质的最通用的技术 从分子的三维结构到分子动力学 化学平衡 化学反应性和超分子集体 有机化学的各个领域 1945年Purcell 哈佛大学 和Bloch 斯坦福大学 发现核磁共振现象 他们获得1952年Nobel物理奖1951年Arnold发现乙醇的NMR信号 及与结构的关系1953年Varian公司试制了第一台NMR仪器 NMR发展 近二十多年发展高强超导磁场的NMR仪器 大大提高灵敏度和分辨率 脉冲傅立叶变换NMR谱仪 使灵敏度小的原子核能被测定 计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用 产生二维谱 对判断化合物的空间结构起重大作用 英国R R Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖 瑞士科学家库尔特 维特里希因 发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法 而获得2002年诺贝尔化学奖 1H NMRhowmanytypesofhydrogen howmanyofeachtype whattypesofhydrogen howaretheyconnected NMR谱的结构信息 化学位移偶合常数积分高度 1 核磁共振的基本原理 原子核的磁矩自旋核在磁场中的取向和能级核的回旋和核磁共振核的自旋弛豫 质量数与电荷数均为双数 如C12 O16 没有自旋现象 I 0质量数为单数 如H1 C13 N15 F19 P31 I为半整数 1 2 3 2 5 2 质量数为双数 但电荷数为单数 如H2 N14 I为整数 1 2 I为自旋量子数 原子核的自旋 磁矩 自旋角动量 PN 自旋量子数 I I 0 1 2 1 3 2 磁矩 N 核磁矩单位 N 核磁子 磁旋比 N 自旋核在磁场中的取向和能级具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的 可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间取向 其数值可取 m I I 1 I 2 I 共有2I 1个取向 I n 2n 0 1 2 3 取整数 一些原子核有自旋现象 因而具有角动量 原子核是带电的粒子 在自旋的同时将产生磁矩 磁矩和角动量都是矢量 方向是平行的 哪些原子核有自旋现象 实践证明自旋量子数I与原子核的质量数A和原子序数Z AZI自旋形状NMR信号原子核偶数偶数0无自旋现象无12C 16O 32S 28Si 30Si奇数奇数或偶数1 2自旋球体有1H 13C 15N 19F 31P奇数奇数或偶数3 2 5 2 自旋惰球体有11B 17O 33S 35Cl 79Br 127I偶数奇数1 2 3 自旋惰球体有2H 10B 14N 能级分裂 两种取向代表两个能级 m 1 2能级高于m 1 2能级 核的回旋和核磁共振当一个原子核的核磁矩处于磁场BO中 由于核自身的旋转 而外磁场又力求它取向于磁场方向 在这两种力的作用下 核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋 这种运动称为Larmor进动 原子核的进动 在磁场中 原子核的自旋取向有2I 1个 各个取向由一个自旋量子数m表示 自旋角速度 外磁场H0 进动频率 磁旋比 1H 26753 2H 4107 13C 6726弧度 秒高斯 共振条件 原子核在磁场中发生能级分裂 在磁场的垂直方向上加小交变电场 如频率为v射 当v射等于进动频率 发生共振 低能态原子核吸收交变电场的能量 跃迁到高能态 称核磁共振 核磁共振的条件 E hv迴 hv射 h BO 2 或v射 v迴 BO 2 射频频率与磁场强度Bo是成正比的 在进行核磁共振实验时 所用的磁强强度越高 发生核磁共振所需的射频频率也越高 要满足核磁共振条件 可通过二种方法来实现 频率扫描 扫频 固定磁场强度 改变射频频率磁场扫描 扫场 固定射频频率 改变磁场强度实际上多用后者 各种核的共振条件不同 如 在1 4092特斯拉的磁场 各种核的共振频率为 1H60 000MHZ13C15 086MHZ19F56 444MHZ31P24 288MHZ对于1H核 不同的频率对应的磁场强度 射频40MHZ磁场强度0 9400特斯拉601 40921002 35002004 70003007 100050011 7500 Boltzmann分布 在质子群中处于高低能态的核各有多少 在绝对温度0度时 全部核处于低能态在无磁场时 二种自旋取向的几率几乎相等在磁场作用下 原子核自旋取向倾向取低能态 但室温时热能比原子核自旋取向能级差高几个数量级 热运动使这种倾向受破坏 当达到热平衡时 处于高低能态的核数的分布服从Boltzmann分布 n n 1 E kT式中 n 低能态的核数n 高能态的核数k Boltzmann常数T 绝对温度当T 27C 磁场强度为1 0特斯拉时 高低能态的核数只差6 8ppm磁场强度为1 4092时 高低能态的核数只差10ppm 核的自旋驰豫驰豫过程可分为两种类型 自旋 晶格驰豫和自旋 自旋驰豫 驰豫过程 由激发态恢复到平衡态的过程 自旋晶格驰豫 核与环境进行能量交换 体系能量降低而逐渐趋于平衡 又称纵向驰豫 速率1 T1 T1为自旋晶格驰豫时间 自旋自旋驰豫 自旋体系内部 核与核之间能量平均及消散 又称横向驰豫 体系的做能量不变 速率1 T2 T2为自旋自旋时间 驰豫时间与谱线宽度的关系 即谱线宽度与驰豫时间成反比 饱和 高能级的核不能回到低能级 则NMR信号消失的现象 核磁共振仪 分类 按磁场源分 永久磁铁 电磁铁 超导磁场按交变频率分 40 60 90 100 200 500 800MHZ 兆赫兹 频率越高 分辨率越高按射频源和扫描方式不同分 连续波NMR谱仪 CW NMR 脉冲傅立叶变换NMR谱仪 FT NMR NMR仪器的主要组成部件 磁体 提供强而均匀的磁场样品管 直径4mm 长度15cm 质量均匀的玻璃管射频振荡器 在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品扫描发生器 安装在磁极上的Helmholtz线圈 提供一个附加可变磁场 用于扫描测定射频接受器 用于探测NMR信号 此线圈与射频发生器 扫描发生器三者彼此互相垂直 PFT NMR谱仪 PFT NMR谱仪与CW谱仪主要区别 信号观测系统 增加了脉冲程序器和数据采集 处理系统 各种核同时激发 发生共振 同时接受信号 得到宏观磁化强度的自由衰减信号 FID信号 通过计算机进行模数转换和FT变换运算 使FID时间函数变成频率函数 再经数模变换后 显示或记录下来 即得到通常的NMR谱图 FT NMR谱仪特点 有很强的累加信号的能力 信噪比高 600 1 灵敏度高 分辨率好 0 45Hz 可用于测定1H 13C 15N 19F 31P等核的一维和二维谱 可用于少量样品的测定 2 核磁共振仪与实验方法 按磁场源分 永久磁铁 电磁铁 超导磁按交变频率分 40兆 60兆 90兆 100兆 220兆 250兆 300兆赫兹 频率越高 分辨率越高 交变频率与分辨率的关系 核磁共振波谱的测定 样品 纯度高 固体样品和粘度大液体样品必须溶解 溶剂 氘代试剂 CDCl3 C6D6 CD3OD CD3COCD3 C5D5N 标准 四甲基硅烷 CH3 4Si 缩写 TMS优点 信号简单 且在高场 其他信号在低场 值为正值 沸点低 26 5C 利于回收样品 易溶于有机溶剂 化学惰性实验方法 内标法 外标法此外还有 六甲基二硅醚 HMDC 值为0 07ppm 4 4 二甲基 4 硅代戊磺酸钠 DSS 水溶性 作为极性化合物的内标 但三个CH2的 值为0 5 3 0ppm 对样品信号有影响 图3 5乙醚的氢核磁共振谱 3 氢的化学位移 原子核由于所处的化学环境不同 而在不同的共振磁场下显示吸收峰的现象 化学等价 分子中若有一组核 其化学位移严格相等 则这组核称为彼此化学等价的核 例如CH3CH2Cl中的甲基三个质子 它们的化学位移相等 为化学等价质子 同样亚甲基的二个质子也是化学等价的质子 化学等价 处于相同化学环境的原子 化学等价原子化学等价的质子其化学位移相同 仅出现一组NMR信号 化学不等价的质子在NMR谱中出现不同的信号组 例1 CH3 O CH3一组NMR信号例2 CH3 CH2 Br二组NMR信号例3 CH3 2CHCH CH3 2二组NMR信号例4 CH3 CH2COO CH3三组NMR信号 化学等价质子与化学不等价质子的判断 可通过对称操作或快速机制 如构象转换 互换的质子是化学等价的 不可通过对称操作或快速机制 构象转换 互换的质子是化学不等价的 与手性碳原子相连的CH2上的两个质子是化学不等价的 对称操作 对称轴旋转其他对称操作 如对称面 等位质子 化学等价质子 对映异位质子 非手性环境为化学等价手性环境为化学不等价 化学等价质子与化学不等价质子的判断 化学等价质子与化学不等价质子的判断 磁等价 分子中若有一组核 它们对组外任何一个核都表现出相同大小的偶合作用 即只表现出一种偶合常数 则这组核称为彼此磁等价的核 例如 CH2F2中二个氢和二个氟任何一个偶合都是相同的 所以二个氢是磁等价的核 二个氟也是磁等价的核 屏蔽效应化学位移的根源 磁场中所有自旋核产生感应磁场 方向与外加磁场相反或相同 使原子核的实受磁场降低或升高 即屏蔽效应 H核 HO 1 其中H核表示氢核实际所受的磁场 为屏蔽常数分类 顺磁屏蔽 抗磁屏蔽 化学位移的表示 单位ppm 标准 四甲基硅 TMS 0 如以 表示 10 10 影响化学位移的因素 诱导效应共轭效应各向异性效应VanderWaals效应氢键效应和溶剂效应 诱导效应 氢原子核外成键电子的电子云密度产生的屏蔽效应 拉电子基团 去屏蔽效应 化学位移左移 即增大推电子基团 屏蔽效应 化学位移右移 即减小 ppm 试比较下面化合物分子中HaHbHc 值的大小 b a c 电负性较大的原子 可减小H原子受到的屏蔽作用 引起H原子向低场移动 向低场移动的程度正比于原子的电负性和该原子与H之间的距离 ppm 作业 习题 2 3 5 6 10 由于邻对位氧原子的存在 右图中双氢黄酮的芳环氢ab的化学位移为6 15ppm通常芳环氢化学位移大于7ppm 共轭效应 讨论 各向异性效应 芳环叁键羰基双键单键在分子中处于某一化学键的不同空间位置上的核受到不同的屏蔽作用 这种现象称为各向异性效应 这是因为由电子构成的化学键在外磁场的作用下 产生一个各向异性的附加磁场 使得某些位置的核受到屏蔽 而另一些位置上的核则为去屏蔽 和 键碳原子相连的H 其所受屏蔽作用小于烷基碳原子相连的H原子 值顺序 芳环环的上下方为屏蔽区 其它地方为去屏蔽区 叁键 键轴向为屏蔽区 其它为去屏蔽区 羰基平面上下各有一个锥形的屏蔽区 其它方向 尤其是平面内 为去屏蔽区 双键 A 1 27 0 85B 1 23 0 72C 1 17 1 01 单键 VanderWaals效应当两个质子在空间结构上非常靠近时 具有负电荷的电子云就会互相排斥 从而使这些质子周围的电子云密度减少 屏蔽作用下降 共振信号向低磁场位移 这种效应称为VanderWaals效应 ppm Ha4 683 92Hb2 403 55Hc1 100 88 氢键与化学位移 绝大多数氢键形成后 质子化学位移移向低场 表现出相当大的去屏蔽效应 提高温度和降低浓度都可以破坏氢键 如下面化合物4个羟基的均可以形成氢键 按照氢键由弱到强的顺序 逐步增大 分子内氢键 其化学位移变化与溶液浓度无关 取决于分子本身结构 分子间氢键受环境影响较大 当样品浓度 温度发生变化时 氢键质子的化学位移会发生变化 乙醇的羟基随浓度增加 分子间氢键增强 化学位移增大 溶剂效应 溶剂不同使化学位移改变的效应溶剂效应的产生是由于溶剂的磁各向异性造成或者是由于不同溶剂极性不同 与溶质形成氢键的强弱不同引起的 4各类质子的化学位移值 各类质子的化学位移值范围 4 1饱和碳上质子的化学位移 甲基在核磁共振氢谱中 甲基的吸收峰比较特征 容易辨认 一般根据邻接的基团不同 甲基的化学位移在0 7 4ppm之间 亚甲基和次甲基一般亚甲基和次甲基的吸收峰不象甲基峰那样特征和明显 往往呈现很多复杂的峰形 有时甚至和别的峰相重迭 不易辨认 亚甲基 CH2 的化学位移可以用Shoolery经验公式加以计算 0 23 式中常数0 23是甲烷的化学位移值 是与亚甲基相连的取代基的屏蔽常数 4 2 不饱和碳上质子的化学位移 炔氢叁键的各向异性屏蔽作用 使炔氢的化学位移出现在1 6 3 4ppm范围内 烯氢烯氢的化学位移可用Tobey和Simon等人提出的经验公式来计算 5 25 Z同 Z顺 Z反式中常数5 25是乙烯的化学位移值 Z是同碳 顺式及反式取代基对烯氢化学位移的影响参数 芳环氢的化学位移值芳环的各向异性效应使芳环氢受到去屏蔽影响 其化学位移在较低场 苯的化学位移为 7 27ppm 当苯环上的氢被取代后 取代基的诱导作用又会使苯环的邻 间 对位的电子云密度发生变化 使其化学位移向高场或低场移动 芳环氢的化学位移可按下式进行计算 7 27 Si式中常数7 27是苯的化学位移 Si为取代基对芳环氢的影响 杂环芳氢的的化学位移值杂环芳氢的化学位移受溶剂的影响较大 一般 位的杂芳氢的吸收峰在较低场 活泼氢的化学位移值常见的活泼氢 如 OH NH SH COOH等基团的质子 在溶剂中交换很快 并受测定条件如浓度 温度 溶剂的影响 值不固定在某一数值上 而在一个较宽的范围内变化 表3 9 活泼氢的峰形有一定特征 一般而言 酰胺 羧酸类缔合峰为宽峰 醇 酚类的峰形较钝 氨基 巯基的峰形较尖 用重水交换法可以鉴别出活泼氢的吸收峰 加入重水后活泼氢的吸收峰消失 活泼氢的化学位移 化合物类型 ppm 化合物类型 ppm ROH0 5 5 5RSO3H1 1 1 2ArOH 缔合 10 5 16RNH2 R2NH0 4 3 5ArOH4 8ArNH2 Ar2NH2 9 4 8RCOOH10 13RCONH2 ArCONH25 6 5 NH OH7 4 10 2RCONHR ArCONHR6 8 2R SH0 9 2 5RCONHAr 7 8 9 4 C CHOH 缔合 15 19ArCONHAr7 8 9 4 5自旋偶合和自旋裂分 5 1自旋 自旋偶合与自旋 自旋裂分5 2n 1规律5 3偶合常数 自旋核的核磁矩可以通过成键电子影响邻近磁核是引起自旋 自旋偶合的根本原因 磁性核在磁场中有不同的取向 产生不同的局部磁场 从而加强或减弱外磁场的作用 使其周围的磁核感受到两种或数种不同强度的磁场的作用 故在两个或数个不同的位置上产生共振吸收峰 这种由于自旋 自旋偶合引起谱峰裂分的现象称为自旋 自旋裂分 Spin SpinSplitting n 1规律 当某组质子有n个相邻的质子时 这组质子的吸收峰将裂分成n 1重峰 n数二项式展开式系数峰形01单峰111二重峰2121三重峰31331四重峰414641五重峰515101051六重峰 严格来说 n 1规律应该是2nI 1规律 对氢原子核 H1 来说 因它的I 1 2 所以就变成了规律 n 1规律只适合于互相偶合的质子的化学位移差远大于偶合常数 即 v J时的一级光谱 而且在实际谱图中互相偶合的二组峰强度还会出现内侧高 外侧低的情况 称为向心规则 利用向心规则 可以找到吸收峰间互相偶合的关系 5 3偶合常数 偶合常数 用J表示 也是核磁共振谱的重要数据 它与化合物的分子结构关系密切 偶合常数的大小与外磁场强度无关 由于磁核间的偶合作用是通过化学键成键电子传递的 因而偶合常数的大小主要与互相偶合的二个磁核间的化学键的数目及影响它们之间电子云分布的因素 如单键 双键 取代基的电负性 立体化学等 有关 偶合常数 单位为赫 Hz 对于氢谱 根据偶合质子间相隔化学键的数目可分为同碳偶合 2J 邻碳偶合 3J 和远程偶合 相隔4个以上的化学键 一般通过双数键的偶合常数 2J 4J等 为负值 通过单数键的偶合常数 3J 5J等 为正值 同碳质子的偶合常数 2J J同 以2J或J同表示 2J一般为负值 但变化范围较大影响2J的因素主要有 取代基电负性会使2J的绝对值减少 即向正的方向变化 对于脂环化合物 环上同碳质子的2J值会随键角的增加而减小 即向负的方向变化 烯类化合物末端双键质子的2J一般在 3 3Hz之间 邻位电负性取代基会使2J向负的方向变化 邻碳质子的偶合常数 3J J邻 饱和型邻位偶合常数 烯型邻位偶合常数 饱和型邻位偶合常数 在饱和化合物中 通过三个单键 H C C H 的偶合叫饱和型邻位偶合 开链脂肪族化合物由于 键自由旋转的平均化 使3J数值约为7Hz 3J的大小与双面夹角 取代基电负性 环系因素有关 烯型邻位偶合常数 烯氢的邻位偶合是通过二个单键和一个双键 H C C H 发生作用的 由于双键的存在 反式结构的双面夹角为180o 顺式结构的双面夹角为0o 因此J反大于J顺 芳氢的偶合常数 芳环氢的偶合可分为邻 间 对位三种偶合 偶合常数都为正值 邻位偶合常数比较大 一般为6 0 9 4Hz 三键 间位为0 8 3 1Hz 四键 对位小于0 59Hz 五键 一般情况下 对位偶合不易表现出来 苯环氢被取代后 特别是强拉电子或强推电子基团的取代 使苯环电子云分布发生变化 表现出J邻 J间和J对的偶合 使苯环质子吸收峰变成复杂的多重峰 远程偶合 超过三个键的偶合称为远程偶合 long rangecoupling 如芳烃的间位偶合和对位偶合都属于远程偶合 远程偶合的偶合常数都比较小 一般在0 3Hz之间 常见的远程偶合有下列几种情况 丙烯型偶合高丙烯偶合炔及迭烯折线性偶合W型偶合 质子与其他核的偶合 质子与其它磁性核如13C 19F 31P的偶合 6自旋系统及图谱分类 核的等价性质化学等价 磁等价快速机制自旋系统的分类图谱的分类几种常见的自旋系统 化学等价和磁等价化学等价 化学位移严格相等的核称为化学等价核 指化学位移相同的原子核 磁等价 一组核对组外任何核表现出相同大小的偶合作用 即只表现出一个偶合常数 着组核称为磁等价核 磁全同 既化学等价又磁等价的原子核 称为磁全同磁全同核 自旋系统的分类 自旋系统的定义把几个互相偶合的核 按偶合作用的强弱 分成不同的自旋系统 系统内部的核互相偶合 但不和系统外的任何核相互作用 系统与系统之间是隔离的 磁不等价的情况 1 单键带有双键性时会产生不等价质子 R CO N CH2CH3 2 2个CH2会出现2组四重峰 2个CH3会出现复杂的多重峰 2组三重峰的重叠 2 双键同碳质子具有不等价性H2C CHR3 单键不能自由旋转时 也会产生不等价质子 BrCH2CH CH3 2有三种构象 室温下C C快速旋转 CH2上2个质子是等价的 但在低温下C C不能快速旋转 CH2上2个质子所处的环境有差别而成为不等价质子 4 与不对称碳相连的CH2 2个质子是不等价的5 固定在环上的CH2 2个质子是不等价 甾体环6 苯环上化学环境相同的质子可能磁不等价 自旋系统的命名 分子中两组相互干扰的核 它们之间的化学位移差 小于或近似于偶合常数J时 则这些化学位移近似的核分别以A B C 字母表示 若其中某种类的磁全同的核有几个 则在核字母的右下方用阿拉伯字母写上标记 如Cl CH2 CH2 COOH中间二个CH2构成A2B2系统 分子中两组互相干扰的核 它们的化学位移差 远大于它们之间的偶合常数 J 则其中一组用A B C 表示 另一组用x y z 表示 若核组内的核为磁不等价时 则用A A B B 加以区别 图谱的分类 核磁共振图谱可分为一级谱图和二级图谱 或称为初级图谱和高级图谱 一级图谱 条件 J 6组内各个质子均为磁全同核特点 1 磁全同质子之间 虽然J 0 但对图谱不发生影响Cl CH2CH2Cl只表现出一个峰2 裂分后峰的数目 符合n 1规律 对于I 1 2的核 3 多重峰的中心即为化学位移值4 峰型大体左右对称 各峰间距离等于偶合常数J5 各裂分峰的强度比符合 a b n展开式各项系数比 一级自旋 自旋裂分规则 当I 1 2时 自旋裂分峰数目服从n 1规则 1 n 1规则 当某基团上的氢有n个相邻的氢时 它将显示n 1个峰 各峰的高度比基本为二项式的各项系数比 若这些相邻的氢处在不同的环境中时 如一种环境中氢n个 另一种环境中氢n 个 则裂分峰将显示 n 1 n 1 个峰 则应考虑偶合常数的大小 对如下结构 以Hd为观察核 1 Jad Jbd Jcd 则Nd na nb nc 1 2 Jad Jbd Jcd则Hd核共振峰的数目为 Nd na 1 nb 1 nc 1 3 Jad Jbd Jcd 从外表上看 Nd na nb nc 1 二级图谱 不符合一级图谱条件的图谱极为二级谱一级图谱的所有特征 二级谱都不具备二级谱的谱图复杂 难以解析由于 与测定条件有关 而J值与测定条件无关 在不同条件下得到的谱图往往成不同的裂分系统 CH2 CHCN中的三个质子 在60Hz的仪器测定时表现为ABC系统100Hz仪器测定时表现为ABX系统220Hz仪器测定时表现为AMX系统 常见的二级图谱 AB系统 ABX系统 AB2系统 A2B2系统 AA BB 系统 7核磁共振氢谱的解析 7 1解