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核磁共振波谱法 分析化学 系列课件 第十五章核磁共振波谱法 第十五章核磁共振波谱法 第一节概述核磁共振 nuclearmagneticresonance NMR 指原子核在磁场中吸收一定频率的无线电波 而发生自旋能级跃迁的现象 核磁共振波谱 NMRspectrum 以核磁共振信号强度对照射频率 或磁场强度 作图所得图谱 核磁共振波谱法 利用核磁共振波谱进行结构 包括构型 构象 测定 定性及定量的方法 2 一 核磁共振波谱与紫外 可见光谱及红外光谱的区别 照射频率不同而引起的跃迁类型不同 测定方法不同 光谱类型 跃迁形式紫外 可见吸收光谱200 760nm外层电子能级跃迁红外光谱2 5 25 m分子振 转能级跃迁核磁共振谱60cm 300m原子核自旋能级跃迁 紫外及红外吸收光谱 亮背景下测暗信号 核磁共振信号 暗背景下测定核磁共振信号 灵敏度较高 3 质子类型 CH3 CH2 CH2 Ar H OH CHO 及质子化学环境 二 核磁共振光谱分类 1 按原子核种类可分为1H 13C 19F 31P等核磁共振谱 但不能给出不含氢基团的共振信号 碳谱可给出丰富碳骨架的信息 但其峰面积与碳数一般不成比例关系 因而氢谱和碳谱可互为补充 19F和31P谱只能用于含F含P的化合物 应用范围较窄 氢谱主要是给出三方面的结构信息 氢分布 核间关系 2 按照射频率分类照射频率越大 核间干扰越小 图谱的清晰度越高 照射频率越大 图谱越清晰 峰间的距离越拉得开 3 按核间干扰程度分为一级光谱和高级光谱 二级以上 4 按消除或改变核间干扰方式分为去偶谱 偏共振谱 5 三 核磁共振波谱法的应用 核磁共振谱的应用极为广泛 可概括为定性 定量及定结构研究 物理化学研究 生物活性测定 药理研究及医疗诊断等方面 1 在有机结构研究方面可测定化学结构及立体结构 构型 构象 互变异构现象等 与紫外 红外 质谱配合使用 是确定有机化合物结构最重要的手段之一 这个方法的最大特点是样品不会被破坏 可回收 6 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率常数等 3 在定量方面可以测定某些药物的含量及纯度检查 4 医疗与药理研究由于核磁共振具有能深入物体内部 而不破坏样品的特点 因而可进行活体研究 在生物化学药品方面也有广泛应用 如酶活性 生物膜的分子结构 癌组织与正常组织鉴别 药物与受体间的作用机制等 近年来 核磁共振成像仪 已用于人体疾病的诊断 第二节基本原理 一 原子核的自旋 核自旋特征用自旋量子数I来描述 1 质量数与电荷数 原子序数 都为偶数的核 I 0 无自旋现象 不会产生核磁共振信号 如12C 16O等 1 自旋分类 2 质量数为奇数 电荷数可为奇数 如1H 19F等 也可为偶数的核 如13C等 I 半整数 1 2 3 2 5 2 I 1 2的核是目前核磁共振研究与测定的主要对象 3 质量数为偶数 电荷数为奇数的核 I 整数 1 2 3 这类核也有自旋现象 但由于它们的核磁距空间量子化比较复杂 所以目前研究较少 表15 1各种核的自旋量子数 自旋量子数I不为0的核能产生自旋 它具有一定的角动量 称为自旋角动量 spinangularmomentum 图15 1质子的自旋 a 核自旋方向与核磁矩方向 b 右手螺旋法则 2 核磁矩 核磁矩的大小取决于自旋角动量P及磁旋比 自旋将产生核磁矩 其方向服从右手法则 大拇指的方向为核磁矩方向 其它四个指头指向为自旋方向 15 1 15 2 原子核在磁场中 核磁矩的取向有2I 1个 不同的取向能量不同 每一种取向用磁量子数m magneticquant umnumber 表示 图15 2氢核磁矩的取向 二 原子核的自旋能级和共振吸收 m I I 1 I 2 I 1 I 15 3 如1H I 1 2 m有两种取向 m 1 2 1 2 又如2H I 1 m有三个取向 m 1 0 1 12 一 核自旋能级分裂 由此可见 核磁距在外磁场空间的取向不是任意的 而是量子化的 这种现象称为空间量子化 不同取向的核磁矩在磁场方向Z轴上的分量取决于角动量在Z轴上的分量 PZ 15 4 代入 15 2 式得 13 核磁矩的能量与 Z和外磁场强度H0有关 15 5 不同取向的核具有不同的能级 对于I 1 2的核 在外加磁场作用下 核磁距有两个方向 一个与H 相同 m 1 2称顺磁场 能量低 另一个方向与H 相反 m 1 2 称逆磁场 能量高 两者的能级差随H 增大而增大 这种现象称为能级分裂 能级的能量为 15 6 式 15 6 说明了I 1 2的核 两能级差与外加磁场强度 H0 及磁旋比 r 或核磁距 的关系式 二 原子核的共振吸收 1 进动 16 图15 4 A陀螺的进动图15 4 B原子核的进动 进动频率 与外加磁场强度 H0 的关系可用Larmor方程表示 式中 为磁旋比 质子的磁旋比 2 67519 108T 1 S 113C核的磁旋比 6 72615 107T 1 S 1 此式说明 核一定时 H0增大 进动频率增加 在H0一定时 磁旋比小的核 进动频率小 15 7 2 共振吸收条件 0 即照射频率必须等于原子核进动频率 由于在能级跃迁时频率相等 0 因而称为共振吸收 19 图15 5共振吸收与弛豫 15 8 m 1即跃迁只能发生在两个相邻能级间 两个能级 m 1 2 m 1 2 三个能级 跃迁只能发生在m m 或m m 而不能发生在m m 三 自旋弛豫 自旋弛豫 激发核通过无辐射跃迁返回到基态的过程称为自旋弛豫 15 9 Boltzmann分布 1 自旋 晶格驰豫处于高能态的核自旋体系将能量传给周围环境 晶格或溶剂 自己回到低能态的过程叫自旋 晶格驰豫 也称纵向驰豫 驰豫过程所需的时间用半衰期T1表示 T1是高能态寿命和驰豫效率的量度 T1越小 驰豫效率越高 2 自旋 自旋驰豫处于高能态的核自旋体系将能量传给邻近低能态同类磁性核的过程 叫自旋 自旋驰豫 也叫横向驰豫 这种过程只是同类磁性核自旋状态能量交换 不引起核磁总能量的变化 其半衰期用T2表示 核磁共振仪示意图 核磁共振光谱仪简介 共振吸收法是利用原子核在磁场中 能级跃迁时核磁矩方向改变而产生感应电流 来测定核磁共振信号 24 这两种方法都是在高磁场中 用高频率对样品进行连续照射 这种方式称为连续波核磁共振 continuouswaveNMR 简称CWNMR 如固定照射频率 改变磁场强度来满足共振条件 这种方法叫扫场 sweptfield 所以Helmholty线圈也叫扫场线圈 若固定磁场强度 改变照射频率来满足共振条件 这种方法叫扫频 sweptfrequency 核磁共振最常用的方法是扫场 5 第三节化学位移 一 局部抗磁屏蔽效应 2 67519 108T 1 S 1 图16 8苯丙酮的核磁共振谱 核外电子的抗磁屏蔽 屏蔽效应由于核外电子云受其他因素影响而导致核实际受到的磁场强度稍有降低的现象 化学位移分子中同类核 由于所处的化学环境不同使之具有不同的共振频率的现象 原子核实际受到的磁场强度为 H 感应磁场 屏蔽常数 H实 H H H H H 1 二 化学位移的表示方法 化学位移是核磁共振谱的定性参数 用 值表示 单位为ppm 1 值定义式 H0固定 16 12 若固定照射频率 0 扫场 则 16 13 事实上 不论H0或 0固定 都用式 16 12 计算 值 最常用的标准物是四甲基硅烷 TMS 当核磁共振谱的横坐标用 表示时 将TMS的 值定为0 在图右端 向左 值增大 一般氢谱横坐标 值为0 10ppm 共振峰若出现在TMS之右 值为负 2 常用标准物和溶剂 一般溶解在有机溶剂中的样品 用TMS作标准物 如以重水为溶剂的样品 可采用4 4 二甲基 4 硅代戊磺酸钠 DSS 这两种标准物的共振峰均出现在高场 若将标准物溶入样品溶液中 则称为内标准 氢谱所用溶剂为氘代溶剂 以防止溶剂氢干扰样品 常用的溶剂有重水 氘代氯仿 氘代甲醇 氘代乙醇 氘代丙酮 氘代苯及氘代二甲基亚砜等 三 化学位移的影响因素 1 相邻基团或原子的电负性 与氢核相邻的原子或基团电负性越强 则使氢核周围电子云密度降低 抗磁屏蔽减弱 值增大 氢核在低场共振 表16 3CH3X型化合物的化学位移 电负性不同C2 5 N3 0 O3 5 I 2 5 Br 2 8 Cl 3 0 F 4 0 诱导效应具有加和性 2 磁各向异性 magneticanisotropy 或称远程屏蔽效应 longrangeshieldingeffect 磁各向异性 质子在分子中所处的空间位置不同 屏蔽作用不同的现象 称为磁各向异性 产生磁各向异性的原因 1 芳环 2 双键 C C及C O 3 叁键 3 氢键影响 能够形成氢键的氢核 电子云偏向氧 使氢周围电子云密度降低 所以共振峰向低场移动 即 增大 各种质子在核磁共振谱上出现的大体范围如图16 13所示 图16 13各种质子的化学位移简图 由图16 13可归纳如下一般规律 以 值为序 1 芳氢 烯氢 炔氢 烷氢 2 次甲基H 亚甲基H 甲基H 3 羧基H 醛基H 酚基H 羟基H 氨基H 羧基H在10 12 醛基在10 9 芳H在8 7 烯H在7 4 含电负性较强原子H在4 9 2 8 亚甲基H在3 1 5 甲基H在2 0 羟基H 氨基H 在5 0 5 四 质子化学位移的计算 质子化学位移的计算可用于光谱解析时确定归属的参考 1 CH3氢 CH2氢 CH氢的化学位移计算 计算公式 B Si B为基础值 标准值 CH3为0 87 CH2为1 20 CH为1 55 Si为取代基对化学位移的贡献值 Si与取代基种类及位置有关 同一取代基在 位比 位影响大 2 烯氢的化学位移计算 计算公式 C C H 5 28 Z同 Z顺 Z反 第四节自旋偶合和自旋系统 一 自旋偶合与自旋分裂 如乙苯的甲基峰为三重峰 亚甲基 CH2 为四重峰 这是它们彼此相互干扰的结果 邻近的两个质子自旋时 核磁矩之间相互作用产生自旋偶合 自旋偶合引起谱线增多 这个现象叫自旋分裂 1 定义 核自旋产生的核磁距间的相互干扰称为自旋 自旋偶合 简称自旋偶合 由自旋偶合引起共振峰分裂的现象称为自旋 自旋分裂 简称自旋分裂或自旋裂分 两者之间互为因果关系 分裂的原因是偶合 偶合的结果是分裂 2 分裂的原因 1 甲基受亚甲基两个H干扰裂分为三重峰 对于简单的偶合 峰裂距称为偶合常数 J a与b偶合 用Jab表示 另外 有n个途径共振 峰强度就是n倍 2 亚甲基受三个甲基氢的干扰裂分为四重峰 甲基的三个质子产生四种不同效应 分裂三次 形成峰高比为1 3 3 1的四重峰 某基团的氢与n个相邻氢偶合时 被分裂成n 1重峰 而与该基团本身的氢数无关 服从n 1律的多重峰峰高比 强度比 为二项式展开式的系数比 单峰 singlet s 二重峰 doublet d 1 1 三重峰 triplet t 1 2 1 四重峰 quartet qua 1 3 3 1 五重峰 quintet qui 1 4 6 4 1 六重峰 sextet sex 1 5 10 10 5 1 3 n 1律 n 1律只有在I 1 2 简单偶合 v J 10 及偶合常数相等时才适用 若某基团与n n1 个氢核相邻 发生简单偶合 有下述两种情况 1 偶合常数相等 裂矩相等 仍服从n 1律 分裂峰数为 n n1 1 例如CH3CH Br CH2COOHJac Jbc Hc CH 分裂为 3 2 1 6重峰 1 5 10 10 5 1 a b c d 2 偶合常数不等 则呈现 n 1 n1 1 个子峰 双二重峰 峰高比为1 1 1 1 双二重峰不是一般的四重峰 1 3 3 1 不要误认 这种情况可以认为是n 1律的广义形式 4 偶合常数 符号中 n表示相隔键数 S表示结构关系 C表示相互偶合核 偶合常数单位为Hz 简单偶合 v J 10 峰裂距即为偶合常数 高级偶合 v J 10 需经计算求出偶合常数 按偶合间隔的键数 可分为 偕偶 邻偶及远程偶合 按核的种类 可分为 H H偶合及13C H偶合 相应的偶合常数用JH H及J13C H来表示 由于峰裂距决定于偶合核的局部磁场强度 因此偶合常数与外磁场强度H0无关 影响偶合常数的因素主要有三个方面 偶合核间距离 角度及电子云密度等 1 间隔的键数相互偶合核间隔键数增多 偶合常数的绝对值减小 偕偶 geminalcoupling 2J或Jgem 也称同碳偶合 邻偶 vicinalcoupling 3J或Jvic 相邻碳上质子的偶合为邻偶 相隔三个键 远程偶合 longrangecoupling 相隔四个或四个以上的键的偶合 远程偶合 2 角度两平面夹角 对偶合常数有影响 偶合核在核磁矩相互垂直时 干扰最小 如Jaa Jae a竖键 e横键 3 电负性由于偶合靠价电子传递 因而随取代基X的电负性增大 X CH CH 的3JHH降低 偶合常数是NMR的重要参数之一 可用来研究核间关系 构型 构象及取代位置等 5 磁等价 magneticequivalence 或称磁全同 1 化学等价核 化学位移相同的核 比如CH3I中的三个H是化学等价的 2 磁等价核 分子中一组化学等价核与分子中其它任何核的偶合常数相同 则这组核称为磁等价核 磁等价核的特征 组内核化学位移相同 与组外核的J相同 在无组外核干扰时 组内虽偶合 但不分裂 必须注意 磁等价核必定化学等价 但化学等价核不一定磁等价 而化学不等价必定磁不等价 因此化学等价是磁等价的前提 双键同碳质子具有磁不等价性 如 CH2 CF2 二氟乙烯 分子中 2个1H和2个19F 化学等价但磁不等价 思考 CH2 CCl2 二氯乙烯 分子中 2个H是否磁等价 为什么 3 磁不等价性 为了判断哪些质子是磁不等价的 就要搞清下列几个问题 如 酰胺 由于C N键带有双键性 不能自由旋转 因此胺基上的两个H是不等价的 在图谱上会出现两个不等价质子的单峰信号 单键带有双键性时 会产生不等价质子 如 Br CH2 CH CH3 2有三种构象 单键不能自由旋转时也能产生不等价质子 与不对称原子连接的CH2质子是不等价的 固定环上的CH2质子不等价 苯环上的邻位质子可能是磁不等价的 二 自旋系统 自旋系统 分子中几个核相互发生自旋偶合作用的独立体系称为自旋系统 按偶合核的数目可分为 二旋 三旋及四旋系统等 自旋系统的分类 按偶合强弱分为 一级偶合 弱偶合 和高级偶合 或二级偶合 J 10一级偶合 J 10高级偶合 1 自旋系统的命名原则 1 分子中化学等价核构成核组 相互干扰的一些核或几个核组构成一个自旋系统 自旋系统是独立的 一般不与其它自旋系统偶合 2 在一个自旋系统内 若一些核化学位移相近 J 10 则这些核组分别以A B C表示之 若核组中包含n个核 即磁等价 则在其字母右下角附标n 3 若一个自旋系统内包含几种核组 组内核间偶合为强偶合 J10 其中一组用A B C 表示 另一组用M N 表示 第三组用X Y 表示 各核磁等价表示同上 4 若一个核组内某些核化学等价而磁不等价 则用同一字母表示 并分别在字母右上角加单撇 双撇等以示区别 如表示为AA BB 等 a c间 一级偶合 例如 环氧乙基苯用60MHz仪器测得 a 2 77 b 3 12 c 3 38 Jab 5 8Hz Jbc 4 1Hz及Jac 2 5Hz 计算 J a b间 高级偶合 b c间 一级偶合 计算证明a b及c三个质子 组成两个大组 ab与c 其中ab间强偶合 a与c b与c间弱偶合 构成ABX自旋系统 混合型 2 一级图谱 由一级偶合产生的光谱为一级图谱或称一级光谱 firstorderspectrum 即服从n 1律的图谱为一级图谱 2 常见的一级偶合系统 二旋系统AX 三旋系统AX2 AMX 四旋系统AX3 A2X2 五旋系统A2X3等 例如 1 1 2 三氯乙烷为AX2系统 乙苯的乙基为A2X3系统 乙酸乙烯酯的烯氢为AMX系统 3 二级图谱 由高级偶合形成的光谱称为二级图谱或二级光谱 secondorderspectrum 或称高级光谱 化学位移的频率差值 是随着外磁场强度增加而增加 而偶合常数 J 基本保持不变 则 J 也随之变化 例如 丙烯腈的三个烯氢核 在60MHz仪器中测得的谱图属ABC系统 在220MHz时 就变成AMX系统 第五节核磁共振氢谱的解析方法与示例 核磁共振谱由化学位移 偶合常数及积分曲线分别提供含氢官能团 核间关系及氢分布等三方面的信息 图谱解析就是利用这些信息来进行定性 定结构分析 解析步骤如下 一 送样要求 样品纯度 98 样品中若含有活泼H OH NH SH及COOH等 要进行重水交换 选择溶解度好的氘代溶剂 样品中若含有 OH CHO COOH 应扫描至 10以上 二 解析顺序 1 一般观察 1 内标物的峰位应准确 否则其它峰的化学位移就不准确 2 内标物或某些峰应有尾波 尾波应成衰减对称形 它可估计仪器的分辨率是否正常 3 积分线在无峰处应平直 否则算出的氢分布不准确 4 从未知物的图谱中勾去氘代溶剂的残留氢峰 以防混淆 2 顺序 6 解析光谱中高级偶合部分 先查看 7左右是否有芳氢的共振峰 按分裂图形来确定自旋系统及取代位置 对于难解析的高级偶合系统 可先进行纵坐标扩展 若不解决问题 可更换高场强仪器或运用双照射等技术测定 也可用位移试剂使不同基团谱线的化学位移拉开 从而使图谱简化 7 含有活泼H的未知物 可用重水交换观察图谱变化情况来确定活泼H峰位及类型 8 参考其它图谱 如IR UV MS等 进行综合解析 9 结构初定后要进行核对 三 解析示例 例1一个含溴化合物分子式为C4H7BrO2核磁共振谱如图16 22 由光谱解析确定结构 已知 a1 78 d b2 95 d c4 45 q d10 70 s Jac 6 8Hz Jbc 6 7Hz 解 1 不饱和度 只含一个双键 为脂肪族化合物 2 氢分布 测量各峰的积分高度 a 2 0cm b 1 0cm c 0 5cm d 0 6cm 氢分布的两种求算方法 1 由每个 或每组 峰面积的积分值在总积分值中所占比例求出 如a峰相当的氢数 同法求得b c及d峰分别相当于2H 1H及1H 2 依已知含氢数目峰的积分值为基准 求出一个氢相当的积分值 而后求出氢分布 如本题中 d10 70很易认定为羧基氢的共振峰 因而0 60cm相当1个H 因此 注意 含活泼H的共振峰 经常较钝 积分高度有时量不准 最好用孤立CH3或CH2等峰 3 由氢分布及化学位移 可以得知a为CH3 b为CH2 c为CH d为COOH 4 由偶合关系确定联结方式 a为二重峰 说明与一个H相邻 即与CH相邻 b为二重峰 也说明与CH相邻 c为六重峰 峰高比符合1 5 10 10 5 1 符合n 1律 说明与5个H相邻 因为各峰的裂距相等 所以Jac Jbc 则5个H是三个甲基H与二个亚甲基H之和 该未知物具有 CH2 CH CH3基团 为偶合常数相等的A2MX3自旋系统 根据这些信息 未知物有两种可能结构 5 由次甲基的化学位移可以判断亚甲基与羧基还是与溴相连 可按式 16 14 及表16 4计算 CH 1 55 1 05 0 25 2 85 CH 1 55 2 68 0 4 23 4 23与c峰的 值4 43接近 因此 未知物的结构是 不是 6 核对 未知物光谱与Sadtler6714M3 溴丁酸的标准光谱一致 证明未知物结构式是 例2某未知物分子式为C8H12O4 a1 31 t b4 19 qua c6 71 s Jab 7Hz 其核磁共振谱 60MHz 如图16 23所示 试确定其结构式 解 1 2 氢分布 以c峰的积分高度为公约数 得氢分布比为a b c 3 2 1 分子式含氢数为12H 则氢分布为6H 4H 2H 说明未知物是具有对称结构的化合物 3 偶合系统 a b间 4 6 71的质子是烯氢 由于是单峰 说明两个烯氢的化学环境完全一致 烯氢的基准值为5 28 说明烯氢与电负性较强的基团相邻 脂肪族化合物 为一级偶合A2X3系统 根据氢分布 可知未知物含有两个化学环境完全一致的乙基 a CH3 b CH2 5 联接方式 由分子式C8H12O4中减去两个乙基及一个乙烯基 余C2O4 说明有两个 COO 基团 中CH2与 COOR相连 计算 中CH2与 O COR相连 计算 计算说明 4 12接近未知物的 b 因此未知物是按 的方式联结 也可查附录三的附表3 2 75号 确定 联接方式有两种可能 7 查对标准光谱 反式丁烯二酸二乙酯烯氢的化学位移为 6 71 Sadtler10269M 顺式的烯氢为 6 11 Sadtler10349M 进一步证明未知物是反式丁烯二酸二乙酯 6 综上所述 有两种可能结构 第六节核磁共振碳谱简介 核磁共振碳谱全称13C核磁共振波谱法 Carbon 13nuclearmagnticresonacespectr oscopy 13CNMR 简称碳谱 碳谱与氢谱的差别 13CNMR信号于1957年被发现 然而迟至1970年才开始应用碳谱直接研究有机物的碳骨架和含碳官能团 主要原因在于同位素13C的天然丰度太低 仅为12C的确1 108 而且13C的磁旋比 是1H的1 4 已知磁共振的灵敏度与 3成正比 所以碳谱的灵敏度相当1H谱的1 5800 70年代出现了脉冲FourierNMR仪器 PFT