有机波普 NMR

(NuclearMagneticResonance),第四节核磁共振谱,NMR,1.原子核的自旋,核的自旋角动量()是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述。,一基本原理,核像电子一样，也有自旋现象，从而有自旋角动量。,I0、1/2、1,I=0，=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。,只有当I0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。,I的取值可用下面关系判断：,质量数（A）原子序数（Z）自旋量子数（I）,偶数奇数整数,偶数偶数0,奇数奇数或偶数半整数n+1/2。n=0,1,2,自旋核I0，又可以分为两种情况：,I=1/2的原子核该类核电荷均匀分布于原子核表面，这样的核不具有电四极矩，核磁共振的谱线窄，最适宜于核磁共振研究。,I1/2的原子核该类核电荷非均匀分布于原子核表面，具有电四极矩，导致核磁共振的谱线加宽，这对于核磁共振信号的检测是不利的。一般不作为核磁共振谱研究的对象。,9,例如：,2.自旋核在外加磁场中的取向,取向数=2I+1（在没有外电场时，自旋核的取向是任意的）。,3.磁共振的产生,磁性核的自旋表明,它在外加磁场中有一定的取向,它的某个特定能级状态（用磁量子数ms表示）。取值为I0+I。,即：每一个取向都代表一个能级状态，有一个ms。,如：1H核：I1/2ms为1/2和+1/2,4结论：,(1)EH0；,(2)1H受到一定频率（v）的电磁辐射，且提供的能量=E，则发生共振吸收，产生共振信号。,五核磁共振信号：,1）频率条件：=H0/2,3）Boltzmann分布律：N/N=exp(-E/kBT),式中N，N分别为处于低能态和高能态的核子数，kB为Boltzmann常数。N，N差别很小，对于200MHz的仪器而言它仅仅是105个核中仅相差一个。若无有效的驰豫过程，高低能级状态的粒子数将很快达到饱和。,4）驰豫（relaxation）,若要能在一定时间间隔内检测到核磁共振信号，必须存在某种过程，它使高能级的原子核能够回到低能级，以保持高能级粒子数小于低能级。这个过程就是驰豫。,由上式可以得出，共振频率决定于磁场强度和核的性质。不同核在同一磁场强度下，共振频率不同。如13C和1H在H0=23494G（高斯）时分别为25.14MHz和100MHz。,TheNMRSpectrometer,Solvents:CDCl3,CD2Cl2,THF-d8,etc.,5.质子自旋运动的变化规律（裸露质子）,0,磁场强度,磁场外质子的两种自旋状态,H0,进入磁场,能级E,外加磁场,质子自旋运动的变化规律（续）,0,磁场强度,磁场外质子的两种自旋状态,H0（Hz）,能级E,核磁共振现象,（无线电射频的频率必须与外加磁场的强度相匹配）,当60MHz时，,例：当H014100Gs时，,核磁共振的外在表现,有机物中质子,裸露质子,二核磁共振信号的位移现象（有机分子中质子）,1.屏蔽效应(shieldingeffect)：当把有机物样品置于磁场后，由于氢原子核外电子的环形电流产生的感生磁场总与外加磁场H0方向相反，使得质子感受到的磁场强度总比H0小，这种作用叫做核外电子的屏蔽效应。,2.核磁共振的条件：,当相同时，由于H感为负值，H0必然大于H0，所以我们说，相对于裸露质子来说，有机物的核磁信号向高场发生了移动。,3.化学位移现象,4.化学位移(chemicalshift,),核磁共振信号不同程度的位移，叫做化学位移，通常用来表示。,化学位移的表示方法：感生磁场非常小,只有外加磁场的百万分之几,化学位移与所用仪器的频率有关,但如用表示,则与所用仪器的频率无关,TMS屏蔽效应很强,共振信号在高场区(值规定为0),绝大多数化合物的吸收峰均出现在它的左边。结构对称,是一个单峰与样品不缔合,TMS(四甲基硅烷)作为标准物质,5.影响化学位移的因素,与甲基相连的吸电子基使质子峰向低场方向移动,供电子基使质子峰向高场方向移动。（即：随着电负性的增加，甲基的化学位移增大。）,请一块儿考察！,结论,（1）电负性的影响：,H-CH3CH3-CH3NH2-CH3,:0.230.862.47,Cl-CH3HO-CH3CHCl3,:3.13.397.28,CH3CH2CH2Cl,请归属下各核磁共振吸收峰？,1,2,3,（2）各向异性效应:,例1：,去屏蔽效应使核磁信号向低场移动。,去屏蔽效应,:7.3,:7.3,外加磁场H0,:1.4,电子的各向异性效应：去屏蔽效应,:5.3,:5.3,外加磁场H0,例2：,CH2CH2,CH3CH3,:0.86,1HNMRofCHCH,乙炔碳是SP杂化，电负性较大，为什么化学位移这么小？,1.8,电子的各向异性效应：屏蔽效应,：2.5,炔氢感受到的是屏蔽效应，核磁信号在较高场出现！,1HNMRofCHCH,例3：,18轮烯,环内氢感受到的是屏蔽效应=1.9,环外氢感受到的是去屏蔽效应=8.2,例4：,电子的各向异性效应：屏蔽效应与去屏蔽效应并存,6.特征质子的化学位移值,0.21.5,1.73,24.7,0.5(1)5.5,68.5,10.512,CHCl3(7.27),4.65.9,910,常用溶剂的质子的化学位移值,核磁共振吸收峰的数目有多有少，面积有大有小。,例1：,三核磁共振的其它现象及其与分子结构的关系,例2：,(1)吸收峰的数目：,CH3CH3(一类质子）,CH3CH2Cl(两类质子）,结论：,1.,2.,等价质子：化学环境相同，即电子云的密度相同，故等价质子的核磁共振信号出现在同一频率处。,吸收峰的个数由等价质子的种类数决定,(2)吸收峰的面积的大小,CH3CH2Cl,2,3,CH3CH2CH3,1,3,等价质子数目比:,等价质子数目比3:1,结论：,等价质子：化学环境相同，即电子云的密度相同。在外加磁场中，其H感也相同，其核磁共振频率也相同，因此，等价质子的核磁共振信号出现叠加现象，吸收峰的面积变大。,不等价质子：质子不等价化学环境不同信号位置不同。因此，有几组不等价质子就有几组峰。,吸收峰面积的相对大小由等价质子的数目决定,四偶合常数,1.自旋裂分现象的考察2自旋偶合与自旋裂分3偶合常数的表示4自旋偶合的条件5偶合裂分的规律6质子等性的进一步考察,（1）化学等价和化学位移等价（2）怎样判别两个质子是否化学等价（3）磁等价核（4）介绍几种难以识别的化学位移不等价质子（5）乙醇核磁共振谱的特点,1.自旋裂分现象的考察,d(双重峰),CH3CHCl2,CH3CCl3,s(单峰),(n=0),(n=1),q,甲基不裂分，为单峰,甲基裂分双重峰,n=0,n=1,CH3CH3(n=3),CH3CH2Cl,t(三重峰）,(n=2),s(单峰：？),q,甲基裂分三重峰,甲基裂分四重峰？,n=2,n=3,2自旋偶合与自旋裂分,原子核之间的这种相互作用称为自旋偶合。因自旋偶合而引起谱线增多的现象称为自旋裂分。,邻近的质子因相互之间的作用会影响对方的核磁共振吸收，并引起谱线增多。,3偶合常数的表示,自旋偶合的量度称为自旋的偶合常数，用符号J表示，单位是Hz。J值的大小表示了偶合作用的强弱。,3JH-C-C-H2JH-C-HJab4J,质子a被质子b裂分。,邻碳偶合,同碳偶合,远程偶合,*1CH3CH2BrJab=Jba,b,a,*2偶合常数不随外磁场的改变而改变。,J=Kppm裂分峰间距仪器兆数=常数,4自旋偶合的条件,（1）质子必须是不等性的。（2）两个质子间少于或等于三个单键（中间插入双键或叁键可以发生远程偶合）。,CH2=CH-CH3,c,a,a,b,b,c,Ha、Hb能互相自旋偶合裂分。,Ha、Hb不能与Hc互相自旋偶合裂分。,Ha、Hb能互相自旋偶合裂分。,Ha能与Hc发生远程自旋偶合裂分。,5偶合裂分的规律,一级氢谱必须满足：（1）两组质子的化学位移差和偶合常数J满足/J6。（2）化学位移相等的同一核组的核均为磁等价的。,在一级氢谱中，偶合裂分的规律可以归纳为：*1自旋裂分的峰数目符合(n+1)规律。*2自旋裂分的峰高度比与二项展开式的各项系数比一致。*3Jab=Jba*4偶合常数不随外磁场强度的改变而改变。,自旋偶合,（1）若质子a与n个等性质子b邻接，则质子a的吸收峰将被n个等性质子b自旋裂分为(n+1)个峰，各峰的面积比与二项展开式(a+b)n的各项系数比一致。,CH3-CH2-Br,b,a,Ha呈四重峰，峰面积比为1:3:3:1(A+B)3=A3+3A2B+3AB2+B3Hb呈三重峰，峰面积比为1:2:1(A+B)2=A2+2AB+B2,例如：,对上述规律的具体分析,（2）若质子a被质子b、C两组等性质子自旋裂分，b组有n个等性质子，C组有n个等性质子，则质子a的吸收峰将被自旋裂分为(n+1)(n+1)个峰，各峰的面积比每组的情况都符合二项展开式的系数比。综合结果要做具体分析。,例如:,Ha有(3+1)(1+1)=8重峰Hb有(3+1)(1+1)=8重峰Hc有(1+1)(1+1)=4重峰,（3）质子a被质子b裂分的偶合常数为Jab，质子b被质子a裂分的偶合常数为Jba，则Jab=Jba。,峰裂分数,1:1,1:3:3:1,1:1,1:2:1,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)=222=8,Ha裂分为8重峰,1:3:3:1,1:2:1,1:1,1:6:15:20:15:6:1,峰裂分数,Ha裂分为多少重峰？,Ha裂分峰:(3+1)(2+1)=12,实际Ha裂分峰:(5+1)=6,强度比近似为：1:5:10:10:5:1,偶合峰的判断,（1）偶合常数（J值）相等（2）峰形,通常两组相互偶合的峰都是相应“内侧”峰偏高，而“外侧”峰偏低，在偶合信号的强峰上画一对相应的斜线，形成屋顶形状。,6等性质子（进一步考察）,（1）化学等价和化学位移等价,分子中两个核（质子），具有严格相同的化学位移值，则称它们是化学位移等价的。,分子中两个相同的原子处于相同的化学环境称为化学等价。,（2）怎样判别两个质子是否化学等价,在分子中，如果通过对称操作或快速机制，一些质子可以互换，则这些质子必然是化学等价的。具体还要细分：,通过对称轴旋转而能互换的质子叫等位质子。（等位质子在任何环境中都是化学等价的。）,通过旋转以外的对称操作能互换的质子叫对映异位质子。（对映异位质子在非手性环境中是化学等价的。在手性环境中是非化学等价的。）,不能通过对称操作进行互换的质子叫做非对映异位质子。（非对映异位质子在任何环境中都是化学不等价的。）,（3）磁等价核,一组化学等价的核，如对组外任何其它核的偶合常数彼此之间也都相同，那末这组核就称为磁等价核。,分子中化学位移相同的氢核称为化学等价核；把化学位移相同，核磁性也相同的称为磁等价核。磁等价核之间虽有偶合作用，但无裂分现象，在NMR谱图中为单峰。例如：Cl-CH2-CH2-Cl分子中，-CH2上的氢核皆是磁等价核，出现的信号强度相当于4个H核的单峰。化学位移相同，偶合常数也相同，磁等价核一定是化学等价核,磁不等价核之间才能发生自旋偶合裂分。如下情况是磁不等价氢核A：化学环境不相同的氢核；B：与不对称碳原子相连的-CH2上的氢核C：固定在环上的-CH2中的氢核；D：单键带有双键性质时，会产生磁不等价氢核E：单键不能自由旋转时，也会产生磁不等价氢核。,相关概念的英文翻译：,（1）化学位移等价（ChemicalShiftequivalent）ThroughSymmetryoperation（,Cn,I,Sn.）andrapidmechanismsomenuclearcaninterchange,（2）HomotopicProton(Cn)等位质子,（3）EnantiotopicProton（etal）对映异位质子,（4）Diastereotopicproton（非对映异位质子）Configurationallydiastereotopic;Geometricallydiastereotopic;Conformationallydiastereotopic.,（5）Magneticequivalence,（4）*介绍几种难以识别的化学位移不等价质子,*1与不对称碳原子相连的CH2上的两个质子是非对映异位的，因此是化学不等价的。,Ha与Hb是化学不等价的。,*2双键碳上的情况分析,HaHb不等价,HaHb等价,HaHb等价,HaHb等价,HaHb不等价,HaHb不等价,与温度有关，温度高，HaHb等价温度低，HaHb不等价,*3一取代苯的情况分析（峰的情况与取代基有关）,一组峰,多重峰,三组峰,*4环己烷的情况分析,某些条件下十二个氢表现为一组峰，某些条件下十二个氢表现为两组峰。,自旋体系的分类*,强偶合：/J小于6高级NMR图谱表示方式：ABC、KLM等连续的字母表示。,Ha、Ha化学等价磁不等价Hb、Hb同样属于:AABB,2个Hb化学等价磁等价属于：AB2,弱偶合：/J大于6一级NMR图谱表示方式：AMX等不连续的字母表示。,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、AABB。,（5）乙醇核磁共振谱的特点,(R1-O-H1+R2-O-H2R1-O-H2+R2-O-H1),而含有少量甲酸（杂质）的乙醇的核磁共振图谱，羟基氢既不被-CH2-上的H裂分，也不裂分-CH2-。（因为，酸的存在，使醇羟基中的氢的交换速率加快。）,特点一,高纯度乙醇的核磁共振图谱，羟基氢被邻近的-CH2-上的氢裂分成三重峰，而亚甲基上的氢由于既被-CH3上的H裂分，又被-OH上的氢裂分，得到一个不太易于分辩的双四重峰。,特点四羟基上的氢如与重水中的D发生交换，则它的共振信号消失。,特点三羟基上的氢的吸收峰呈宽峰。,特点二乙醇的浓度对CH3-、-CH2-的化学位移影响不大，而对羟基氢的化学位移影响很大，随着乙醇浓度的升高，羟基氢的共振信号向低场移动。（氢键的作用）,1HNMR的图谱分析（实际解谱步骤）,1标识杂质峰，最主要的杂质峰是溶剂峰。,3根据积分曲线计算各组峰的相应质子数（现在的图谱上已标出）。,4根据峰的化学位移确定它们的归属（表5-15）。,5根据峰的形状和偶合常数确定基团之间的互相关系。,6采用重水交换的方法识别-OH、-NH2、-COOH上的活泼氢。,8结合UV、IR、MS检查结构式.并与标准谱图对照进行验证,2根据分子式计算不饱和度.,7合理组合,了解最可能的结构式,异丙苯的核磁共振氢谱,由吸收峰的组数，可以判断有几种不同类型的H核；由峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断各类H的相对数目；由峰的裂分数目，可以判断相邻H核的数目；由峰的化学位移（值），可以判断各类型H所处的化学环境；由裂分峰的外形或偶合常数，可以判断哪种类型H是相邻的。,一张谱图可以向我们提供关于有机分子结构的如下信息,例1.分子式为C3H6O的某化合物的核磁共振谱如下，试确定其结构。,谱图上只有一个单峰，说明分子中所有氢核的化学环境完全相同。结合分子式可断定该化合物为丙酮。,解：,例2.某化合物的分子式为C3H7Cl，其NMR谱图如下图所示：,试推断该化合物的结构。,解：,由分子式可知，该化合物是一个饱和化合物；,由谱图可知：,(1)有三组吸收峰，说明有三种不同类型的H核；,(2)该化合物有七个氢，有积分曲线的阶高可知a、b、c各组吸收峰的质子数分别为3、2、2；,(3)由化学位移值可知：Ha的共振信号在高场区，其屏蔽效应最大，该氢核离Cl原子最远；而Hc的屏蔽效应最小，该氢核离Cl原子最近。,结论：该化合物的结构应为：,实例,一,C3H6O2IR3000cm-11700cm-1=1NMR11.3(单峰1H)2.3(四重峰2H)1.2(三重峰3H),二,C7H8OIR3300，3010，1500，1600，730，690cm-1=4NMR7.2(多重峰5H)4.5(单峰2H)3.7(宽峰1H),CH3CH2COOH,C6H5-CH2-OH,三,C14H14IR756，702，1600，1495，1452，2860，2910，3020cm-1=8NMR7.2(单峰，10H)2.89(单峰，4H),C6H5-CH2-CH2-C6H5,六核磁共振谱在化学上的其它应用,测定顺反异构体的构型构象的测定,根据1HNMR谱推测下列化合物的结构,（1）C8H10,H:1.2(t,3H);2.6(q,2H);7.1(b,5H)b表示宽峰,（2）C10H14,H:1.3(s,9H);7.37.5(m,5H)m表示多重峰,（3）C6H14,H:0.8(d,12H);1.4(h,2H)h表示七重峰,（4）C4H6CL4,H:3.9(d,4H);4.6(t,2H),（5）C4H6CL2,H:2.2(s,3H);4.1(d,2H);5.1(t,1H),（6）C14H14,H:2.9(s,4H),7.1(b,10H),练习：,(CH3)2CHCH(CH3)2,CH2ClCHClCHClCH2Cl,ClCH2CH=CClCH3,答案：,1核磁共振碳谱的特点2核磁共振碳谱的测定方法313C的化学位移413CNMR的自旋偶合及偶合常数*5核磁共振碳谱解析及应用*6自旋-晶格弛豫时间(T1)7二维核磁共振谱,核磁共振碳谱*,1核磁共振碳谱的特点,(1).灵敏度低(2).分辨能力高(3).给出不连氢的碳的吸收峰(4).不能用积分高度来计算碳的数目(5).驰豫时间T1可作为化合物特构鉴定的波谱参数,2核磁共振碳谱的测定方法,2.1脉冲傅立叶变换法,2.2核磁共振碳谱中几种去偶技术,2.1脉冲傅立叶变换法,脉冲傅立叶变换法（PulseFourierTransform，简称PFT法）是利用短的射频脉冲方式的射频波照射样品，并同时激发所有的13C核。由于激发产生了各种13C核所引起的不同频率成分的吸收，并被接收器所检测。,2.2核磁共振碳谱中几种去偶技术,为什么要去偶？如何去偶？,去偶后如何确定碳为C,CH,CH2,CH3?,常用的方法有：,质子宽带去偶法(ProtonBroadBandDecoupling),偏共振去偶法(Off-ResonanceDecoupling),门控去偶法（GatedDecoupling）,反转门控去偶法(InvertedGatedDecoupling),3.1屏蔽常数,=d+p+a+sd项反映由核周围局部电子引起的抗磁屏蔽的大小。p项主要反映与p电子有关的顺磁屏蔽的大小，它与电子云密度、激发能量和键级等因素有关。a表示相邻基团磁各项异性的影响。s表示溶剂、介质的影响。,313C的化学位移,3.2影响13C化学位移的因素,1.碳杂化轨道对于烃类化合物来说，sp3碳的值范围在060ppm；sp2杂化碳的值范围在100150ppm，sp杂化碳的值范围在6095ppm。2诱导效应3共轭效应4.立体效应5测定条件.溶解样品的溶剂、溶液的浓度、测定时的温度等。,3.313C的化学位移,Thetypicalchemicalshiftrangesofcarbonnucleiareasfollows:,(1)饱和碳的化学位移值饱和烷烃：饱和烷烃为sp3杂化，其化学位移值一般在-2.555ppm之间。,Grant和Paul提出了计算烷烃碳化学位移的经验公式：ci=-2.5+nijAj+S式中-2.5为CH4的值(ppm)；nij为相对于ci的j位取代基的数目，j=、；Aj为相对于Ci，j位取代基的位移参数；S为修正值,(2)烯碳的C值,烯碳为sp2杂化，其C为100165ppm之间。烯碳的C值可用经验公式进行计算：Ci=123.3+nijAi+S式中123.3是乙烯的C值(ppm)，nij为相对于烯碳Ci的j位取代基的数目，j=、。,(3)炔碳的C值,炔基碳为sp杂化，其化学位移介于sp3与sp2杂化碳之间，为6792ppm，其中含氢炔碳（CH）的共振信号在很窄范围（6770ppm），有碳取代的炔碳（CR）在相对较低场（7485ppm），两者相差约为15ppm。不对称的中间炔，如2-炔、3-炔等，二个炔碳C值相差很小，仅有14ppm，这对判断炔基是否在链端很有用处。,(4).芳环碳和杂芳环碳的C值,芳碳的化学位移值一般在120160ppm范围内.,(5)羰基碳的C值,化学位移值比烯碳更趋于低场，一般为160220ppm之间。没有NOE效应，峰的强度较小醛基碳的c值在190205ppm之间;酮的C=O在195220ppm之间;羧酸及其衍生物的C=O在155185ppm范围内，其中羧酸的C=O为170185ppm，酰氯的C=O为160175ppm。酸酐的C=O为165175ppm，酰胺C=O为160175ppm。,413CNMR的自旋偶合及偶合常数,对普通有机化合物来说，对13CNMR谱图影响最大的是13C1H间的偶合，而对含氟或磷元素的化合物，还要考虑13C-19F或13C-31P间的偶合作用。,*5核磁共振碳谱解析及应用,5.1核磁共振碳谱谱图解析程序5.2核磁共振碳谱解析示例,*6自旋-晶格弛豫时间(T1),6.1自旋-晶格弛豫机理6.2T1值的应用,7二维核磁共振谱,1二维J分解谱（2DJ-resolvedSpectroscopy,2DJ）2二维化学位移相关谱（Two-DimesionalChemicalShiftCorrelationSpectroscopy）1H,1H化学位移相关谱（1H,1HCOSY）Heteronuclearmultiple-quantumcorrelation(HMQC)Heteronuclearmultibondcorrelations:HMBC2DNMRhomonuclearthroughspacecorrelations:ROESY,NOESY,核磁共振成像技术在医疗中的应用,MRI:MagneticResonanceImaging,T1valuesdifferwithtissue(environment),WholebodyNMR,MRIofHumanAbdomen,spleen,kidneys,liver,MRI,mediansagittalsection:cervicodorsalsyringomyelia.Thisconditionischaracterizedbythepresenceoffluid-filledcavitiesinthespinalcordsubstance.,BrainTumorAbouttobeZapped,Thiss