19章核磁共振波谱法课件

1、第十九章,核磁共振波谱法,第一节,概述,一、什么是,NMR,NMR,的研究对象,?,磁性核与电磁波的相互作用,磁性核,：,109,种元素所有的核均带电荷，有些核具有,角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转,(,似带电的陀螺,),图示：磁性核在外加磁场中的行为,图,1: (1),无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。,(2),放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方,向平行或反平行,图,2: (1),无外加磁场时，磁性核的能量相等。,(2),放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行,（高能量）两种，出现能量差,?,E=h,?,。,用能量等于,?,E,的电磁波照射,磁场中的磁性核，则低能级,上的某些

2、核会被激发到高能,级上去,(,或核自旋由与磁场平,行方向转为反平行,),，同时高,能级上的某些核会放出能量,返回低能级，产生能级间的,能量转移，此即共振。,NMR,?,利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时,产生的能级分裂与共振现象。,N,S,N,S,S,N,N,S,二、,NMR,发展简史,?,1924,年,Pauli W.,假设,?,特定的原子核具有自旋和,磁矩，放入磁场中会产生能级分裂,?,1952,年,Standford,大学的,Bloch,和,Harvard,大学的,Purcell,独立证实了上述假设。获,Nobel Prize,?,1953,年，第一台,NMR,仪器,?,FT-NM,?,

3、1971,年，,Jeener,首次提出二维核磁共振；,?,1975,1976,年间,R.Ernst,从理论和实践两方面对,2D NMR,进行了深入的研究，获,1991,年,Nobel Prize,?,2002,年,K. W,thrich,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,获,2002,年,Nobel Prize,1.,1944: I. Rabi,2.,1952: F. Bloch,3.,1952,：,E.M. Purcell,4.,1955: W.E. Lamb,5.,1955,：,P. Kusch,6.,1964: C.H. Townes,7.,1966: A. K

4、astler,8.,1977: J.H. Van Vleck,对,NMR,作过贡献的,15,位,Nobel,奖得主,9.,1981: N. Bloembergen,10.,1983: H. Taube,11.,1989: N.F. Ramsey,12.,1991: R.R. Ernst,13.,2002: Kurt W,thrich,14. 2003,：,Paul Lauterbur,15. 2003,：,Peter Mansfield,三、设计,NMR,仪器的关键考虑,a) NMR,产生的外因：外加磁场,b) NMR,信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定,c),样品的吸收频率范围：无

5、线电电磁波,d) NMR,谱记录：吸收峰频率,(,化学位移）与峰强度的关系,300M,核磁,600M,核磁,核磁共振,(nuclear magnetic resonance,，,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,(NMR spectrum),：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,。,2,四、,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,

6、跃迁形式,紫外,-,可见吸收光谱,200760nm,外层电子能级跃迁,红外光谱,2.5,25m,分子振,-,转能级跃迁,核磁共振谱,60cm300m,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,（,-CH,3,、,-CH,2,-,、,、,=CH,2,、,、,Ar-H,、,-OH,、,-CHO,）及质子化学环境,；,五、核磁共振光谱分类,1,、,按,原子核种类,可分为,1,H,、,13,C,、,19,F,、,31,P,等核磁共振谱。,C,H,C,H,但不能给出不含氢基团的共振信号。,?,碳谱,可给出丰富

7、,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,。,?,19,F,和,31,P,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,。,5,六、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

8、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。

9、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,12,C,、,16,O,等。,1,、自旋分类,（,2,）,质量数为奇数,，,电荷数,可为,奇数,，如,1,H,、,19,F,等；,也可为,偶数,的核，如,13,C,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,

10、、,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。,质量数,电荷数,（原子序数）,自旋量子数,（,I,）,例,偶数,偶数,0,12,C,、,16,O,、,32,S,奇数,奇数,1/2,1,H,、,19,F,、,31,P,、,15,N,3/2,11,B,、,79,Br,奇数,偶数,1/2,13,C,3/2,33,S,偶数,奇数,1,2,H,、,14,N,表,19-1,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,（,spin,angular,momentum):,图,19-1,质子的自旋,（,a,

11、）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,：,),1,(,2,?,?,?,?,?,I,I,h,P,?,?,?,?,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。,),1,(,2,?,?,I,I,h,P,?,（,19,1,）,（,19,2,）,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,（,magnetic quant-um number),表示。,图,19-2,氢核磁矩的取向,二、原子核的自旋能级和共振吸收,m=I,

12、I-1,I-,2,-I+1,-I,（,15,3,）,如,1,H,（,I=1/2,），,m,有两种取向,( ),：,m=1/2,、,-1/2,；又,如,2,H,（,I=1,），,m,有三个取向，,m=1,、,0,、,-1,。,2,1,2,1,2,?,?,?,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（,P,Z,）：,m,h,P,z,?,2,?,（,19,4,）,代入（,19,2,）式得：,?,?,?,2,h,m,Z,?,?,?,13,核磁矩的能量

13、与,Z,和外磁场强度,H,0,有关,0,0,2,H,h,m,H,E,?,?,?,?,?,?,?,?,?,（,19,5,）,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：,0,2,H,h,m,E,?,?,?,?,?,?,0,2,2,),2,1,(,;,2,1,H,h,E,m,?,?,?,?,?,?,?,0,1,2,2,1,;,2,1,H

14、,h,E,m,?,?,?,?,?,0,1,2,2,H,h,E,E,E,?,?,?,?,?,?,(19,6,）,式,(19,6,）,说明了,I=1/2,的核，两能级差与外加磁场强度,（,H,0,）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,19-4-A,陀螺的进动,图,19-4-B,原子核的进动,H,0,旋进轨道,自旋轴,自旋的质子,进动频率,( ),与外加磁场强度,(H,0,),的关系可用,Larmor,方程表示：,式中,为磁旋比：,质子的磁旋比,=,2.67519,10,8,T,-1,S,-1,13,C,核的磁旋比,=6.72615,10,7,T

15、,-1,S,-1,此式说明,核一定时，,H,0,增大，进动频率增加。,在,H,0,一定时，磁旋比小的核，进动频率小。,0,2,?,?,?,?,?,?,(19,7,）,2,、共振吸收条件,0,即照射频率必须等于原子核进动频率,。,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,0,0,0,2,2,H,H,h,E,h,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=1/2m=,-1/2,；,:,三个能级，跃迁只能发生在,m=,m=,或,m=,m=,，,而不

16、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。,kT,hH,kT,E,e,e,n,n,/,/,0,?,?,?,?,?,?,（,19,9,）,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,T,1,表示，,T,1,是高能态寿命和,驰豫效率的量度，,T,1,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,-

17、,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,T,2,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,N,S,B,o,B,1,Detector,Frequency,Generator,Recorder,Magnet,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,（,continuous wave NMR,），简称,CW NMR,。,?,如,固定照射频率，改变磁场强度

18、,来满足共振条件，,这种方法叫,扫场,（,swept field),，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,(swept frequency),。,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,理想化的、裸露的氢核，满足,共振条件：,?,0,=,?,H,0,/ 2,?,；,产,生单一的吸收峰；,实际上，氢核受周围不断运动,着的电子影响。,感应磁场,屏蔽效应,0,),1,(,2,H,?,?,?,?,?,?,?,原子核实际受到的磁场强度为：,（,H:,感应磁场,：屏蔽常数）,H,

19、实,H,H,H,H,H,（,1,）,零,点,-1,-2,-3,1,2,3,4,5,6,6,7,8,9,?,H,0,低场,高场,屏蔽效应,，共振信号移向高场,屏蔽效应,，共振信号移向低场,去,扫场中：,核外电子云密度越,大,，,?,越,大,，共振发生在,高场,核外电子云密度越,小,，,?,越,小,，共振发生在,低场,二、,化学位移的表示方法,1.,位移的标准,没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。,相对标准：四甲基硅烷,Si(CH,3,),4,（,TMS,）,内标；高度屏蔽,位移常数,?,TMS,=0,2.,为什么用,TMS,作为基准,?,a. 12,个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；,

20、b.,屏蔽强烈，位移最大。与其它有机化合物中的质子峰,不重叠；,c.,化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,3.,位移的表示方法,与裸露的氢核相比，,TMS,的化学位移最大，但规定,?,TMS,=0,，其他种类氢核的位移为负值（负号不加）。,?,= ,（,?,样,-,?,TMS,) /,?,TMS,10,6,(ppm),零,点,-1,-2,-3,1,2,3,4,5,6,6,7,8,9,?,TMS,低场,高场,去屏蔽区,屏蔽区,化学位移用,?,表示,?,是以百万分之一,(ppm),为单位,?,小,，说明屏蔽强，共振需要的磁场强度大，,在,高场,出现，图右侧；,?,大,，说明屏蔽弱，共振需要

21、的磁场强度小，,在,低场,出现，图左侧；,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。,CH,3,X,CH,3,F,CH,3,OH,CH,3,Cl,CH,3,Br,CH,3,I,CH,4,（,CH,3,）,4,Si,X,F,O,Cl,Br,I,H,Si,电负性,4.0,3.5,3.1,2.8,2.5,2.1,1.8,4.26,3.40,3.05,2.68,2.16,0.23,0,表,1-3 CH,3,X,型化合物的化学位移,例,1,-OCH3,3.42-4.02,-NCH,

22、3,2.12-3.10,-CCH3,0.77-1.88,例,2,CH,3,I,2.16,CH,3,Br,2.68,CH,3,Cl,3.05,CH,3,F,4.26,例,3,CH,3,-H,0.23,CH,3,-Cl,3.05,CH,2,-Cl,2,4.70,CH-Cl,3,7.28,0,1,2,PPM,0,1,2,3,PPM,0,1,2,PPM,OMe,NMe,CMe,电负性不同,C 2.5,，,N 3.0,，,O 3.5,例,1,-OCH3,3.42-4.02,-NCH,3,2.12-3.10,-CCH3,0.77-1.88,0,1,2,PPM,0,1,2,PPM,0,1,2,3,PPM,0

23、,1,2,3,4,PPM,MeI,MeBr,MeCl,MeF,I=2.5,，,Br,2.8,，,Cl,3.0,，,F,4.0,例,2,CH,3,I,2.16,CH,3,Br,2.68,CH,3,Cl,3.05,CH,3,F,4.26,0,1,2,PPM,0,1,2,3,PPM,0,1,2,3,4,5,PPM,0,1,2,3,4,5,6,7,PPM,CHCl,3,CH,2,Cl,2,CH,3,Cl,CH,4,诱导效应具有加和性,例,3,CH,3,-H,0.23,CH,3,-Cl,3.05,CH,2,-Cl,2,4.70,CH-Cl,3,7.28,2.,磁各向异性效应,在外磁场作用下，分子中的,电

24、子环流,所,产生的感应磁场，其强度和方向在化学键周围具,各向异性，使分子中处于不同位置的质子受到的,屏蔽作用不同的现象。,正屏蔽,：感应磁场与外磁场方向相反，质子实,受场强降低，,?,值减小,。,去屏蔽,：感应磁场与外磁场方向相同，质子实,受场强增强，,?,值增大,。,1,）双键,价电子产生感应磁场，,质子位于其磁力线上，,与外磁场方向一致，,去,屏蔽,。,=CH,：,56,2,）三键,价电子产生感应磁场，质子位于,其磁力线上，与外磁场方向相反，,正屏蔽,。,CH,：,23,3,）苯环,苯环上的,6,个,?,电子产生较强的诱导磁场，质子位于,其磁力线上，与外磁场方向一致，,去屏蔽,。,?,Ar

25、-H,：,78,3,、氢键的影响,氢键越强,屏蔽作用越小,值越大,移向,低场,O,O,H,CH,3,H,3,C,O,CH,3,O,H,= 12.05,= 15.0,?,氢键形成与温度、浓度及溶剂极性有关,1,、化学位移,?,值随着其邻近原子（或基团）,的电负性增强而增大。,2,、烃基氢的,?,值为芳环上氢,烯基氢,炔基氢,饱和碳原子上的氢。,3,、饱和碳原子上的氢的,?,值为,3,?, 2,?, 1,?,4,、,-OH,、,-COOH,、,-NH,2,、,-SH,等活泼氢，,由于氢键的形成使,?,值向低场位移。,小,结,四、各类有机化合物的化学位移,1.,饱和烃,-CH,3,:,?,CH3,=

26、0.79,?,1.10ppm,-CH,2,:,?,CH2,=0.98,?,1.54ppm,-CH:,?,CH,=,?,CH3,+(0.5,?,0.6)ppm,O,CH,3,N,CH,3,C,CH,3,C,CH,3,O,C,CH,3,?,H,=3.24.0ppm,?,H,=2.23.2ppm,?,H,=1.8ppm,?,H,=2.1ppm,?,H,=23ppm,2.,烯烃,端烯质子：,?,H,=4.85.0ppm,内烯质子：,?,H,=5.15.7ppm,与烯基，芳基共轭：,?,H,=47ppm,3.,芳香烃,芳烃质子：,?,H,=6.58.0ppm,供电子基团取代,-OR,，,-NR,2,时：

27、,?,H,=6.57.0ppm,吸电子基团取代,-COCH,3,，,-CN,，,-NO,2,时：,?,H,=7.28.0ppm,-COOH,：,?,H,=1013ppm,-OH,：,（醇）,?,H,=1.06.0ppm,（酚）,?,H,=412ppm,-NH,2,：（脂肪）,?,H,=0.43.5ppm,（芳香）,?,H,=2.94.8ppm,（酰胺）,?,H,=9.010.2ppm,-CHO,：,?,H,=910ppm,4.,活泼氢,图,19-13,各种质子的化学位移简图,常见结构单元化学位移范围,?,由图,19-13,可归纳如下一般规律：,（,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,1012,，,醛基,在,109,，,芳,H,在,87,，,烯,H,在,74,，含,电负性较强原子,H,在,4.92.8,，