核磁共振光谱

1、 张汉辉张汉辉 教授教授编委编委常务常务编委编委 陈义平陈义平 副教授、博士副教授、博士; 孙燕孙燕琼琼 博士博士 北京大学的北京大学的800MHz NMR2001年推出的年推出的 900 MHz NMR 核磁共振成像是近年来一种新型的高科核磁共振成像是近年来一种新型的高科技影像学检查方法，是技影像学检查方法，是80年代初才应用年代初才应用于临床的医学影像诊断新技术。它具有于临床的医学影像诊断新技术。它具有无电离辐射性（放射线）损害；无骨性无电离辐射性（放射线）损害；无骨性伪影；能多方向（横断、冠状、矢状切伪影；能多方向（横断、冠状、矢状切面等）和多参数成像；高度的软组织分面等）和多参数成像；

2、高度的软组织分辨能力；无需使用对比剂即可显示血管辨能力；无需使用对比剂即可显示血管结构等独特的优点结构等独特的优点 核磁共振是一种物理现象，早在核磁共振是一种物理现象，早在1946年年就被美国的布劳克和相塞尔等人分。别就被美国的布劳克和相塞尔等人分。别发现，作为一种分析手段广泛应用于物发现，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学等领域，用作研究物质的分子理、化学等领域，用作研究物质的分子结构。结构。 1971年，美国人达曼迪恩才提出，将核年，美国人达曼迪恩才提出，将核磁共振用于医学的诊断，当时，未能被磁共振用于医学的诊断，当时，未能被科学界所接受。然而，仅仅科学界所接受。然而，仅仅10年的时间，

3、年的时间， 到到1981年，就取得了人体全身核磁共振年，就取得了人体全身核磁共振的图像。使人们长期以来，设想用无损的图像。使人们长期以来，设想用无损伤的方法，既能取得活体器官和组织的伤的方法，既能取得活体器官和组织的详细诊断图像，又能监测活体器官和组详细诊断图像，又能监测活体器官和组织中的化学成分和反应的梦想终于得以织中的化学成分和反应的梦想终于得以实现。实现。 核磁共振完全不同于传统的核磁共振完全不同于传统的X线和线和CT，它是一种生物磁自旋成像技术，利用人它是一种生物磁自旋成像技术，利用人体中的遍布全身的氢原子在外加的强磁体中的遍布全身的氢原子在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共

4、场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间编码技术，用探测器振现象，经过空间编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振检测并接受以电磁形式放出的核磁共振信号，输入计算机，经过数据处理转换，信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织的形态形成图像，以最后将人体各组织的形态形成图像，以作诊断。作诊断。 核磁共振所获得的图像异常清晰、精细、分辨核磁共振所获得的图像异常清晰、精细、分辨率高，对比度好，信息量大，特别对软组织层率高，对比度好，信息量大，特别对软组织层次显示得好。使医生如同直接看到了人体内部次显示得好。使医生如同直接看到了人体内部组织那样清晰、明了，大大提高了诊

5、断效率。组织那样清晰、明了，大大提高了诊断效率。避免了许多以往因手术前诊断不明而不得不进避免了许多以往因手术前诊断不明而不得不进行的开颅、开胸、开腹探查及其他的一些探查行的开颅、开胸、开腹探查及其他的一些探查诊断性手术，使病人避免了不必要的手术痛苦诊断性手术，使病人避免了不必要的手术痛苦以及探查性手术所带来的副损伤及并发症。所以及探查性手术所带来的副损伤及并发症。所以它一出现就受到影像工作者和临床医生的欢以它一出现就受到影像工作者和临床医生的欢迎，目前已普遍的应用于临床，对一些疾病的迎，目前已普遍的应用于临床，对一些疾病的诊断成为必不可少的检查手段。诊断成为必不可少的检查手段。2) 1(hII

6、PI =PI PIZ=MIZ=PIZ=MIMI=I、I-1、-I2h2h 因因Z=PIZ=MI E1=1/2h/2H0 （MI=+1/2，取向）取向） E2=1/2h/2H0 （M1=1/2，取向）取向）2h02HhEE与与H0和和有关有关I=1/2的核的磁能级示意图的核的磁能级示意图 核核 天然丰度天然丰度 I 核磁矩核磁矩 旋磁比（旋磁比（） /2 相对灵敏度相对灵敏度 （）（） （核磁子（核磁子 （孤度（孤度秒秒-1 （兆周（兆周 （同一磁场）（同一磁场） 单位）单位） 高斯高斯-1） /1万高斯）万高斯） 1H 99.9844 1/2 2.7927 26.753 42.577 1.00

7、0 13C 1.069 1/2 0.70216 6.728 10.705 0.015915N 0.380 1/2 -0.28304 -2.712 4.315 0.00104 19F 100 1/2 2.6273 25.179 40.055 0.834 31P 100 1/2 1.1305 10.840 17.235 0.06435Cl 75.4 3/2 0.82089 2.624 4.172 0.00471 11B NMR of B10H14 H=H0 Heff=H0+H=H0H0=（1）H00122HHeff (HRHS)HR106 (ppm) (SR)R106 (ppm) (RS)106

8、（ppm） , , 1.8 2.1 2.5 2.8 3.1 4.0 0 0.23 2.16 2.68 3.05 4.26 例例 4.03H OCH3 CC 3.8 H HP共轭共轭 （）O 6.27 H CCH3 CC 5.9 H H CHCH H H H3CCH3 CC H H sp sp2 sp3 2.9ppm 5.8ppm 0.9ppm9.28-2.90 乙烯乙烯的质子的质子值值(5.25ppm)比饱和烃的比饱和烃的CH2的的约大约大4ppm。羰基的屏蔽作用和双键相似，由于羰基的屏蔽作用和双键相似，由于醛基质醛基质子处于去屏蔽区，同子处于去屏蔽区，同时还受到电负性较强的氧原子的诱导作用，

9、至使醛共振峰出现时还受到电负性较强的氧原子的诱导作用，至使醛共振峰出现在低场（在低场（=9.210.5ppm）4范德华效应（范德华效应（Van der Waalss effect）5氢键效应（氢键效应（effect of hydroge bond）例如：例如： BrCH2Cl = 0.23+2.33+2.53=5.09ppm (obs5.16ppm) 例如：例如：（C6H5）-CH2CH3 = 0.23+1.85+0.47=2.55ppm (obs2.62ppm) 例如：例如：（C6H5）CH Cl2 = 0.23+1.85+2.532=7.14ppm (obs6.61ppm)同顺反c=c-H

10、 = 5.25 + Z同同 + Z顺顺 + Z反反 (ppm)例：例：HaHbRc=cHA=5.25+0+(-0.22)+0.12= 5.15 ppm (obs. 5.27 ppm)c=cHB=5.25+0+0.38+(-0.28)= 5.35 ppm (obs. 5.37 ppm) 7.01 5.95 5.60 5.95 ppm 环的张力环的张力 23SO2ClO2N3 = 7.27+0.83+0.10 = 8.2 ppm （实测值（实测值8.25 ppm） 2 = 7.27+0.26+0.85 = 8.38 ppm （实测值（实测值8.45 ppm）HaHaHbHbOCH3COOHHa=

11、7.27+0.8-0.10 = 7.97 ppm (实测值实测值8.08 ppm)Hb= 7.27-0.45+0.25 = 7.07 ppm (实测值实测值6.98 ppm) 醋酸苄酯醋酸苄酯- ChemDrawOH乙醛的乙醛的NMR谱图谱图（60兆周）兆周）A= （1A）HO2 A1 =/2（HO+HB）（）（1） 在低场出峰在低场出峰 A2 =/2（HO -HB）（）（1） 在高场出峰在高场出峰=12= （1A）HB = JABB AAA1A2FHaHbBr(C)-CHB质子质子 质子产生质子产生 -CH2-实受实受 谱线位置谱线位置 自旋取向自旋取向 局部磁场局部磁场 磁场磁场 （+1/

12、2） H HO +H 低场出峰低场出峰 （-1/2） H HO - H 高场出峰高场出峰-CH2-质子质子 氢核产生氢核产生 HB实受磁场实受磁场 谱线位置谱线位置 取向排列取向排列 局部磁场局部磁场 2H HO+2H 低场出峰低场出峰 0 HO 0 HO 不变不变 2H HO2H 高场出峰高场出峰-CH2-质子受到质子受到-CH质子的作用，质子的作用，NMR谱线分裂成二重峰，谱线分裂成二重峰，峰面积比峰面积比1：1 -CH实质上受到三种不同的磁场的作用，实质上受到三种不同的磁场的作用，NMR谱线分裂为三重峰，谱线分裂为三重峰，峰面积比峰面积比1：2：1-CH3 氢核产生氢核产生 质子取向排列

13、质子取向排列 局部磁场局部磁场 CH实受磁场实受磁场 谱线位置谱线位置 3H HO+3H 低场出峰低场出峰 H HO+H H HO+H 低场出峰低场出峰 H HO+H H HOH H HOH 高场出峰高场出峰 H HOH 3H HO3H 高场出峰高场出峰 0 1 1 单峰单峰 1 2 1 1 二重峰二重峰 2 3 1 2 1 三重峰三重峰 3 4 1 3 3 1 四重峰四重峰 4 5 1 4 6 4 1 五重峰五重峰 一级谱系统小结一级谱系统小结 AX系统的图谱特征：系统的图谱特征： （1）有四条线，）有四条线，A和和X各占两条各占两条 各组峰的中心即化学位移各组峰的中心即化学位移 （2）裂分

14、谱二线间距等于）裂分谱二线间距等于JAX （3）A及及X的化学位移处于所属二线的中心的化学位移处于所属二线的中心 （4）图谱中四线高度相等）图谱中四线高度相等 例如：例如：HCCF，HCCl2F等都是等都是AX系统系统HO(P-CH2-)2-N-CH2-C-OHHOOO(A)(B) （1）在此系统，任何两类氢核之间的化学）在此系统，任何两类氢核之间的化学位移之差均远大于它们之间的偶合常数。位移之差均远大于它们之间的偶合常数。 （2）当）当JAMJXM时，时，AMX系统共有十二条谱线，系统共有十二条谱线，A、M、X各占四条，四线强度相等。十二条线共有三种裂距，分别各占四条，四线强度相等。十二条线

15、共有三种裂距，分别等于偶合常数等于偶合常数JAM、JAX和和JMX。每组四重峰的中心分别为。每组四重峰的中心分别为A、M和和X的化学位移。例如的化学位移。例如 醋酸乙烯酯醋酸乙烯酯的的1H NMR（图图3-18.）。）。 （3）当）当JAMJXM时，谱线的分裂数目不再是时，谱线的分裂数目不再是（n+1）（n+1），而是，而是（n+n+1），峰的强度比仍服从二顶式系峰的强度比仍服从二顶式系数比规则。如数比规则。如CH3CH2CH2I的的1H NMR（图图3-19）。）。 原子核的磁性原子核的磁性（核旋磁比）（核旋磁比） 偶合常数偶合常数 几何构型几何构型 键长键长 分子结构分子结构 键角键角 电

16、子结构电子结构 化学键的电子云分布化学键的电子云分布 核周围电子密度核周围电子密度核核A，核，核B之间的偶合之间的偶合核核B在核在核A处产生的局部磁场为处产生的局部磁场为HBHB=KBB A（1）= A / 2（H0HB）（）（1A）A（2）=A / 2（H0HB）（）（1A）JA B= A（1） A（2）=（A/ ） （） （ HB） （） （1 A） = KBAB（1A）/同理同理,对于核对于核BJA B= B ( 1 ) B ( 2 )= KAAB( 1 B _) / JAB=KAB 1） J和相隔化学键的数目的关系和相隔化学键的数目的关系分子分子 nJHH (HZ) CH4 2J= 1

17、2.4 CH3-CH3 3J=8.0 CH3-CH2-CH3 4J0.5 2J3J4J，隔四个，隔四个键的偶合一般不键的偶合一般不易观察到易观察到 键的类型键的类型 键长（键长（A） 1JC-C（H Z） CC 1.534 34.6 CC 1.339 67.6 CC 1.205 171.52）. 化学键的性质化学键的性质（1） 饱和烃饱和烃 一般一般3JH-H=79HZ，4JH-H0.5HZ。 （2） 烯烃烯烃 烯烃中的烯烃中的键传递偶合的能力比键传递偶合的能力比键强，如乙烯的键强，如乙烯的3J顺（顺（H-H）=11.6Hz，3J反（反（H-H）=19.1Hz。如果。如果C=C双键被双键被C-

18、C单隔开，单隔开，传递偶合的能力迅速减弱。如：传递偶合的能力迅速减弱。如：H-C=C-CH2-R，4JH-H=1.5Hz，J二烯二烯H-C=C-C=C-H，5JH-H0.71.3Hz。如果二个双链直接相。如果二个双链直接相连时，传递偶合的能力很强，如丙二烯连时，传递偶合的能力很强，如丙二烯H2C=C=CH2，4JH-H=7Hz。 （3） 炔烃炔烃 3） 键角键角1959年，年，Karplus提出了烷烃的提出了烷烃的3JH-H与与HCCH的的二面角二面角关系的经验公式：关系的经验公式： 3JH-H=A+B cos+C cos2 麻黄硷和假麻黄硷麻黄硷和假麻黄硷PhPhHaOHHbCH3NHCH3

19、HaOHHbCH3NHCH3(A)(B)的的3JH-H分别为分别为4和和10Hz4）. 取代基的影响和偶合常数经验计算取代基的影响和偶合常数经验计算（1） 对对CH3CH2X化合物，化合物，X的电负性愈大，的电负性愈大，3JH-H就愈小，其值可由下面经验公式计算：就愈小，其值可由下面经验公式计算： 3JH-H=7.9n（0.7）（）（X）（）（Hz） 例如：求例如：求CH2ClCHCl2的的3JH-H值值 解：解：n=3，X=32.1=0.9 3JH-H=7.930.70.9=5.9 Hz ( 3JH-H (obs.)=6.0 Hz）（2） 对对CH2=CHX化合物，化合物，HHRR123JH

20、-H(顺顺) C1（顺）（顺）.C2（顺）（顺）HHRR123JH-H(反反)C1（反）（反）.C2（反）（反）例如：已知某化合物的分子式为例如：已知某化合物的分子式为CH=CHCOOH，NMR谱中的质子偶合常数谱中的质子偶合常数3JH-H=12.3Hz确定其构型确定其构型解：查表解：查表2-10得值如下：得值如下： 取代基取代基 C（顺）（顺） C（反）（反） 3.527 4.065 COOH 3.540 3.936 3JH-H 顺顺 =3.5273.540=12.49 (Hz) 3JH-H 反反=4.0653.936=16.00 (Hz) 3JH - H 顺顺 ( c a l . ) 与与

21、 3JH - H 顺顺( o b s . ) 相 近相 近 故故化合物是顺式构型化合物是顺式构型(3) 取代苯偶合常数计算取代苯偶合常数计算 Jo= 7.54+A+ (Hz) Jm= 1.37+A+ (Hz) Jp= 0.69+A+ (Hz)在计算三、四取代苯时，需要一个修正值在计算三、四取代苯时，需要一个修正值例例1 J23=J56=7.54+A23 (Cl )+A23 (COCH3 ) =7.54+0.54+0.2=8.40 (obs. 8.4)（ Hz） J26=1.37+A26 (Cl )+A35 (COCH3) =1.37+0.84-0.06=2.15 (obs. 2.2)（ Hz）

22、 J35=1.37+A35(Cl)+A26(COCH3) =1.37+0.35+0.54=2.26 (obs. 2.2)（ Hz） J25=J36=0.69+A25(Cl)+A25(COCH3) =0.69-0.16-0.08=0.45 (obs. 0.5)（ Hz）OCl例例2 J45=7.54+A34(CHO)+A25(OCH3)+A34(OH)+ =7.54-0.09+0.82+0.12+0.20 =8.35(obs.8.55) （ Hz） J34=7.54+A34(CHO)+A34(OCH3)+A23(OH)+ =7.54-0.09-0.16+0.72+0.20 =8.21(obs.8.30)（ Hz） J35=1.37+A35(CHO)+A24(OCH3)+A24(OH)+ =1.37-0.31-0.14-0.21+0.15 =0.86 (obs 0.82)（ Hz）OHHHHH3COCHO1. 化学等价化学等价： 分子中同种类的核，其化学位移彼此相等者，称分子中同种类的核，