第一核磁共振波谱分析法课件

1、生物用核磁共振仪台式核磁共振仪The Winner of The Nobel Prize in Physics (1952) R. R. Ernst 恩斯特The Winner of The Nobel Prize in Chemistry (1991)K. Wthrich(维特里希因 ）The Winner of The Nobel Prize in biomacromolecule (2002)核磁共振领域诺贝尔奖获得者E. M. Purcell 珀赛尔F. Bloch 布洛赫1946年发现核磁共振现象FT-NMR and 2DNMR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

2、 S. P. Mansfield (彼得曼斯菲尔德), University of Nottingham, 英国P. C. Lauterbur(保罗劳特布尔), University of Illinois, 美国 2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。核磁共振基本原理图谱解析与结构鉴定核磁共振波谱仪第一节核磁共振基本原理 principle of NMR 原子核的自旋 核磁共振条件 弛豫过程一、概述 (introduction) 核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（ 10-1102MHz数量级的射

3、频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。 核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收谱（波谱）范畴。 根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究纯化合物结构、混合物成分及定量分析等。特点： 与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于 原子核自旋跃迁所得吸收谱； 应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、 定量等； 不需要标准样品，可直接进行定量； 不破坏样品； 只能研究磁性核 。核磁共振现象产生的条件？一、原子核的自旋 atomic nuclear spin 原子核的自旋特性，在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的

4、运动状态。而自旋量子数I的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。 若原子核存在自旋，产生自旋角动量： 原子核的基本属性：质量和电荷数。自旋量子数（I）与质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：=核 磁 矩： （:磁旋比）原子核的磁性质量数 质子数 中子数 自旋量子数 核磁性 实例（A） （Z） （N） （I）偶数 偶数 偶数 0 无 12C,16O,32S偶数 奇数 奇数 1，2，3. 有 2H, 14N奇数 奇数或偶数 偶数或奇数 1/2；3/2；5/2. 有 1H,13C,17O,19F,31P质量数质子数INMR信号原子核偶数偶数0无12C6 16O8 3

5、2S16奇数奇或偶数1/2有1H1 13C6 19F9 15N7 31P15奇数奇或偶数3/2 5/2有11B5 35Cl17 79Br35 81Br35 17O8 33S16偶数奇数1,2,3有 2H1 14N7讨论:(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，无自旋，没有磁矩， 不产生共振吸收(2) I=1 或 I 1的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子

6、核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。磁性核在外磁场中的行为拉莫尔进动当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种自旋取向：I=1/2的核，两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2EH00无磁场外加磁场m =-1/2 E2m =1/2 E1E 根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核磁场作用能E，即各能级的能量为I=1/2的核自旋能级裂分与H0的关系I=1/2的核在磁场中，由低能级(E1)向高能级(E2)跃迁时，所需的能量(E

7、)为E与核的磁旋比和外磁场强度成正比。二、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance 在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。 当发生核磁共振时，原子核磁能级的能级差必然等于电磁波的能量，则：共振条件(1) 核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 )共振条件： 0 = H0 / (2 )（1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，改变（扫

8、频） ，不同原子核在不同频率处发生共振。 也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方式应用较多。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz 磁场强度 H0 的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉） 三、弛豫过程不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：两能级上核数目差：1.610-5；弛豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和(saturated)低能态的核等于高能态的核。 在NMR中，弛豫过程有两种方式，即 自旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋

9、晶格弛豫，又称纵向弛豫，用T1表示；自旋自旋弛豫，又称横向弛豫，用T2表示。第二节核磁共振与化学位移 NMR and chemical shift 核磁共振与化学位移 影响化学位移的因素一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic resonance and chemical shift推导条件：理想化的、裸露的氢核 , 产生单一的吸收峰； (1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 )共振条件目前，常用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。 H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。 0

10、= / (2 ) （1- ）H0 屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小： 1. 化学位移 （chemical shift） 0 = / (2 ) （1- ）H0 在有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移，用表示。2. 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(CH3)4 （TMS）（内标） 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； b.屏

11、蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。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) / 0 1060影响的测量值。 小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧； 大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift（1）电负性、氢键-去屏蔽效应 与H核相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离H核，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。-CH3 ，

12、 =1.62.0，高场；-CH2I， =3.0 3.5,-O-H， -C-H， 大 小低场 高场（2）溶剂效应 最理想的溶剂：CCl4, CS2, 常用的溶剂：氯仿（CHCl3）、丙酮（CH3COCH3) 一般采用氘代衍生物。第三节自旋耦合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting 自旋偶合与自旋裂分 峰裂分数与峰面积 磁等同与磁不等同一、自旋偶合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting 每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；峰的裂分峰的裂分原因:自旋偶合相邻两个氢核之间的自旋偶合

13、（自旋干扰）；多重峰的峰间距：偶合常数（J），用来衡量偶合作用的大小。二、峰裂分数与峰面积 number of pear splitting and pear areas 峰裂分数：n+1 规律；n:相邻碳原子上的状态相同的H核数； 相对强度比符合二项式（a+b)n展开式的系数比。 峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。峰裂分数(一）1:11:3:3:11:11:2:11:6:15:20:15:6:11:11H核与n个等价1H核相邻时，裂分峰数：( n+1)峰裂分数（二）1H核与n个不等价1H核相邻时，裂分峰数：（n1+1)( n2+1)个；(nb+1)(nc+1)(nd+

14、1)=22 2=8Ha裂分为8重峰Ha裂分为多少重峰？01234JcaJbaJca JbaHa裂分峰:(3+1)(2+1)=12实际Ha裂分峰:(5+1)=6强度比近似为：1:5:10:10:5:1三、化学等价和磁等同 magnetically equivalent1. 化学等价（化学位移等价） 若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。 分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核称为磁等同的核。2. 磁等同磁等同例子：三个H核化学等同磁等同二个H核化学等同，磁等

15、同二个F核化学等同，磁等同六个H核化学等同磁等同两核（或基团）磁等同条件化学等价（化学位移相同）对组外任一个核具有相同的偶合常数（数值和键数）第四节谱图解析与化合物结构确定analysis of spectrograph and structure determination 谱图中化合物的结构信息 简化谱图的方法 谱图解析 谱图联合解析 一、谱图中化合物的结构信息structure information of compound in spectrograph（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类,多少种；（2）峰的面积 (积分线)：每类质子的数目(相对),多少个；（3）峰的位移( )

16、：每类质子所处的化学环境，化合物中 位置；（4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；（5）偶合常数(J)：确定化合物构型。邻苯二甲酸二乙酯的NMR谱图CAS：84-66-2分子式：C12H14O4分子量：222.24一级谱的特点裂分峰数符和n+1规律，相邻的核为磁等价即只有一个偶合常数J；若相邻n个核，n1个核偶合常数为J1， n2个核偶合常数为J2，n= n1+ n2则裂分峰数为（n1+1)( n2+1)峰组内各裂分峰强度比(a+b)n的展开系数从谱图中可直接读出和J，化学位移在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数J非一级谱（二级谱） 一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数

17、目组内各峰之间强度关系复杂一般情况下， 和J不能从谱图中直接读出二、简化谱图的方法 methods of simpling spectrograph1. 采用高场强仪器60MHz100MHz220MHzHCHBHA2. 溶剂效应及活泼氢D2O交换反应 核磁共振谱的测定，一般使用氘代溶剂 （如CDCl3），以避免普通溶剂分子中H的干扰。同一质子在不同的溶剂中，所测得的值往往不同。这种由于溶剂的影响而引起化学位移发生变化的现象称为溶剂效应。 一般含有OH、SH、NH等活泼质子的样品，溶剂效应更明显。因此核磁共振图谱都标出测定时所使用的溶剂。对于含有活泼氢的样品，可先用一般方法测定图谱，然后加入几滴

18、重水(D2O)，再测定图谱，在后一张图谱中信号消失的质子便是活泼质子，同时在=4.7ppm处出现HDO单峰。常用溶剂及其化学位移名 称氯仿-d1二甲基亚砜-d6分子式丙酮-d6重水化学位移/ppm1H13CCHCl3-d1(CH3)2CO-d6H2O-d2(CH3)2SO-d6苯-d6甲醇-d4吡啶-d5C6H6-d6CH3OH-d4C6H5N-d5 7.27 76.92.05 206, 29.1 4.02.5 39.67.20 128.03.34, 4.11 49.0 7.18, 7.57, 149.9, 135.5 8.57 123.5三、谱图解析步骤由分子式求不饱合度由积分曲线求1H核的相对数目解析各基团 再解析： ( 低场信号 ) 最