药学有机化合物光谱解析课件

1、药学有机化合物光谱解析沈阳药科大学 天然药物化学教研室辽宁省精品课程第三章 核磁共振（1HNMR）-裴 月 湖 核磁共振谱学（nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR spectroscopy） Stanford大学和Harvard大学的两个研究小组于1946年分别独立观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号。Bloch和Purcell二人获得1952年Nobel物理学奖。 二十世纪八十年代，Erenst完成了在核磁共振发展史上具有里程碑意义的一维、二维乃至多维脉冲傅立叶变换核磁共振的相关理论，为脉冲傅立叶变换核磁共振技术的不断发展奠定了坚实的理论基础。

2、Erenst本人荣获1993年Nobel化学奖。 第一节 核磁共振基础知识一、核磁共振的基本原理（一）原子核的自旋与自旋角动量、核磁矩及磁旋比核的自旋与核磁矩 （核磁距）= （磁旋比）P（自旋角动量）P=I(I+1)1/2h/2h 普朗克常数 I 核的自旋量子数（0，1/2，1，3/2-)I=0 p=0 =0核不显磁性 无磁共振现象 12C 18O等I0 p0 0核显磁性 磁共振现象 13C 1H等（二）磁性原子核在外加磁场中的行为特性1.核的自旋取向、自旋取向数与能级状态2I+1（自旋趋向数）M=I, I-1,- -I（磁量子数，能级状态） 自旋取向与外加磁场方向一致（ 或），m=+1/2，

3、低能级状态E1=- Ho 自旋取向与外加磁场方向不一致（ 或 ），m=-1/2，高能级状态E2=+HoE=E2-E1=2 Ho 能级差E（所需能量）与、Ho成正比 Ho 跃迁所需能量 比热平衡状态多的高能级的核通过释放能量回到低能级，直至恢复到Boltzmann分布的热平衡状态，这种现象谓之弛豫。 “弛豫”过程主要有两种，自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。 自旋-晶格弛豫（纵向驰豫）是处于高能态的核与其周围环境之间的能量交换过程，部分核由高能态回到低能态。 通过自旋-晶格弛豫过程达到热平衡状态所需要的时间称T1。T1越小，表明弛豫过程的效率越高，T1越大则效率越低。T1值的大小与核的种类、样品的

4、状态、温度有关。固体样品的振动、转动频率较小，纵向弛豫时间T1较长，可达几小时。对于气体或液体样品，T1一般只有10-4102s。 自旋-自旋弛豫（横向弛豫）是指高能态的核把能量转移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃迁到高能态的过程。结果是各种取向的核的总数并没有改变，核的整体能量也不改变,但是影响具体的核在高能级停留的时间。自旋-自旋弛豫时间用T2 表示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固定，利于核间能量传递转移，T2较短，约10-3s。非粘稠液体样品，T2较长，约1s。4.核的进动与拉摩尔频率=H0/2二、产生核磁共振的必要条件 在外加静磁场中，核从低能级向高能级跃迁

5、时需要吸收一定的能量。通常这个能量可由照射体系的电磁辐射来供给。对处于进动中的核，只有当照射用电磁辐射的频率与自旋核的进动频率相等时，能量才能有效地从电磁辐射向核转移，使核由低能级跃迁到高能级，实现核磁共振。三、屏蔽效应及在其影响下的核的能级跃迁 核外电子在与外加磁场垂直的平面上绕核旋转同时将产生一个与外加磁场相对抗的第二磁场。结果对氢核来说，等于增加了一个免受外加磁场影响的防御措施。这种作用叫做电子的屏蔽效应。以氢核为例，实受磁场强度：HN=H0(1-)为屏蔽常数，表示电子屏蔽效应的大小。其数值取决于核外电子云密度E=2Ho（1 - ）=2Ho（1 - ） /h 不同类型氢核所处化学环境不同

6、，共振峰在磁场的区域不同。当照射频率为60MHz时，这个区域约为140920.1141G，即只在一个很小的范围内变动，故精确测定其绝对值相当困难。实际工作中多将待测氢核共振峰所在位置（以磁场强度或相应的共振频率表示）与某基准物氢核共振峰所在位置进行比较，求其相对距离，称之为化学位移（chemical shift）。 = （sampleref）/ 106 sample：试样吸收频率；ref：基准物氢核的吸收频率；：照射试样用的电磁辐射频率。第二节 化学位移一、化学位移的定义及内标理想的基准物质（内标）氢核应是外围没有电子屏蔽作用的“裸露”氢核，但这在实际上是作不到的。常用四甲基硅烷（tetram

7、ethylsilane，TMS）作为内标。TMS因其结构对称，在1H-NMR谱上只给出一个尖锐的单峰；加以屏蔽作用较强，共振峰位于高磁场，绝大多数有机化合物的氢核共振峰均将出现在它的左侧，故作为参考标准十分方便。此外，它还有沸点较低（26.5）、性质不活泼、与试样不发生缔合等优点。根据IUPAC的规定，通常把TMS的共振峰位规定为零，待测氢的共振峰位则按“左正右负”的原则分别表示。因为TMS不溶于重水，故当测定溶剂采用重水时，可选用2,2-二甲基-2-硅杂戊烷-5-磺酸钠（DSS）、叔丁醇、丙酮等其它基准物。 1,2,2-三氯丙烷的100MHz 高频 低频低場 高场二、化学位移的影响因素（一）

8、电负性对化学位移的影响 随着相连基团电负性的增加氢核外围电子云密度不断降低，故化学位移值（d ）不断增大 化 合 物氢核的化学位移(CH3)4Si0.00(CH3)3-Si(CD2)2CO2Na+0.00CH3I2.2CH3Br2.6CH3Cl3.1CH3F4.3CH3NO24.3CH2Cl25.5CHCl37.3（二）磁各向异性对化学位移的影响烯氢：4.55.7醛氢：9.410.01.双键-CH3 1.27 1.23 1.17-CH3 0.85 0.72 1.01-0.170.83正常值 0.222.芳环4.环丙烷体系5.单键 甲基 亚甲基 次甲基 d 0.850.95 1.201.40 1

9、.401.65 Ha比Hb的化学位移数值稍大，处于低场。环己烷构象中平伏键受到的屏蔽效应（三）氢核交换对化学位移的影响（四）氢键缔合对化学位移的影响（五）溶剂对化学位移的影响三、化学位移与官能团类型sp3杂化碳上的质子化学位移范围：烷烃类化合物：1与双键相连：2与O相连：4 与芳环相连：2.32.9与羰基相连：2.02.2与N相连：3（由于N的电四极矩效应，使与之连接的碳上的质子信号变宽）a. 烯 烃结构类型化学位移范围环外双键4.44.9环内双键5.35.9末端双键4.55.2开链双键5.35.8末端链烯4.4一般链烯4.8a,b-不饱和酮a-H 5.35.6b-H 6.57.0sp2杂化碳

10、上的质子化学位移范围：质子化学位移的经验计算取代基对苯环芳氢的影响（d=7.27+Ss）取代基omp供电基团-OH-0.50-0.14-0.40-OCH3-0.43-0.09-0.37-CH3-0.17-0.09-0.18吸电基团-COCH3+0.64+0.09+0.30取代基omp之和供电基团-OH（或-OCH3）-0.5-0.1-0.4-1.0-R-0.2-0.1-0.2-0.5吸电基团-COR+0.6+0.1+0.3+1.0 R gemcistransRgemcistrasH000-CO1.030.971.21-Alkyl0.44-0.26- 0.29Alkyl-Ring(1)0.71-

11、0.33-0.30N -C = O1.370.930.35CH2O, CH20.67-0.02-0.07CH2Cl, CH2Br0.720.120.07Cl -C = O1.101.410.99CH2S0.53-0.15-0.15CH2N0.66-0.05-0.23OR, R: aliph1.18-1.06-1.28C = C0.98-0.04-0.21Aromatic1.350.37-0.10C = C conj(2)1.260.08-0.01Cl1.000.190.03C = O1.101.130.81Br1.040.400.55C = O conj(2)1.061.010.95COOH1

12、.001.350.74N R: conj(2)0.69-1.19-1.31COOH conj(2)0.690.970.39COOR0.841.150.58N R: conj(2) 2.30-0.73-0.81COOR conj(2)0.681.020.33例 某烯烃化合物除C=C双键外，其上四个基团分别为-H、-CH32及-COOCH3，1H-NMR上于 5.98处有一烯氢信号，试推测其结构式。解：上述四个基团可能排列出下列三种结构 (A) (B) (C) Ha=5.28+0.44+1.150.29 = 6.58Hb=5.28+0.440.26+0.58 = 6.04Hc=5.28+0.840

13、.260.29 = 5.57R： gem 0.44 ；cis -0.26；trans -0.29COOCH3：gem 0.84 ；cis 1.15；trans 0.58第三节 峰面积与氢核数目1.活泼氢 2.对称结构第四节 自旋耦合与自旋分裂一、自旋耦合及自旋分裂 原子核之间的相互干扰叫自旋耦合。由自旋耦合引起的谱线增多叫自旋分裂。自旋耦合的度量是偶合常数，用J表示，单位为赫（Hz）或周/秒（CPS、C/S）。由于原子核间的自旋耦合起源于磁核间的干扰，是通过成键电子传递的，所以偶合常数的大小与外加磁场无关（与所测试的仪器无关）。化学位移值用Hz表示时与外加磁场有关，用化学位移单位（）表示时与外

14、加磁场无关。二、耦合互依原则 A核与B核耦合时由A核引起的B核的裂距与由B核引起的A核的裂距相等。三、对相邻氢核有自旋耦合干扰作用的原子核 I=0 的原子核，如12C、16O等无自旋动量，无磁矩，故无耦合干扰。35Cl、79Br、127I等原子核，I0，因其电四级距很大，会引起相邻氢核的自旋去偶作用，故依然看不到耦合干扰现象。13C、17O，I=1/2，对相邻氢核可以发生自选耦合干扰，因自然丰度小，故影响甚微。四、磁等同氢核 磁等同氢核：化学环境相同、化学位移也同，且对组外氢核表现出相同偶合作用强度的氢核，相互之间虽有自旋偶合却不产生裂分。 磁不等同氢核：1.化学环境不相同的氢核2.处于末端双

15、键上的氢核3.若单键带有双键性质时也会产生磁不等同氢核4.与不对称碳原子相连的CH2上的两个氢核5.CH2上的两个氢核如果位于刚性环上或不能自由旋转的单键上时6.芳环上取代基的邻位质子也可能是磁不等同的五、n+1规律 当某基团上的氢有n个相邻的氢时，它将显示n+1个峰，若这些相邻的氢处在不同的环境时（如一种环境的氢为n个，另一种环境的氢为n个-)则将显示(n+1)(n+1)-个峰。若这些不同环境的近邻氢与该氢的耦合常数相同时，则可把这些不同环境的近邻氢的总数令其为n，仍按n+1规律计算分裂的峰数。 一级图谱各峰的高度比有一定的规律，基本上为二项式的各项系数比 严格的讲，n+1规律应该是2nI+1规律，对质子来讲因他的I=1/2，所以就变成了n+1规律。如果I1/2，则应该是2nI+1规律，如D2的I=1，其规律应该是2nI+1=2n+1。 低级偶合与高级偶合 几个（组）相互偶合的氢核可以构成一个偶合系统。自旋干扰作用的强弱与相互偶合的氢核之间的化学位移差距有关。若系统中两个（组）相互干扰的氢核化学位移差距（用赫兹表示）比偶合常数J大得多，即 J/J6时，干扰作用较弱，谓之低级偶合；反之，若 JJ或J0 (7.5Hz); 烯型：Jcis =614Hz(10), Jtrans=1118Hz(15) 芳环: Jo=69Hz,.二、邻偶(Jvic):三、远程耦合 如烯丙偶合