核磁共振波谱分析法

1、核磁共振波谱分析法nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR 第十三章2022/9/23一、概述NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。（测定有机化合物的结构，1HNMR氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来电磁辐射(10-9-10-10nm,4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁-产生所谓

2、NMR现象。射频辐射原子核(强磁场下，能级分裂)-吸收能级跃迁NMR 与UV-vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。2022/9/23历史： 1924年Pauli预言了NMR的基本理论：有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； 1946年，Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； 1953年Varian开始商用仪器开发，并于同年做出了第一台高分辨NMR仪。1956年，Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一

3、影响与物质分子结构有关。 1991年诺贝尔化学奖授予R.R. Ernst教授，以表彰他对二维核磁共振理论及傅里叶变换核磁共振的贡献。这两次诺贝尔奖的授予，充分地说明了核磁共振的重要性。2022/9/23 核磁共振在仪器、实验方法、理论和应用等方面有着飞跃的进步。谱仪频率已从30MHz发展到900MHz。1000MHz谱仪亦在加紧试制之中。仪器工作方式从连续波谱仪发展到脉冲-傅里叶变换谱仪。随着多种脉冲序列的采用，所得谱图已从一维谱到二维谱、三维谱甚至更高维谱。所应用的学科已从化学、物理扩展到生物、医学等多个学科。核磁共振成像技术还可以与断层扫描技术(CT)结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重

4、要数据,总而言之，核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一。 2022/9/23 核磁共振是当前应用于诊断早期病变的临床医学影像技术，这种检查对患者和检查者都是安全可靠的 .核磁共振成像技术是一种非介入探测技术，相对于X-射线透视技术和放射造影技术，MRI对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术，核磁共振成像更加清晰，能够显示更多细节，此外相对于其他成像技术，核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，MRI技术都发挥了非常重要的作用。 2022/9/23 磁共振最常用的核是氢原子核质子（1H），因

5、为它的信号最强，在人体组织内也广泛存在。影响磁共振影像因素包括：(a)质子的密度；(b)弛豫时间长短；(c)血液和脑脊液的流动；(d)顺磁性物质;(e)蛋白质。磁共振影像灰阶特点是，磁共振信号愈强，则亮度愈大，磁共振的信号弱，则亮度也小，从白色、灰色到黑色。各种组织磁共振影像灰阶特点如下；脂肪组织，松质骨呈白色；脑脊髓、骨髓呈白灰色；内脏、肌肉呈灰白色；液体，正常速度流血液呈黑色；骨皮质、气体、含气肺呈黑色。2022/9/23一、原子核的自旋atomic nuclear spin二、核磁共振现象nuclear magnetic resonance三、核磁共振条件condition of nuc

6、lear magnetic resonance四、核磁共振波谱仪nuclear magnetic resonance spectrometer第一节 核磁共振基本原理principles of nuclear magnetic resonance 2022/9/23分子的磁性质原子核 ： 带正电荷的粒子当它的质量数和原子序数有一个是奇数时，它就和电子一样有自旋运动，产生磁矩。例：11H， 136C，199F 和 3115P 有自旋现象。 126C 和 168O 没有自旋现象。2022/9/23样品的制备：试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg； 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1

7、mg ；标样浓度（四甲基硅烷 TMS） ： 1%；溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；2022/9/23一、核磁共振与化学位移nuclear magnetic resonance and chemical shift二、影响化学位移的因素factors influenced chemical shift第二节 核磁共振与化学位移nuclear magnetic resonance and chemical shift2022/9/23化学位移 在一固定外加磁场(H0)中，有机物的1H核磁共振谱应该只有一个峰，即在乙醇的质子核磁共振谱中有三个峰, 原因

8、？ = E / h = ( 1/2 )H02022/9/23 氢原子核的外面有电子，它们对磁场的磁力线有排斥作用。对原子核来讲，周围的电子起了屏蔽（Shielding）效应。核周围的电子云密度越大，屏蔽效应就越大，要相应增加磁场强度才能使之发生共振。核周围的电子云密度是受所连基团的影响，故不同化学环境的核，它们所受的屏蔽作用各不相同，它们的核磁共振信号亦就出现在不同的位置。此位置的差异即叫化学位移。 2022/9/23吸收峰数 多少种不同化学环境质子峰的位置 质子类型峰的面积 每种质子数目CH3CH2OH高分辨2022/9/23一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic reso

9、nance and chemical shift1.屏蔽作用与化学位移 理想化的、裸露的氢核；满足共振条件： 0 = H0 / (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。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小： H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。 0 = / (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)。2022/9/23 化学位移： chemical shift 0 = / (2 ) （1- ）H0 由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场

10、强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。 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。2022/9/232. 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。2022/9/23位移的表示方法 与裸露的氢核相比，TMS的化学位

11、移最大，但规定 TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，可是文献中常将负号略去，将它看作正数。 = （ 样 - TMS) / TMS 106 (ppm) 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；2022/9/23二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift1电负性-去屏蔽效应 与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。-CH3 ， =1.62.0，高场；-CH2I， =3.0 3.5,-O-H， -C-H， 大 小低场 高场2022

12、/9/23 CH3X 不同化学位移与-X的电负性化合物电负性 （X） 4.0（F） 3.5（O） 3.1（Cl） 2.8（Br） 2.5（I）（ppm） 4.26 3.40 3.05 2.68 2.16X, : X, 电子云密度, 屏蔽效应, 共振在较低磁场发生， 诱导效应(电负性对化学位移的影响)2022/9/23吸电子基团越多, 这种影响越大5.307.273.05基团距离越远，受到的影响越小2022/9/23 1) 烯碳sp2杂化比sp3杂化,与氢相连的碳原子从sp3 （碳碳单链）到sp2（碳碳双键），s电子的成分从25%增加至33%， C-H键电子更靠近碳，对质子的屏蔽如： 乙烷质子

13、=0.96 乙烯质子 =5.84 2）炔碳为sp杂化，相对sp2和sp3杂化的C-H键电子更靠近碳， 使质子周围的电子云密度减少， 质子共振吸收向低场移动.但炔氢谱峰相对烯氢处于较高场，芳环氢谱峰相对于烯氢处于较低场，则因另有较重要的影响因素所致。 碳杂化轨道电负性：SPSP2SP32022/9/232.氢键效应形成氢键后1H核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应。使共振吸收移向低场。2022/9/23 醇羟基 0.55 酚 47 胺 0.55 羧酸 1013 二聚体形式（双分子的氢键）例：2022/9/23分子内氢键同样可以影响质子的共振吸收-二酮的烯醇式可以形成分子内氢键该羟基质子的化学位移为

14、11162022/9/23介质的影响不同溶剂，使样品分子所受的磁感强度不同；不同溶剂分子对溶质分子有不同的作用，因此介质影响值。值得指出的是，当用氘代氯仿作溶剂时，有时加入少量氘代苯，利用苯的磁各向异性，可使原来相互重叠的峰组分开。这是一项有用的实验技术.2022/9/234.各类有机化合物的化学位移饱和烃-CH3: CH3=0.791.10ppm-CH2: CH2 =0.981.54ppm -CH: CH= CH3 +(0.5 0.6)ppmH=3.24.0ppmH=2.23.2ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=23ppm2022/9/23各类有机化合物的化学位移烯烃 端烯质子：H=

15、4.85.0ppm 内烯质子：H=5.15.7ppm 与烯基，芳基共轭：H=47ppm芳香烃 芳烃质子：H=6.58.0ppm 供电子基团取代-OR，-NR2 时：H=6.57.0ppm 吸电子基团取代-COCH3，-CN，-NO2 时：H=7.28.0ppm2022/9/23各类有机化合物的化学位移-COOH：H=1013ppm-OH： （醇）H=1.06.0ppm （酚）H=412ppm-NH2：（脂肪）H=0.43.5ppm （芳香）H=2.94.8ppm （酰胺）H=9.010.2ppm-CHO：H=910ppm2022/9/23常见结构单元化学位移范围2022/9/23一、自旋偶合与

16、自旋裂分spin coupling and spin splitting二、峰裂分数与峰面积number of pear splitting and pear areas三、磁等同与磁不等同magnetically equivalent and nonequivalent第三节 自旋偶合与自旋裂分spin coupling and spin splitting2022/9/23一、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）；2022/9/23二、峰裂分数与峰面积 numb

17、er of pear splitting and pear areas 峰裂分数：n+1 规律；n相邻碳原子上的质子数； 系数符合二项式的展开式系数； 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。2022/9/23峰裂分数2022/9/23峰裂分数1:11:3:3:11:11:2:12022/9/23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)=22 2=8Ha裂分为8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:12022/9/23一、谱图中化合物的结构信息structure informat

18、ion of compound in spectrograph二、简化谱图的方法methods of simpling spectrograph三、谱图解析spectrum unscrambling四、谱图联合解析deduce the structures from NMR spectrum and IR spectrum第四节 谱图解析与化合物结构确定analysis of spectrograph and structure determination2022/9/23 一、谱图中化合物的结构信息（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；（2）峰的强度(面积)：每类质子的数目(

19、相对)，多少个；（3）峰的位移( )：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。不足之处：仅能确定质子（氢谱）。2022/9/23三、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 首先解析：再解析： ( 低场信号 ) 最后解析：芳烃质子和其它质子 活泼氢D2O交换，解析消失的信号 由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析 参考 IR，UV，MS和其它数据推断解构 得出结论，验证解构2022/9/236个质子处于完全相同的化学环境，单峰。没有直接与吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。1. 谱图解析（

20、1）2022/9/23谱图解析（ 2 ） 质子a与质子b所处的化学环境不同，两个单峰。单峰：没有相邻碳原子（或相邻碳原子无质子） 质子b直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，峰在低场（相对与质子a ）出现。 质子b也受其影响，峰也向低场位移。2022/9/23谱图解析（ 3 ）裂分与位移2022/9/23谱图解析（ 4 ）苯环上的质子在低场出现。为什么1H比6H的化学位移大？2022/9/23对比2022/9/232. 谱图解析与结构(1)确定5223化合物 C10H12O28 7 6 5 4 3 2 1 02022/9/23谱图解析与结构确定步骤正确结构： =1+10+1/2(-12)=5

21、2.1单峰三个氢，CH3峰 结构中有氧原子，可能具有： 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代3.04.302.1 3.0和 4.30三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰 2022/9/23谱图解析与结构(2)确定9 5.30 3.38 1.37C7H16O3，推断其结构612022/9/23结构(2)确定过程C7H16O3， =1+7+1/2(-16)=0a. 3.38和 1.37 四重峰和三重峰 CH2CH3相互偶合峰 b. 3.38含有OCH2 结构结构中有三个氧原子，可能具有(OCH2 )3c. 5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连正确结构：2022/9/23谱图解析与结构(3) 化

22、合物 C10H12O2，推断结构7.35.211.22.35H2H2H3H2022/9/23结构(3)确定过程 化合物 C10H12O2， =1+10+1/2(-12)=5a. 2.32和 1.2CH2CH3相互偶合峰b. 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代c. 5.21CH2上氢，低场与电负性基团相连哪个正确?正确：B为什么?2022/9/23谱图解析与结构(4)化合物 C8H8O2，推断其结构9876543102022/9/23结构(4)确定过程化合物 C8H8O2，=1+8+1/2(-8)=5 =7-8芳环上氢，四个峰对位取代= 9.87醛基上氢，低= 3.87 CH3上氢，低场移动，与电负性强的元素相连： OCH3正确结构：2022/9/23四、联合谱图解析 （1）C6H12O 1700cm-1, C=0, 醛,酮3000 cm-1, -C-H 饱和烃两种