核磁共振波谱NMR

核磁共振波谱NMR

NuclearMagneticResonanceSpectroscopy学术汇报汇报人：吴育

南京中医药大学NanjingUniversityofTraditionalChineseMedicine1核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振波谱NMR核磁共振波谱NMR的现代应用NMR发展简史、核磁共振理论基础、核磁共振波谱仪自旋-自旋耦合spin-spincoupling、化学位移与化学结构的关系、影响因素、解析方法去偶差光谱DDS、NOE差光谱、INEPT谱、DEPT谱、二维NMR谱（2D分解谱、2D相关谱、2D-INADEQUATE谱、HMQC谱及TOCSY谱核磁共振氢谱——1HNMR核磁共振原理及仪器简介核磁共振波谱NMR

NuclearMagneticResonanceSpectroscopy2核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介19241952~195319912002NMR发展简史1924年PauliW.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NobelPrize。1953年，第一台NMR仪器

FT-NMR1991,Ernst对高分辨核磁共振方法发展（获NobelPrize）□2002年（生物大分子的核磁分析）美、日、瑞科学家同时获得二项诺贝尔奖。3核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介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。原子核是带正电荷的粒子，其自旋将产生磁场。形成的这一小磁体称为磁偶极子。

核磁共振理论基础NSNSSNNS自旋量子数I与原子核组成(质子数p与中子数n)的经验规律核磁共振的产生的条件4核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介

I

0的核为磁性核，可以产生NMR信号I=0的核为非磁性核，无NMR信号。I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。

5核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介一个自旋磁场方向与外加磁场（H0）方向一致，处于低能态，

m＝+1/2，其能量E+1/2=－μHH0

（自旋磁矩×外加磁场强度）另一个自旋磁场方向（磁矩）与外加磁场方向相反，处于高能态，

m＝－1/2，其能量E-1/2=+μHH0

；6核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介核磁共振的条件

:二个频率相等（电磁波的频率与该核的回旋频率ν相等）质子跃迁时需要的能量：ΔE=2μHH0电磁波的能量： ΔE’=hν发生核磁共振时 ：ΔE=ΔE’

所以 hν=2μHH0μH：自旋磁矩（2.79核磁子，1.41×10-23尔格/高斯）

H0：外加磁场强度

h：普朗克常数(6.6256×10-27尔格/秒）ν：电磁波频率7核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介数据处理及记录探头高频电磁波发生器及接受器外加磁场核磁共振波谱仪

nuclearmagneticresonancespectrometer8核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介9核磁共振波谱NMR5/8/2024超导磁铁superconductivemagnet200MHz以上高频谱仪采用超导磁体利用铌钛合金在液氦中(温度4K)的超导性质。只要不破坏超导状态，及时补充液氦，则磁场强度不变。超导核磁共振波谱仪：

200-400HMz；可高达600-700HMz10核磁共振波谱NMR5/8/2024探头产生固定频率的探头作用双核探头：1H，13C四核探头：1H，31P，13C，15N发射脉冲电磁波

圆柱形，在磁体中心，放样品管。样品管外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。检测核磁共振信号11核磁共振波谱NMR5/8/2024连续波NMR仪器(CW-NMR)脉冲FT-NMR样品利用率低灵敏度低分辨率低高频电磁波发生器任一瞬间只有一种原子核处于共振状态，其它核处于等待状态样品利用率高灵敏度高分辨率高在脉冲作用下，该同位素的所有核同时共振一般1H-NMR测量累加10-20次，需时1分左右；13C-NMR测量需时数分。测定时间短12核磁共振波谱NMR5/8/2024样品的制备标样浓度溶剂试样浓度5-10%；需要纯样品15-30mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg氘代溶剂（四甲基硅烷TMS）1%；1H谱四氯化碳，二硫化碳氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；13核磁共振波谱NMR5/8/2024样品的制备

在测试样品时，选择合适的溶剂配制样品溶液，样品的溶液应有较低的粘度，否则会降低谱峰的分辨率。若溶液粘度过大，应减少样品的用量或升高测试样品的温度（通常是在室温下测试）。

对碳谱和氢谱，基准物质最常用TMS(四甲基硅烷)。01对于核磁共振氢谱的测量，应采用氘代试剂以便不产生干扰信号。对低、中极性的样品，最常采用氘代氯仿作溶剂，极性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。

02为测定化学位移值，需加入一定的基准物质,即内标。若出于溶解度或化学反应性等的考虑，基准物质不能加在样品溶液中，可将液态基准物质（或固态基准物质的溶液）封入毛细管再插到样品管中，称之为外标。0314核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振原理及仪器简介测定方法装有试样液的试样管放到磁场强度很大的两块电磁铁中间，用射频振荡器高度稳定地发出固定频率的电磁波（ν不变），在扫描发生器中，通直流电流，可连续的调节外加磁场的强度进行扫描—扫场。当磁场强度达到一定值H0时试样中某一类型质子发生能量跃迁（共振），然后，射频接受器通过射频接受线圈，接受共振信号，信号经过放大在记录器上绘出核磁共振谱图。

15核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMR

1H-核磁共振谱(NuclearmagneticResonance)

自旋-自旋耦合spin-spincoupling氢核自旋分裂原理示意图这种相邻近氢质子之间相互干扰作用称为自旋—自旋偶合，简称自旋偶合。偶合是分裂的原因，分裂是偶合的结果。16核磁共振波谱NMR5/8/20241偶合常数值的计算“J”

单位“Hz”

裂分峰之间的距离：ν1－ν2=J（Hz）

（δ1－δ2）×ν照

=J（Hz）2主要结构与“J”的关系（1）直链烷烃

偕偶：Jgem=12~15Hz

邻偶：Jvic=6~8Hz远程偶合：Jlong=0~3Hz核磁共振氢谱——1HNMR

（2）烯烃

Jgem=0~3Hz

Jvic=6~12Hz顺式cis

Jvic=12~18Hz反式trans

17核磁共振波谱NMR5/8/2024

Jvic=9.1Hz（4）苯环

核磁共振氢谱——1HNMR

（3）炔烃18核磁共振波谱NMR5/8/2024（5）环己烷型（6）杂环化合物

XJ2-3J2-4J2-5J3-4

呋喃O

2.0

0.9

1.5

3.5吡咯N

2.7

1.5

2.1

3.7噻吩S

4.7

1.0

2.9

3.4

J2-3J3-4J2-4J2-5J2-6

J3-5

吡啶5~6

7~9

1~3

0.7~1.1

0.2~0.51.4~1.9核磁共振氢谱——1HNMR19核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMR化学位移与化学结构的关系1H-核磁共振谱(NuclearmagneticResonance)

化学位移与化学结构的关系质子分子类型δ值范围注—C-H

脂肪族1.8～0.0C上只连接SP3杂化C及H—C-H脂肪族5.0～1.5C上连接O、X、N或SP2、SP杂化C—C≡H

炔类3.0～1.8—C＝H

烯类7.5～4.5—C6H5

芳香族9.5～6.0—CHO醛基10.0～9.0—OH

醇类5.5～0.5用惰性溶剂稀释时渐渐移向高磁场酚类7.7～4.0同上烯醇16.5～15.0因强分子内氢键影响，位于很低场酸类12.0～10.5因强分子内氢键影响，位于很低磁场—NH

脂肪胺2.2～0.3芳香胺5.0～2.6酰胺8.5～5.0—SH

脂肪巯基1.6～1.220核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMR影响化学位移因素共轭效应连接推电子基，p-π共轭,电子云密度↑向高场位移，δ↓诱导效应电负性↑电子云密度↓向低场位移，δ↑VanderWaals效应空间两核靠近时,带负电荷的核外电子云就会相互排斥,使核裸露,质子的δ↑化学键的各向异性感生磁场与外场相反，削弱了外场屏蔽作用“+”，δ变小1H-核磁共振谱(NuclearmagneticResonance)21核磁共振波谱NMR5/8/2024偶合系统的类型

(一）等价质子与不等价质子１、等价质子

①化学等价质子凡是化学位移完全相同的氢质子，称为化学位移等价质子。简称化学等价质子。指化学环境相同，在相同的外加磁场强度下发生共振的氢质子。当然它们的δ值应当是相同的如CH3—CH2—OH

②磁等价质子如果一组质子中任何一个质子对组外质子的偶合常数都相等，这组质子则称为磁等价质子。如

Ha与Hb为化学等价，而磁不等价。二者化学环境相同，但

Ha对Hc与Hb对Hc的J值不同，因为Ha对Hc是邻偶，而Hb对Hc是对偶。

③等价质子如果一组质子即是化学等价又是磁等价，则称这组质子为等价质子，或磁全同质子。即它们的化学位移

值相同，同时对组外质子的偶合常数也相同。22核磁共振波谱NMR5/8/2024不等价质子①前手性碳原子上的氢质子是不等价的（指与手性C紧邻的C）即与不对称碳原子C*直接相连的C上的氢质子是不等价的，虽然是单键连接，但不管R—CH2的旋转速度有多快，CH2质子还是不等价旋转很快时，下面三个构象的或然率可能几乎相等，但二个质子的化学环境还是不相同。

在构象I中，Hb在Y和X之间时，R在X和Z之间，而在构象Ⅱ中，Ha在Y和X之间了，但R又落在Y和Z之间，因此Ha和Hb的化学环境仍然不一样，成为不等价质子。23核磁共振波谱NMR5/8/2024分子不具有对称面，Ha与—CH3顺式，Hb与Br顺式，二者在空间的化学环境不同，2个H分别用X取代后，得到二个非对映体，为二种化合物，故Ha与Hb为不等价质子，互相之间要发生偶合，出现裂分峰，并对邻近氢质子的偶合作用也不一样。②双键同碳质子处于不对称取代时，CH2质子成为不等价

2-溴丙烯③单键带有双键性时，会产生不等价质子如：由于p—

共轭，使C—N键带有双键性（不能旋转），因此NH2上的2个质子是不等价的，产生四重峰。又如：

由于C—N键的双键性质，使2个—CH3不等价，图谱上出现2个单峰。24核磁共振波谱NMR5/8/2024④单键不能自由旋转时会产生不等价质子很多烷烃在室温下单键可自由旋转，但在低温下单键不能自由旋转，造成氢质子的化学环境不同，而产生不等价质子。如如环己烷，室温下，

＝1.43ppm(s)。冷冻环固定a-H与e-H成为不等价质子。

如甾体

＝0.8～2.5ppm之间有复杂信号⑤苯环上的邻位质子有时是磁不等价的

虽然a,a'化学位移相同，但Ja.b≠Ja',b

对甲氧基硝基苯

⑥最后，当然化学环境不同的氢质子，肯定为不等价质子如25核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMR一级耦合系统高级耦合系统△V/J≥10AnXm系统An系统AMX系统△V/J≤10AB2系统AB系统ABX系统解析1H-核磁共振谱的过程1H-核磁共振谱(NuclearmagneticResonance)26核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMR

AB系统AB谱的解析程序（即求出JAB、

A、B）：①由图中读出四条峰的位置：1、2、3、4（频率：HZ②求出JAB,

JAB＝1－2＝3－4③用直角三角形法求出A与B化学位移之差△AB。

=V/V照以JAB作一直角边把

1－3或2－作斜边，另一直角边就是△AB。

a．接在手性碳原子的亚甲基b．烯键氢根据勾股定理：a2+b2＝C2△

AB2＝(1－3)2－JAB2④由这组峰的中点往左右各量出1/2△AB，即为

A和

B。⑤各峰强度有如下关系：I1＝I4，I2＝I3I2/I1＝I3/I4＝1－4／2－3

27核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢——1HNMR

AB2系统二侧取代基一样AB2谱的解析程序（即求出JAB、A、B）：

①由图中读出8条峰的位置1～8（Hz），第9条峰不管②求出JAB，JAB＝1/3[(1－4)+(6－8)]③求出

A，第3条谱线的读数是质子A的化学位移，即：A＝3④求出

B，第5、7二条谱线的中心点是质子B2的化学位移，即：B＝1/2(5+7)28核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMRABX系统二侧为不对称取代29核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振氢谱——1HNMR

解析程序:（需要求出JAB、JAX、JBX，

A、

B、

X）①认出AB部分的2个组（根据向心法则）上图一组为1、3、5、6

及X组9~14另一组为2、4、7、8②由图谱中读出X部分和AB部分各峰的位置（1～8），（10～14）③求出

X

X部分6条峰（或4条峰）的中心点为X质子的化学位移（同一级偶合系统）④求出JAB

上图JAB＝1－3＝5－6=2－4＝7－8

（与AB系统一样）⑤AB部分二组中心点之间的距离为S，JAX＋JBX＝2S⑥决定2D+，2D-分别将AB系统的二组第1峰与第3峰之间的距离用2D+、2D-表示⑦利用JAB,2D+，2D-作图，求出△

AB和JAX－JBX

若X部分由6条谱线组成，则以JAB作一直角边，画一线与JAB垂直，以2D+做一斜边，2D-向外作另一斜边，组成二个直角三角形，那么

a→b的距离即为：I.1/2(JAX－JBX)＋△ABb→c的距离即为：II.1/2(JAX－JBX)－△

ABa→c的距离即为：III.JAX－JBX核磁共振氢谱——1HNMR30核磁共振波谱NMR5/8/2024若X部分由4条谱线组成，则以JAB作一直角边，画一线与JAB垂直。以2D+作一斜边，2D-向内作另一斜边，组成二个直角三角形，那么

a→b：I'.JAX－JBXb→c：II'.△

AB－1/2(JAX－JBX)a→c：III'.△AB＋1/2(JAX－JBX)

再由I、II式或II'、III'作二元一次方程，解出△AB和JAX－JBX

⑧由以上JAX＋JBX＝2S和JAX－JBX＝联立，求出JAX、JBX

⑨由图谱求出二组AB系统的各中心点，这二数值的平均值＝1/2(A+B)并由⑦求得的△AB＝A－B

解此联立方程求得

A、B核磁共振氢谱——1HNMR

核磁共振氢谱——1HNMR31核磁共振波谱NMR5/8/2024若X部分由4条谱线组成，则以JAB作一直角边，画一线与JAB垂直。以2D+作一斜边，2D-向内作另一斜边，组成二个直角三角形，那么

a→b：I'.JAX－JBXb→c：II'.△

AB－1/2(JAX－JBX)a→c：III'.△AB＋1/2(JAX－JBX)

再由I、II式或II'、III'作二元一次方程，解出△AB和JAX－JBX

⑧由以上JAX＋JBX＝2S和JAX－JBX＝联立，求出JAX、JBX

⑨由图谱求出二组AB系统的各中心点，这二数值的平均值＝1/2(A+B)并由⑦求得的△AB＝A－B

解此联立方程求得

A、B核磁共振氢谱——1HNMR

32核磁共振波谱NMR5/8/202433核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振波谱NMR的现代应用解析结构同核或异核J分解谱化学位移相关谱、多量子跃迁谱及化学交换/NOE二维谱二维J分解谱二维相关谱二维J分解谱是使重叠在一起的一维谱的化学位移δ和偶合常数J分解在平面两个坐标上，便于解析。二维相关谱是检测核的自旋偶合及偶极相互作用等核自旋间的相互作用的.

二维谱信号是二个独立频率（或磁场）变量的函数，记为S(ω1,ω2),共振信号分布在两个频率轴组成的平面上。34核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振波谱NMR的现代应用二维核磁共振时间轴预备期发展期混合期检出期预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实验前的体系能回复到平衡状态。发展期（t1）：在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期的时间t1是变化的。混合期（tm）：在这个时期建立信号检出的条件。混合期有可能不存在，它不是必不可少的（视二维谱的种类而定）。检出期（t2）：在检出期内以通常方式检出FID信号。35核磁共振波谱NMR5/8/2024核磁共振波谱NMR的现代应用BeforemixingAftermixingCoupledspins2DNMR:CouplingistheKey36核磁共振波谱NMR5/8/2024去偶差光谱DDSNOE差光谱INEPT谱二维NMR谱（2D分解谱、2D相关谱、）DEPT谱Modernapplication核磁共振波谱NMR的现代应用

2D-INADEQUATE谱、HMQC谱及TOCSY谱37核磁共振波谱NMR5/8/2024化学位移相关谱HMQCHSQCHMBC13C,1H-CosY谱1H检测的异核多量子相干实验1H检测的异核单量子相干实验1H检测的异核多键相干实验通过异核多量子相干实验把1H核和远程偶合的13C核相关联起来都显示1H核和与其直接相连的13C核的相关峰，其作用相当于C，H-CosY谱远程13C,1H-CosY38核磁共振波谱NMR5/8/2024NOESY谱空间相近的1H核关系NOENOE差光谱NOESY谱观察到整个分子中质子间在立体空间中的相互联系，推定分子结构，特别是分子的立体结构。当Ha与Hb空间靠近，通过照射Ha使其饱和，Hb强度增加——NOE效应39核磁共振波谱NMR5/8/2024多量子2D-NMR谱2DINADEQUATE实验2DINEPT-INADEQUATE实验多量子2D-NMR谱直接测定13C-13C间连接关系，横轴为13C化学位移，纵轴为双量子相干频率，相互偶合的两个碳原子作为一对双键排列在同一水平线上。40核磁共振波谱NMR5/8/2024极化转移增益法用来克服偏共振实验中共振谱线发生重叠和指配复杂分子的谱时的一些困难，可以准确指配CH、CH2、CH3和季碳测量时间比偏共振短无畸变极化转移增益法INEPT谱DEPT谱低灵敏核的极化转移增益法把高灵敏核1H的自旋极化传递到低灵敏核13C上去DEPT实验克服了INEPT实验中某些缺点，如INEPT实验中强度比和相位畸变等问题。

各种碳的信号强度与Δ的关系为：CH：I=IoSin(2πJCHΔ)CH2:I=IoSin(4πJCHΔ)CH3:I=0.75Io[Sin(2πJCHΔ)+Sin(6πJCHΔ信号强度仅与θ脉冲倾倒角有关

CH:I