第七章核磁共振波谱法.ppt

1、核磁共振波谱法(NMR),核磁共振法基本原理 化学位移 偶合常数 谱线强度 核磁共振氢谱 解析示例 核磁共振法在医药中应用 核磁共振法技术进展,1.核磁共振波谱法基本原理,1.1 核磁共振法(NMR) : 具有自旋现象的原子核 (磁性核) 外磁场 能阶分裂 无线电波照射 h =E 原子核吸收能量(共振吸收) 低能态跃迁至高能态 以共振信号强度对照射频率(磁场强度)作图 核磁共振波谱 结构解析 定性 定量的分析方法. 氢谱( 1 H-NMR) 碳谱(13C-NMR),1.2 核磁共振仪,磁铁: 产生均匀 稳定 足够强度的磁场. 照射频率发生器: 产生照射无线电波(60cm-300m), 通过照射

2、线圈作用于样品. 信号接受器: 接收核磁共振时产生的感应电流,接收 线圈环绕样品管. 扫描发生器: Helmholtz线圈是扫描线圈,通直流电来 调节磁场强度. 样品管: 插入磁场中,并保持匀速旋转.,1.3原子核的自旋,自旋量子数 I : I = 0 无自旋现象； I 0 有自旋现象。,1.3.1 自旋的分类:,1.3.2 核磁矩 ( ) 核磁矩: 自旋核周围有磁场,因此有磁矩. 核磁矩方向: 服从右手定则,同自旋轴. 核磁矩大小: = P -磁旋比 P-自旋角动量 自旋核在外磁场中核磁矩(自旋轴)取向(空间量子化)及核磁能级: 共有 (2I+1)个取向,以磁量子数m 表示每一种取向.,m

3、= I, I-1, I- 2, , -I+1, -I 例如: 1H1 I=1/2 2I+1= 2 m = I = +1/2 m = I-1= -1/2,空间量子化:自旋核在外磁场中核磁距相对外磁场相互作用核磁距相对外磁场有不同的排列方式(取向)取向不是任意的具有量子化特征.,1.4 原子核的共振吸收,1.4.1 原子核的进动: 在外磁场中的原子核, 由于核磁矩与外磁场成一定角度, 原子核除自旋外, 还可绕外磁场方向回旋运动, 这种自旋轴的回旋称 为Larmor 进动. Larmor方程: = /2 Ho - 进动频率 - 旋磁比 Ho - 外磁场强度,1.4.2 核磁共振吸收的条件:,(1)

4、o = (电磁波频率=进动频率) Eo = E (电磁波能量=能级差) h o = h /2 Ho o = /2 Ho (2) m = 1 (跃迁只能发生在两个相邻能级之间) 1H1 I=1/2 m =+1/2 m = -1/2,2.1.1 局部抗磁屏蔽效应 : 氢核周围有电子 电子绕核旋转 产生电子环流(诱导环流) 在外磁场作用下 产生感生磁场 其方向与外磁场相反 使氢核实受磁场稍有下降. H = Ho- Ho= Ho (1- ) - 屏蔽常数 H - 实受磁场 = /2 (1- ) Ho Ho - 外加磁场,2.化学位移 偶合常数 谱线强度,2.1化学位移,结论 = /2 (1- ) Ho

5、 (1) Ho一定(扫频) 大 小 峰出现在低频(右端). (2) o一定 (扫场) 大 Ho 大 峰出现在高场(右端). (3) 核磁共振谱的右端 相当 低频 高场 ; 左端 相当 高频 低场 .,2.1.2 化学位移 核周围化学环境不同,使核磁共振频率发生位移的现象. 例如, 苯丙酮的 -C6H5, -CH2 , -CH3 峰位及面积不同.,2.1.3 化学位移的表示方法,化学位移:表征在NMR中,各个不同化学环境的1H1 共振频率相对位置的数量,用 表示. 表示方法: Ho固定: = ( 样品- 标准 ) / 标准 106(ppm) o固定: = ( H标准- H样品) / H标准 10

6、6(ppm) 标准物质: TMS ( 四甲基硅烷 ) NMR横坐标: ( 010 ppm ),2.1.4 化学位移的影响因素,(1)电子效应(相邻基团或原子的电负性): 氢核相邻基团的电负性强 吸电子能力强 核外电子云密度小 屏蔽作用小 增大. 例1: CH3-CH2Cl 例2: H H R C OH R C CH2OH R R A B, : CH2CH3, : A B,质子在分子中所处的空间位置不同, 所受的屏蔽作用不同的效应，尤指化学键产生的影响。,(2)磁各向异性效应(远程屏蔽效应):,例1. 苯环上的氢 负屏蔽区 大 (低场, 左) = 7.27 例2. 乙烯上的氢 负屏蔽区 大 (低

7、场,左) = 5.25 例3. 乙炔上的氢 正屏蔽区 小 (高场,右) = 2.88 若次级(感应)磁场与外磁场方向相反 : 正屏蔽区 高场 减小; 若次级(感应)磁场与外磁场方向相同 : 负屏蔽区 低场 增大.,2.2自旋偶合,2.2.1 峰的裂分现象 1:3:3:1 1:2:1 氯乙烷 CH3CH2Cl : CH3 CH2 - CH2 -CH3,2.2.2几个基本概念,自旋偶合: 核自旋产生核磁矩间的相互干扰. 自旋裂分: 由自旋偶合引起共振峰分裂的现象. 偶合是分裂的原因, 分裂是偶合的结果. 一级图谱: 由一级偶合产生的图谱,具有如下主要特征: (1)服从n+1律; (2)多重峰的峰高

8、比为二式的各相系数比; (3)多重峰的中间位置是该组质子的化学位移.,2.2.3自旋分裂的规律 (n+1律),内容: (1)一个峰被分裂成多重峰时,多重峰数 = n+1 (n-邻近原子中磁等价的质子数目); (2) 裂分峰的面积(或峰高)比 为 (X+1)n展开 式中各项系数之比. 条件: (1) I= 1/2 (1H1) (2) 一级图谱,磁等价: 分子中一组化学等价核(化学位移相同)与 分子中其他任何一个核都有相同强弱的偶 合,这组核为磁等价(磁全同). 磁等价核的特点: (1) 组内核化学位移相等 ; (2)与组外核偶合的偶合常数相等 ; (3)无组外核干扰时,组内虽有偶合,但不产生裂分

9、. 例: CH3CH2Cl (氯乙烷) 中 - CH3 磁等价核 裂分为3个峰 1:2:1 - CH2 磁等价核 裂分为4个峰 1:3:3:1,2.3谱线强度(峰面积 积分曲线),谱线强度:在氢谱中, 各吸收峰的面积(积分曲线)正比于产生该峰的氢核的数目. 因此, 根据分子式或其中某个基团的氢核数目, 就可计算出各峰所代表的氢核的数目, 即氢分布. 例 :已知某化合物的分子式为C4H8O b : a : c =2 : 3 :3 a峰: =2, 3个氢核 b峰: =2.5 , 2个氢核 c峰: =1, 3个氢核,3.核磁共振氢谱解析,3.1核磁共振氢谱解析一般步骤: (1) 若已知分子式,则先算

10、出不饱和度; (2) 根据积分高度及分子式,算出氢分布; (3) 根据化学位移推测结构基团; (4) 根据各峰的裂分情况,找出各基团的连接关系。,3.核磁共振氢谱解析示例,例1.某化合物的分子式为C4H8O, 其NMR谱如上页图示. 试推断此化合物的 结构.,解:(1)不饱和度:U = (2+24-8) / 2=1 有双键 (2)氢分布: b : a : c =2 : 3 :3 ; b峰2个氢核, a 峰3个氢核, c 峰3个氢核. (3) 结构基团: a峰: =2, 可能为CH3; b峰: =2.5 , 可能为CH2; c峰: =1, 可能为CH3.,(4) 连接关系: a峰-单峰,为孤立的

11、CH3 b峰 四重峰,应与CH3 相连 c峰-三重峰,应与CH2 相连,结论为: CH3 - C - CH2CH3,例2. 已知某化合物的C9H12,NMR 谱如下图示,试推断其结构.,解析: (1)不饱和度:U=(2+29-12) / 2= 4, 有苯环 (2)按上题步骤分析得如下结果: 峰分裂 氢分布 结构及连接 7.2 单峰 5 单取代苯 2.9 7重峰 1 C-H(连接2个-CH3) 1.2 2重峰 6 2个化学环境相同的-CH3(有一个相邻氢) (3)推测该化合物为:,4.核磁共振法在医药中应用,药理学研究: 药物与受体间的作用机制; 医学临床诊断: 癌组织与正常组织鉴别; 药品质量控制:含量测定及纯度检查; 结构解析: 药物及其代谢产物化学结构。,生物活性测定: 酶活性,生物膜分子结构