核磁共振波譜原理及應用2014.ppt

核磁共振譜波譜原理及應用,實驗室與設備管理處現(xiàn)代分析方法研究中心 秦海娟,1,一、核磁共振波譜的意義 二、磁共振波譜的基本原理 三、核磁共振波譜儀器的基本組成 四、核磁共振波譜主要信息 五、核磁共振波譜實驗 六、一維氫譜 七、核磁共振氫譜解析 八、核磁共振波譜的應用,目錄,2,第一節(jié) 核磁共振波的意義,有機波譜中的四大譜： 紫外吸收光譜分子中官能團 紅外光譜分子中化學鍵 核磁共振波譜分子中的原子 質譜分子量,3,核磁共振或簡稱NMR是一種用來研究物質的分子結構及物理特性的光譜學方法。 核磁共振與紫外、紅外吸收光譜一樣都是微觀粒子吸收電磁波后在不同能級上的躍遷。紫外和紅外吸收光譜是分子分別吸收波長為200400nm和2.525m的輻射后，分別引起分子中電子的躍遷和原子振動能級的躍遷。而核磁共振波譜中是用波長很長（約106109 m，在射頻區(qū)）、頻率為兆赫數(shù)量級、能量很低的電磁波照射分子，這時不會引起分子的振動或轉動能級的躍遷，更不會引起電子能級的躍遷。但這種電磁波能與處在強磁場中的磁性原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁場中發(fā)生磁能級的共振躍遷，從而產生吸收信號。這種原子核對射頻電磁波輻射的吸收就稱為核磁共振波譜。,4,m,mm (10-6m),nm (10-9m),A (10-10m),核磁共振研究的材料稱為樣品。樣品可以處于液態(tài)，固態(tài)。眾所周知,宏觀物質是由大量的微觀原子或由大量原子構成的分子組成，原子又是由質子與中子構成的原子核及核外電子組成。核磁共振研究的對象是原子核。 一滴水大約由1022分子組成。,5,第二節(jié) 核磁共振波的基本原理,原子核是微觀粒子，它的許多特性是量子化的，不能用經(jīng)典概念來解釋。,凡是質量數(shù)和原子序數(shù)之一是奇數(shù)的核，I 均不為零，亦即有自旋現(xiàn)象； 只有質量數(shù)和原子序數(shù)均為偶數(shù)的核的 I 才為零，亦即沒有自旋現(xiàn)象，不會產生核磁共振吸收，這類核在核磁共振研究上是沒有意義的。,6,吸收（或發(fā)射）光譜，檢測分子中某種原子核對射頻的吸收。 只有自旋量子數(shù)（I）不為零的核才有NMR信號 質量數(shù)和原子序數(shù)都為偶數(shù) I = 0 (12C, 16O) 質量數(shù)為偶數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù) I = 整數(shù) (14N, 2H, 10B) 質量數(shù)為奇數(shù) I = 半整數(shù) (1H, 13C, 15N, 31P) I =1 或I 1的原子核，這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復雜，研究應用較少； I =1/2的原子核，原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機化合物的主要組成元素 （1H，13C，15N，19F，31P） 原子核的自旋態(tài)是量子化的: m = I, (I - 1), (I - 2), , -I m 為磁量子數(shù).,7,對于 1H, 13C, 15N, 31P （生物相關的核）: m = 1/2, -1/2 這表明這些核只有兩種狀態(tài)（能級）. 原子核另一個重要的參數(shù)是磁矩（m）: m = g I h / 2p 磁矩是一個矢量，它給出了“原子核磁體”的方向和大小（強度） h 為普朗克常數(shù) g 為旋磁比, 不同的原子核具有不同的旋磁比，是磁性核的一個特征常數(shù) 不同的原子核具有不同的磁矩,8,在基態(tài)下核自旋是無序的， 彼此之間沒有能量差。它們的能態(tài)是簡并的: 由于原子核具有核磁矩，當外加一個強磁場時（Ho），核磁矩的取向會與外磁場平行或反平行: 取向與外磁場平行核的數(shù)目總是比取向反平行的核稍多。,Ho,= g h / 4p,磁場的作用 （對 I = ）,9,m = g I h / 2p,當外加一個磁場時，取向與外磁場（Ho）平行和反平行的核之間會有能量差 : 每個能級都有不同的布居數(shù)（N）, 布居數(shù)的差別與能量差有關遵守Boltzmman分布: Na / Nb = e DE / kT 400 MHz（Ho = 9.5 T）下的1H，能量差為3.8 x 10-5 Kcal / mol Na / Nb = 1.000064 與UV或IR相比，布居數(shù)的差別很小。-檢測靈敏度低,Ho = 0,Ho 0,DE = h n,a,b,能量和布居數(shù),10,原子核的能量（對于一個核自旋）與核磁矩和外加磁場的大小成正比 : E = - m . Ho E(up) = g h Ho / 4p - E(down) = - g h Ho / 4p DE = g h Ho / 2p 這個能量的差就是每個核可以吸收的能量（與信號的強度和靈敏度直接相關）: 磁體的磁場越強 （大的Ho），NMR譜儀的靈敏度就越高。 具有較大g值的核，吸收或發(fā)射的能量就越大，也就越靈敏。靈敏度與m、 Na - Nb及“線圈的磁通量”都成正比，這三者都與 g成正比，所以靈敏度與g3成正比。 如果考慮同位素的天然豐度, 13C (1%) 的靈敏度要比1H低上6400倍。,g13C = 6,728 rad / G g1H = 26,753 rad / G,僅僅是 g 的原因 ， 1H 的 靈敏度就大約是13C的64倍,能量和靈敏度,11,能量與頻率是相關的，我們可以作一些簡單的數(shù)學變換： DE = h n n = g Ho / 2p DE = g h Ho / 2p 對于1H來說，在通常的磁體中 (2.35 - 18.6 T), 其共振的頻率在100-800 MHz之間。對13C, 是其頻率的1/4。,10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 wavelength (cm),g-rays x-rays UV VIS IR m-wave radio,能量和頻率,無線電波波長最長，能量最小,12,在外磁場中，原子核能級產生裂分，由低能級向高能級躍遷，需要吸收能量。 能級量子化。射頻振蕩線圈產生電磁波。,對于氫核，能級差： E= 2H0 （磁矩） 產生共振需吸收的能量：E= 2H0 = h 0 由拉莫進動方程：0 = 20 = H0 ; 共振條件： 0 = H0 / (2 )(核磁共振理論基礎）,例：H原子H=2.68108T-1S-1(特斯拉-1 秒-1) C13核的C =6.73107 T-1S-1,核磁共振條件,13,(1) 核有自旋(磁性核) (2) 外磁場,能級裂分; (3) 進動頻率與外磁場的比值0/H0=/2,核磁共振條件,14,在實際的樣品中可能存在數(shù)以百計的自旋系統(tǒng)，它們的共振頻率各不相同。我們用射頻脈沖同時激發(fā)所有的頻率，接收線圈會同時檢測到所有頻率的信號。我們看到的結果是所有信號的疊加，這就是FID信號。 對FID信號進行FT處理就可以得到NMR譜圖。,自由感應衰減（FID）,15,一些磁核的性質,16,第三節(jié) 核磁共振波譜儀器的主要組成,17,超導磁場 目前NMR儀器大多采用超導磁場，即由超導材料組成的線圈浸泡在溫度極低的液氦(-269oC)中，使其處于超導狀態(tài)，然后對線圈施加電流，由于沒有電阻，撤去電源后，電流仍然在線圈中作恒定的流動，也就產生了恒定的磁場。同樣的線圈上，電流越大，產生的磁場就越強。一個線圈上能加多大的電流則取決于該線圈的材料以及設計和生產工藝等。,探頭 探頭的種類與下面幾個方面有關：1、液體探頭或固體探頭；2、探頭中線圈直徑的大小；3、固定頻率的或寬帶頻率；4、正向或反向；5、是否具有發(fā)射梯度場脈沖的線圈,18,NMR 探頭,19,傅立葉變換核磁共振波譜儀,恒定磁場，施加全頻脈沖，產生共振，采集產生的感應電流信號，經(jīng)過傅立葉變換獲得核磁共振譜圖。,20,天津科技大學核磁共振譜儀- 布魯克 AVANCE III 400 MHz BBO探頭,21,超導磁體橫切面圖,超導磁體剖面圖,22,Information: Larmor 頻率： 原子核 化學位移: 結構測定(功能團) J-偶合: 結構測定(原子的相關性) 偶極偶合: 結構測定 (空間位置關系) 弛豫: 動力學,1H,13C,CH3,C=CH-,C=C,CH3,第四節(jié) 核磁共振波譜主要信息,23,NMR示意圖：,24,25,26,理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件： 0 = H0 / (2 ) 產生單一的吸收峰； 實際上，氫核受周圍不斷運動著的電子影響。在外磁場作用下，運動著的電子產生相對于外磁場方向的感應磁場，感應磁場的方向與外磁場相反，減弱了外磁場對氫核的作用，對氫核起到屏蔽作用，使氫核實際受到的外磁場作用減弱： Heff=H0-H0 = (1- )H0 ：屏蔽常數(shù),化學位移常數(shù)。 越大，屏蔽效應越大。 0 = / (2 ) (1- )H0 這種感應磁場對外磁場的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應。,H0,He,一、化學位移(Chemical Shift),27,0 = / (2 ) （1- ）H0 由于屏蔽作用的存在，氫核產生共振需要更大的外磁場強度（相對于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。,在有機化合物中，由于分子中各組質子所處的化學環(huán)境不同，各種氫核 周圍的電子云密度不同，共振頻率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現(xiàn)象稱為化學位移。,28,化學位移的表示方法：,1位移的標準 沒有完全裸露的氫核，沒有絕對的標準。,相對標準：四甲基硅烷 Si(CH3)4(Tetramethysilane,TMS)(內標) 位移常數(shù) TMS=0 2為什么用TMS作為基準? (1) 12個氫處于完全相同的化學環(huán)境，只產生一個尖峰； （2）屏蔽強烈，位移最大。與有機化合物中的質子峰不重迭； （3）化學惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。,29,與裸露的氫核相比，TMS的化學位移最大，但規(guī)定 TMS=0，其他種類氫核的位移為負值，負號不加。, = （ 樣 - TMS) / TMS 106 (ppm), 小，屏蔽強，共振需要的磁場強度大，在高場出現(xiàn)，圖右側； 大，屏蔽弱，共振需要的磁場強度小，在低場出現(xiàn)，圖左側；,30,由于化學位移是與外加磁場成正比，所以在不同的磁場下所的化學位移數(shù)值也不同。也會引起許多麻煩，引入ppm并使用同一參照樣品，就使光譜獨立于外加磁場。,參照樣品峰,300 MHz,500 MHz,300 MHz,500 MHz,1 ppm = 300 Hz,1 ppm = 500 Hz,PPM 單位,31,HC=O,HC=,CH2,CH3,即使使用不同的儀器或在不同的場強下，相同的官能團具有相同的ppm值。不同的官能團由于存在于不同的電子環(huán)境因而具有不同的化學位移，從而使結構鑒定成為可能,32,低場 高頻,高場 低頻,磁場強度,（ 增大）,（ 減?。?向左,向右,33,磁場中所有自旋核產生感應磁場，方向與外加磁場相反或相同，使原子核的實受磁場降低或升高，即屏蔽效應。 由于屏蔽作用的存在，使氫核實際受到的外磁場作用減弱： Heff=H0-H0 = (1- )H0 ：屏蔽常數(shù)。 越大，屏蔽效應越大。有效磁場Beff,由于屏蔽效應的存在：,坐標軸上屏蔽常數(shù)越往右越大，由公式計算，屏蔽常數(shù)大的時候對應的頻率就小，所以坐標軸右端對應的是低頻；屏蔽常數(shù)小的時候對應的頻率就大，所以坐標軸左端對應的是高頻。,核磁共振理論基礎,0 = / (2 ) （1- ）H0,34,因此，凡是H值較大的質子就認為是處于低場，位于譜圖左邊。 H值較小的質子則認為是處于高場，位于譜圖的右邊。,0 = / (2 ) （1- ）H0,對于氫核來說，氫核的共振頻率基本上是一致的。所以，由公式計算，屏蔽常數(shù)大的時候，屏蔽強，小，共振需要的磁場強度大，在高場出現(xiàn)，圖右側；屏蔽常數(shù)小的時候，屏蔽弱，大，共振需要的磁場強度小，在低場出現(xiàn)，圖左側。對應的磁場場強就小，所以坐標軸左端對應的是低場。,核磁共振波譜的左端相當于低場、高頻；右端相當于高場、低頻,35,二、影響化學位移的因素,化學位移是由于核外電子云的對外磁場的屏蔽引起的，核外電子云密度的強弱決定了屏蔽的大小，凡是能使核外電子云密度改變的因素都能影響化學位移。 影響因素,內部 元素電負性，磁的各向異性效應等,外部 溶劑效應，氫鍵的形成等,36,具體因素主要有：,誘導效應 化學鍵的各向異性 氫鍵效應 溶劑效應 共軛效應,37,1、誘導效應( 電負性取代基的影響 ),3.14,4.26,3.05,2.68,2.16,0.23,0,38, 0.93 1.53 3.49 OH 1.06 1.81 3.47 Cl,39,2、化學鍵的磁各向異性效應,在外磁場的作用下，分子中處于某一化學鍵（單鍵 , 雙鍵, 三鍵和大 鍵）的不同空間位置的氫核，受到不同的屏蔽作用，這種現(xiàn)象稱為化學鍵的磁各向異性效應。 原因: 電子構成的化學鍵，在外磁場作用下產生一個各向異性的次級磁場，使得某些位置上氫核受到屏蔽效應，而另一些位置上的氫核受到去屏蔽效應。,40,例如，芳環(huán)的大鍵在外磁場的作用下形成上下兩圈電子環(huán)電流，因而苯環(huán)平面上下電子云密度大，形成屏蔽區(qū)“+”,而環(huán)平面各側電子云密度低，形成去屏蔽區(qū) “” 苯環(huán)的氫核正處于去屏蔽區(qū)，共振信號向低場區(qū)移動，其化學位移值大7.27；如果分子中有的氫核處于苯環(huán)的屏蔽區(qū),則共振信號向高場區(qū)移動，值會減小。,+,+,41,H,H,18-輪烯：,42,CH3位于苯環(huán)上方的屏蔽區(qū),CH3位于苯環(huán)旁邊的去屏蔽區(qū),43,雙鍵 電子的情況與苯環(huán)相似，如乙烯的氫核處于弱屏蔽區(qū)，其化學位移較大，達到5.28ppm。,44,三鍵的各向異性使乙炔的H核處于屏蔽區(qū)，化學位移較小， =2.88ppm,45,3、氫鍵效應,鍵合在雜原子上的質子易形成氫鍵。氫鍵質子比沒有形成氫鍵的質子有較小的屏蔽效應。化學位移值變大。 形成氫鍵傾向越強烈，質子受到的屏蔽效應就越小，因此在較低場發(fā)生共振，即化學位移值較大。 形成氫鍵傾向受溶液的濃度影響，如在極稀的甲醇中，形成氫鍵傾向小，故羥基中質子的化學位移小，0.5-1.0ppm；而在濃溶液中形成氫鍵傾向大,化學位移值大，4.0-5.0ppm。,46,同一試樣在不同溶劑中由于受到不同溶劑分子的作用，化學位移發(fā)生變化，稱為溶劑效應。溶劑效應的產生是由于溶劑的磁各向異性造成或者是由于不同溶劑極性不同,與溶質形成氫鍵的強弱不同引起的。,4、溶劑效應,47,提示：,在核磁共振波譜分析中,一定要注明是在什么溶劑下的 ； 一般在惰性溶劑的稀溶液中，化學位移變化不大，所以盡量選用惰性溶劑，少用或不用強極性溶劑； 如在CCl4、CDCl3、CS2中。 溶液濃度0.050.5molL-1。 被測物純度要高。,48,三、各類質子的化學位移,飽和碳上質子的化學位移 不飽和碳上質子的化學位移 芳環(huán)氫的化學位移值 雜環(huán)芳氫的的化學位移值 活潑氫的化學位移值,49,飽和碳上質子的化學位移,甲基 在核磁共振氫譜中，甲基的吸收峰比較特征，容易辨認。一般根據(jù)鄰接的基團不同，甲基的化學位移在0.74ppm之間。,50,不飽和碳上質子的化學位移,炔氫 叁鍵的各向異性屏蔽作用，使炔氫的化學位移出現(xiàn)在1.6 3.4ppm范圍內。,51,烯氫 烯氫的化學位移可用經(jīng)驗公式來計算： = 5.25 + Z同 + Z順 + Z反 式中常數(shù)5.25是乙烯的基本化學位移值，Z是同碳、順式及反式取代基對烯氫化學位移的影響參數(shù)，烯氫的化學位移一般在5-8ppm之間。,52,取代基對烯氫的影響,53,54,芳環(huán)氫的化學位移值 芳環(huán)的各向異性效應使芳環(huán)氫受到去屏蔽影響，其化學位移在較低場。苯的化學位移為7.27ppm。當苯環(huán)上的氫被取代后，取代基的誘導作用又會使苯環(huán)的鄰、間、對位的電子云密度發(fā)生變化，使其化學位移向高場或低場移動，一般在6-9ppm之間。 芳環(huán)氫的化學位移可按下式進行計算； = 7.27 +Si 式中常數(shù)7.27是苯的化學位移，Si為取代基對芳環(huán)氫的影響。,55,活潑氫的化學位移值 常見的活潑氫，如-OH、-NH-、-SH、-COOH等基團的質子，在溶劑中交換很快，并受測定條件如濃度、溫度、溶劑的影響，值不 固定在某一數(shù)值上，而在一個較寬的范圍內變化?；顫姎涞姆逍斡幸欢ㄌ卣?，一般而言，酰胺、羧酸類締合峰為寬峰，醇、酚類的峰形較鈍，氨基，巰基的峰形較尖。用重水交換法可以鑒別出活潑氫的吸收峰（加入重水后活潑氫的吸收峰消失）。,活潑氫的化學位移,化合物類型 （ppm）化合物類型 （ppm）,ROH 0.55.5 RSO3H 1.11.2 ArOH(締合) 10.516 RNH2, R2NH 0.43.5 ArOH 48 ArNH2,Ar2NH 2.94.8 RCOOH 1013 RCONH2,ArCONH2 56.5 =NH-OH 7.410.2 RCONHR,ArCONHR 68.2 R-SH 0.92.5 RCONHAr, 7.89.4 =C=CHOH(締合) 1519 ArCONHAr 7.89.4,56,各種環(huán)境中質子的化學位移,/ppm 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,/ppm 4 3 2 1 0,/ppm 4 3 2 1 0,57, NMR 譜中都會出現(xiàn)一些多重峰。這些多重峰的產生與屏蔽效應無關，是由分子中鄰近磁性核之間的相互作用造成的。,四、自旋-自旋偶合與偶合裂分 （Spin-spin coupling and spin-spin splitting）,58,相鄰的原子核可以通過中間媒介(電子云)而發(fā)生作用。此中間媒介就是所謂的化學鍵。這一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合)。特點是通過化學鍵的間接作用。 由自旋-自旋偶合引起的譜峰分裂的現(xiàn)象稱作自旋-自旋裂分(Spin-spin splitting) 。在一組裂分峰中，峰與峰之間的距離或裂距稱為偶合常數(shù)，用J表示，單位為Hz。,C,H,C,H,H,C,異核 J-coupling,同核 J-coupling,JCH,JHH,自旋-自旋偶合,59,自旋-偶合原理,當b質子處于m = +1/2 順磁場取向時，其局部磁場通過共價鍵傳遞給a質子，使a質子受到比外磁場稍微增強的磁場作用，故可以在較低的外磁場發(fā)生共振。 當b質子處于m = -1/2 反磁場取向時，使a質子受到比外磁場稍微減小的磁場作用，故可以在較高的外磁場發(fā)生共振。,60, b質子兩種取向的幾率近似相等，故a質子裂分的兩個峰強度相等。, a的兩個質子可能的取向組合有以下三種，故可使b質子的峰裂分為三重峰。,61,同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),多重峰出現(xiàn)的規(guī)則： 1. 某一原子核與N個相鄰的核相互偶合將給出(n+1)重峰 2. 等價組合具有相同的共振頻率，其強度與等價組合數(shù)有關 3. 磁等價的核之間偶合作用不出現(xiàn)在譜圖中 4. 偶合具有相加性 5. 一般，間隔四個單鍵以上，J值趨于零,例如：,62,Ha,Hb,C,C,Hc,A,B,C,B,C,A,A,B,C是化學等價的核,JAB=JAC,同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),63,Ha,Hb,C,C,Hc,B,C是化學不等價的核,JAC=10 Hz,JAB=4 Hz,JBC=7 Hz,A,B,C,wA,JAC,JAB,同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),64,異核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling),*CH,*CH2,*CH3,*C,65,由于一些核的自然豐度并非如此100%。因此譜圖中可能出現(xiàn)偶合分裂的峰和無偶合的峰。氯仿中的氫譜是一個典型的例子。,x100,H-13C,H-13C,105 Hz,H-12C,異核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling),66, 當某組環(huán)境完全相等的n個質子（I=1/2 ），在外磁場H0中共產生（n+1）種局部磁場，與其發(fā)生偶合的質子將裂分為（n+1）重峰n+1規(guī)律 當某組質子與另外兩組質子發(fā)生偶合，其中一種質子數(shù)為n，另一組質子數(shù)為m。如果該組質子與兩組質子的偶合常數(shù)不相等，則其被另外兩組質子裂分為（m+1）*（n+1）峰；如果與另外兩組質子的偶合常數(shù)近似相等，則被裂分為（n+m+1）重峰。,n+1規(guī)律,67, 嚴格意義上，不同化學環(huán)境的質子相互偶合的偶合常數(shù)是不相等的。 如果兩個偶合常數(shù)值比較接近，一些偶合裂分峰又靠得比較近，會發(fā)生峰的重疊。,68, 當某組質子與n個質子偶合，且偶合常數(shù)相等或接近，裂分峰的強度之比近似為二項展開式的各項系數(shù)之比。,69,Ha裂分為多少重峰？,Ha裂分峰:(3+1)(2+1)=12,實際Ha裂分峰:(5+1)=6,強度比近似為：1:5:10:10:5:1,70,向心規(guī)則：相互偶合核的兩組峰的強度會出現(xiàn)內側高，外側低得規(guī)律。裂距越小，差別越大。,1:1,1:3:3:1,1:1,1:2:1,71,偶合常數(shù),偶合常數(shù)衡量偶合的磁性核之間相互干擾程度大小，常用J表示，單位Hz （J=*MHz） 偶合常數(shù)是NMR的重要參數(shù)之一，可用來研究核間關系、構型、構象及取代位置等。,72,五、自旋系統(tǒng)與圖譜分類,1. 核的等價性質,（1）化學等價：分子中化學環(huán)境完全相同，化學位移嚴格相等的一組核，彼此稱為化學等價。,分為快速旋轉化學等價和對稱化學等價 即分別通過快速機制（如構象轉換）或對稱操作互換的質子是化學等價的。,以下幾種情況中的質子化學不等價,1，旋轉受阻 2，固定環(huán)上的CH2， 分處直立鍵和平伏鍵，受單鍵磁各向異性的影響 3，與手性碳原子相連的CH2,73,（2）磁等價核分子中一組化學等價核與分子中其它任何核的偶合常數(shù)相同，則這組核稱為磁等價核。 磁等價核的特征： 組內核化學位移相同； 與組外核的J相同； 在無組外核干擾時，組內雖偶合，但不分裂。 必須注意：磁等價核必定化學等價，但化學等價核不一定磁等價，而化學不等價必定磁不等價，因此化學等價是磁等價的前提。 （3）磁不等價的核： 雙鍵同碳質子具有磁不等價性。 單鍵帶有雙鍵性時，會產生不等價質子。同理，單鍵不能自由旋轉時也能產生不等價質子。 苯環(huán)上的鄰位質子可能是化學等價，而磁不等價的。 與不對稱原子連接的CH2質子是磁不等價的。 固定環(huán)上的CH2質子磁不等價。,74,1、樣品的制備 溶劑的選擇和樣品的用量 2、開空壓機 3、打開控制系統(tǒng) 4、放入樣品管 5、選擇實驗參數(shù) 6、勻場和鎖場 7、采集數(shù)據(jù) 8、數(shù)據(jù)處理,第五節(jié) 核磁共振波譜實驗,75,樣品: 非磁性及非導電 靈敏度: 樣品需含 1015 原子核,溶液,固體Solids,成像,NMR,NMR樣品要求,樣品的制備 1、樣品溶液要有足夠的高度（3.54.0cm） 2、樣品中是否含有Fe3+、Cu2+等順磁離子 3、氘代溶劑的選擇 4、核磁管的選擇,76,常用氘代溶劑,CDCl3：含有定標物TMS，氯仿峰7.26ppm，單峰，水峰位置1.6ppm4.8ppm D6-Acetone：不含TMS，溶劑峰2.05ppm，五重峰，水峰位置2.84.8ppm D6-DMSO：含TMS，溶劑峰2.50ppm，五重峰，水峰位置3.34.8ppm D2O：不含TMS，水峰4.79ppm，無活潑氫 D4-CD3OD：不含TMS，溶劑峰3.31ppm，五重峰，水峰位置4.8ppm，無活潑氫,77,核磁內標物的選擇,不參與反應 特征峰不重合，用于定量的峰，待測物與內標物所選信號接近 分子量相當 溶解性一致 質量稱量50mg,78,常用內標物,間三甲氧基苯： 非水溶性 Purity：99.5% Mw：168.19 化學位移：6.0ppm，3.6ppm,馬來酸： 水溶性 Purity：98.9% Mw：116.07 化學位移：6.3ppm,79,80,4-碘甲基-5,5-二甲基-二氫呋喃-2-酮,1H NMR (400 MHz, CDCl3): 1.31 （3H, s）, 1.51 (3H, s), 1.95-1.97 (1H, m), 2.41-2.50 (1H, m), 2.72-2.75 (1H, m), 2.82-2.90 (1H, m),3.09 (1H, dd, J = 10.2, 9.6 Hz ), 3.25 (1H, dd, J = 10.2, 5.1 Hz ),核磁數(shù)據(jù)表述方式,81,第七節(jié) 核磁共振圖譜解析,1、氫譜的分析：,一張譜圖可以向我們提供關于有機分子結構的如下信息：,（1）由吸收峰的組數(shù)，可以判斷有幾種不同類型的H核,（2）由峰的強度（峰面積或積分曲線高度），可以判斷各類H的 相對數(shù)目,（3）由峰的裂分數(shù)目，可以判斷相鄰H核的數(shù)目,（4）由峰的化學位移（值)，可以判斷各類型H所屬的化學結構,（5）由裂分峰的外型或偶合常數(shù)，可以判斷哪種類型H是相鄰的,82,分析氫譜有如下的步驟。 (1) 區(qū)分出雜質峰、溶劑峰、旋轉邊帶。 雜質含量較低，其峰面積較樣品峰小很多，樣品和雜質峰面積之間也無簡單的整數(shù)比關系。據(jù)此可將雜質峰區(qū)別出來。 氘代試劑不可能100氘代，其微量氫會有相應的峰，如CDCl3中的微量CHCl3在約7.27ppm處出峰。邊帶峰的區(qū)別請閱6.2.1。 (2) 計算不飽和度。 不飽和度即環(huán)加雙鍵數(shù)。當不飽和度大于等于4時，應考慮到該化合物可能存在一個苯環(huán)（或吡啶環(huán)）。,83,(3) 確定譜圖中各峰組所對應的氫原子數(shù)目，對氫原子進行分配。 根據(jù)積分曲線，找出各峰組之間氫原子數(shù)的簡單整數(shù)比，再根據(jù)分子式中氫的數(shù)目，對各峰組的氫原子數(shù)進行分配。 (4) 對每個峰的、J都進行分析。 根據(jù)每個峰組氫原子數(shù)目及值，可對該基團進行推斷，并估計其相鄰基團。 對每個峰組的峰形應仔細地分析。分析時最關鍵之處為尋找峰組中的等間距。每一種間距相應于一個耦合關系。一般情況下，某一峰組內的間距會在另一峰組中反映出來。 通過此途徑可找出鄰碳氫原子的數(shù)目。,84,(5) 根據(jù)對各峰組化學位移和耦合常數(shù)的分析，推出若干結構單元，最后組合為幾種可能的結構式。每一可能的結構式不能和譜圖有大的矛盾。 (6) 對推出的結構進行指認。 每個官能團均應在譜圖上找到相應的峰組，峰組的值及耦合裂分（峰形和J值大?。┒紤摵徒Y構式相符。如存在較大矛盾，則說明所設結構式是不合理的，應予以去除。通過指認校核所有可能的結構式，進而找出最合理的結構式。必須強調：指認是推結構的一個必不可少的環(huán)節(jié)。 如果未知物的結構稍復雜，在推導其結構時就需應用碳譜。在一般情況下，解析碳譜和解析氫譜應結合進行。,85,譜圖示例,86,譜圖示例,87,某化合物的分子式為C11H20O4，其HNMR中，為0.79，1.23，1.86，4.14處分別有三重峰，三重峰，四重峰和四重峰，積分高度比為：3：3：2：2；紅外光譜顯示含有酯基，試推測分子結構。,1）有四組化學等同核。 2）由積分比3：3：2：2；及分子中有20個質子，表明分子結構對稱，有2個甲基，2個甲基及2個亞甲基及另2個亞甲基，由偶合知有兩個相同的CH3CH2。 3）除去兩個相同的酯基COO，剩下一個C，為季碳。 4)該化合物應為,譜圖解析示例,88,5）根據(jù)A和B的結構計算化學位移，取兩種亞甲基中較大的比較：,A,B,因為為0.79，1.23，1.86，4.14 所以結構為A。,89,第八節(jié) 核磁共振波譜的應用,1、有機化合物的結構鑒定 2、有機分子的構象研究 3、定量分析：內標和外標 4、分子之間的相互作用研究: 如了解抗癌藥物作用機制 5、分子內相互作用研究：單鏈核酸分子兩端的互補 6、生物大分子的構象研究 7、現(xiàn)場核磁共振波譜實驗 8、生物活體實驗,90,1、化合物Cl-CH2-CH2-Cl 1HNMR譜圖上為 (1) (1) 1個單峰 (2) 1個三重峰 (3) 2個二重峰 (4) 2個三重峰 2、核磁共振波譜法中乙烯, 乙炔, 苯分子中質子化學位移值序是 (1) (1)苯 乙烯 乙炔 (2) 乙炔 乙烯 苯 (3) 乙烯 苯 乙炔 (4) 三者相等 3、核磁共振波譜法, 從廣義上說也是吸收光譜法的一種, 但它同通常的吸收光譜法(如紫外、 可見和紅外吸收光譜)不同之處在于 (2) (1) 必須有一定頻率的電磁輻射照射 (2) 試樣放在強磁場中 (3) 有信號檢測儀 (4) 有記錄儀 4、一種純凈的硝基甲苯的NMR圖譜中出現(xiàn)了3組峰, 其中一個是單峰, 一組是二重峰, 一組是三重峰. 該化合物是下列結構中的(b),練習題及答案,91,5、 在 60 MHz 儀器上，TMS 和一物質分子的某質子的吸收頻率差為 120Hz，則該質子的化學位移為 ( 1 ) (1) 2 (2) 0.5 (3) 2.5 (4) 4 6、考慮3,3-二氯丙烯(CH2=CH-CHCl2)的NMR譜, 假如多重峰沒有重疊且都能分辨,理論上正確的預言是 ( 3 ) (1) 有3組峰, 2位碳上的質子是六重峰 (2) 有3組峰, 2位碳上的質子是四重峰 (3) 有4組峰, 2位碳上的質子是八重峰 (4) 有4組峰, 2位碳上的質子是六重峰 7、使用60.0MHz的儀器, TMS吸收和化合物中某質子之間的頻率差為180Hz。若使用40.0MHz的儀器, 則它們之間的頻率差是( 2 ) (1) 100Hz (2) 120Hz (3) 160Hz (4) 180Hz 8、在 (CH3)2CHCH2 - OH 中核磁共振吸收峰面積之比為哪一組數(shù)據(jù) ? ( 1 ) (1) 6 : 1 : 2 : 1 (2) 6 : 3 : 1 (3) 3 : 1 : 2 : 1 (4) 6 : 1 : 2 9、化合物C6H5CH2C(CH3)3 在1HNMR譜圖上有( 2 ),(1) 3組峰: 1個單峰, 1個多重峰, 1個三重峰 (2) 3個單峰 (3) 4組峰: 1個單峰, 2個多重峰, 1個三重峰 (4) 5個單峰,92,10、當外加磁場強度B0增加時,對質子來說,由低能級向高能級躍遷時所需能量 要高 11、在核磁共振波譜法中, 記錄