《核磁共振波譜》PPT課件

1,NuclearMagneticResonanceSpectroscopy(NMR),核磁共振波譜,人腦縱切面的核磁共振成像,通過一個磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個連續(xù)切片的動畫，由頭頂開始，一直到基部,2,乙醚核磁共振波譜圖,3,核磁共振波譜與紫外-可見光譜及紅外光譜的區(qū)別,照射頻率不同而引起的躍遷類型不同,4,美國科學家布洛赫(FelixBloch)和珀賽爾(EdwardPurcell)各自獨立觀察到核磁共振現(xiàn)象，1952年獲得諾貝爾物理獎。,布洛赫(FelixBloch),珀賽爾(EdwardPurcell),5,瑞士物理化學家恩斯特(R.R.Ernst)由于在PFT-NMR及2DNMR二方面的貢獻而獲得1991年諾貝爾化學獎。,恩斯特(R.R.Ernst),脈沖傅利葉變換核磁共振譜二維核磁共振譜核磁共振成像,6,瑞士的庫爾特維特里希(KurtWthrich)首先將2D-NMR的方法用于蛋白質(zhì)，發(fā)展了將2D-NMR和距離幾何結(jié)合得到蛋白質(zhì)在溶液中的空間結(jié)構(gòu)的方法，第一個用NMR方法解析出蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，獲得2002年諾貝爾化學獎。,庫爾特維特里希(KurtWthrich),7,美國科學家保羅勞特布爾(PaulLauterbur)和英國科學家彼得曼斯菲爾德(PeterMansfield)關(guān)于核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，簡稱NMRI，也稱磁共振成像（MagneticResonanceImaging，簡稱MRI），技術(shù)方面的研究獲得2003年諾貝爾醫(yī)學獎。,保羅勞特布爾(PaulLauterbur),彼得曼斯菲爾德(PeterMansfield),8,一、基本原理：,1.原子核的自旋,質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)自旋量子數(shù)I偶數(shù)偶數(shù)0偶數(shù)奇數(shù)1，2，3.奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/2；3/2；5/2.,凡是自旋量子數(shù)不等于零的原子核，都可發(fā)生核磁共振。常用1HNMR和13CNMR。,9,（1）I=0的原子核16O；12C；22S等，無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收；（2）I=1，2，3.的原子核：2H，14N，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；（3）1/2，3/2，5/2.的原子核:1H，13C，19F，31P，原子核的電荷均勻分布，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)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。,10,有機化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信號，且自旋量子數(shù)均為1/2，核磁共振信號相對簡單，已廣泛用于有機化合物的結(jié)構(gòu)測定然而，核磁共振信號的強弱是與被測磁性核的天然豐度和旋磁比的立方成正比的，如1H的天然豐度為99.985%，19F和31P的豐度均為100%，因此，它們的共振信號較強，容易測定，而13C的天然豐度只有1.1%，很有用的15N和17O核的豐度也在1%以下，它們的共振信號都很弱，必須在傅里葉變換核磁共振波譜儀上經(jīng)過多次掃描才能得到有用的信息。,11,1.質(zhì)子類型（-CH3、-CH2-、=CH2、Ar-H、-OH、-CHO）及質(zhì)子化學環(huán)境；,按原子核種類可分為1H、13C、19F、31P等核磁共振譜。,但不能給出不含氫基團的共振信號。,碳譜可給出豐富碳骨架的信息，但其峰面積與碳數(shù)一般不成比例關(guān)系。因而氫譜和碳譜可互為補充。,19F和31P譜只能用于含F(xiàn)含P的化合物，應用范圍較窄。,氫譜主要是給出三方面的結(jié)構(gòu)信息：,2.氫分布；,3.核間關(guān)系。,12,質(zhì)子是自旋的。有自旋量子數(shù)+1/2和-1/2兩個自旋態(tài)，在外磁場H0作用下，兩個自旋態(tài)能量不再相等，兩種自旋態(tài)的能量差E隨著外磁場強度增加而變大。,13,2.核磁共振的條件：,質(zhì)子受到電磁波（無線電波）幅射，只要電磁波的頻率能滿足兩個相鄰自旋態(tài)能級間的能量差E，質(zhì)子就由低自旋態(tài)躍遷到高自旋態(tài)，發(fā)生核磁共振。,14,15,16,3.核磁共振儀：A.連續(xù)波核磁共振儀(1)固定外磁場強度H0不變，改變電磁波頻率，稱為掃頻。(2)固定電磁波頻率不變，改變磁場強度H0，稱為掃場。兩種方式的共振儀得到的譜圖相同，實驗室多數(shù)采用后一種，如60MHz，100MHz，400MHz就是指電磁波頻率。,17,B.傅立葉變換核磁共振波譜儀,不是通過掃場或掃頻產(chǎn)生共振；采用射頻脈沖激發(fā)在一定范圍內(nèi)所有的欲觀測的核，通過傅立葉變換得到NMR譜圖。恒定磁場，施加全頻脈沖，產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應電流信號，經(jīng)過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺多道儀）,18,1永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。2射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。3射頻信號接受器（檢測器）：當質(zhì)子的進動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應線圈中產(chǎn)生毫伏級信號。,4樣品管：外徑5mm的玻璃管,測量過程中旋轉(zhuǎn),磁場作用均勻。,核磁共振儀的構(gòu)造及操作：,19,400MHzAvanceSystem,Unixcomputer,electroniccontrols,super-conductingmagnet,400MHzNMRSpectrometer,20,21,儀器名稱：400MHz核磁共振波譜儀生產(chǎn)廠商：瑞士BruckerBiospin公司儀器型號：AVANCE400MHz,22,掃描線圈,23,5060周/s旋轉(zhuǎn),24,樣品放在兩塊大電磁鐵中間，用固定的無線電波照射，在掃描線圈中通直流電，產(chǎn)生微小的磁場，使總的外磁場逐漸增加。當磁場達到H0時，試樣的一種質(zhì)子發(fā)生共振。信號經(jīng)放大記錄，并繪制出核磁共振譜圖。,25,4.樣品的制備：,試樣濃度：5-10%；需要純樣品15-30mg；傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1mg；標樣濃度（四甲基硅烷,TMS）：1%；溶劑：1H譜四氯化碳，二硫化碳；氘代溶劑：氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物；,26,二、H-NMR的化學位移,由于化學環(huán)境不同，即各種氫核周圍的電子云密度不同（結(jié)構(gòu)中不同位置），引起分子中的H核磁共振信號位置的變化稱為化學位移，用表示。,屏蔽效應：,分子中的H周圍有電子（化學環(huán)境），電子在磁場中運動產(chǎn)生與外磁場方向相反的誘導磁場，抵消了一部分外磁場，若使H發(fā)生了核磁共振，必須增大外磁場強度，這種現(xiàn)象稱為電子的屏蔽作用或屏蔽效應。,27,理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件：0=H0/(2)產(chǎn)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(chǎn)生相對于外磁場方向的感應磁場，起到屏蔽作用，使氫核實際受到的外磁場作用減小：H=（1-）H0：屏蔽常數(shù)。越大，屏蔽效應越大。,28,0=/(2)（1-）H0由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)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，各種氫核周圍的電子云密度不同（結(jié)構(gòu)中不同位置）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。,29,1.化學位移表示方法：,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（TMS）（內(nèi)標）,位移常數(shù)TMS=0,30,為什么用TMS作為基準?,12個氫處于完全相同的化學環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰；屏蔽強烈，位移最大。與有機化合物中的質(zhì)子峰不重迭；化學惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。,31,是以百萬分之一（ppm）為單位的參數(shù)，化學位移為一個無因次的數(shù)，并以多少個ppm來表示。,32,例：在60MHz的儀器上，測得氯仿與TMS間吸收頻率差為437Hz，用表示氫的化學位移為：,TMS的=0，一般有機化合物中H的化學位移出現(xiàn)在其左邊，低磁場強度一邊。屏蔽效應越小，離TMS的值越遠，規(guī)定取正值。,33,在60MH儀器上測得的1H-NMR譜上，某化合物的CH3氫核峰位與TMS峰相差134Hz，而CH2氫核峰位與TMS相差240Hz，故兩者的化學位移值分別為：（CH3）=（1340）/60106106=2.23（CH2）=（2400）/60106106=4.00,34,但同一化合物在100MHz儀器測得的1H-NMR譜上，兩者化學位移值（）雖無改變，但它們與TMS峰的間隔以及兩者之間的間隔（v）卻明顯增大了。CH3基為223Hz，CH2基則為400Hz。由此可見，隨著照射用電磁輻射頻率的增大，共振峰頻率及NMR譜中橫坐標的幅度也相應增大，但化學位移值并無改變。,35,位移的表示方法,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)/o106(ppm),小，屏蔽強，共振需要的磁場強度大，在高場出現(xiàn)，圖右側(cè)；大，屏蔽弱，共振需要的磁場強度小，在低場出現(xiàn)，圖左側(cè)；,36,2.影響化學位移的因素:,（1）電負性：與H原子相連的C上連的原子或基團的電負性越大，H的化學位移值越大。,37,38,典型的吸電子取代基：,39,40,41,（2）磁各向異性效應：,42,價電子產(chǎn)生誘導磁場，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽。,43,價電子產(chǎn)生誘導磁場，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽。,44,苯環(huán)上的6個電子產(chǎn)生較強的誘導磁場，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽。,45,46,（3）氫鍵的影響,氫鍵是起去屏蔽作用，形成氫鍵的H的化學位移比沒有形成氫鍵的H的化學位移大，出現(xiàn)在低場。,醇分子中OH基上的H形成氫鍵時，=3.55.5酸分子中OH基上的H形成氫鍵時，=1013,47,PhOH中酚羥基質(zhì)子的化學位移與濃度的關(guān)系：,48,（4）其他因素影響：,范德華效應、溫度、質(zhì)子交換、溶液濃度、溶劑都要影響化學位移。,49,3.常見的各種H的化學位移值：,50,51,52,三、磁等性質(zhì)子和磁不等性質(zhì)子：,1.磁等性質(zhì)子：在有機分子中，化學環(huán)境相同的一組質(zhì)子稱為磁等性質(zhì)子。例如：四甲基硅烷、苯、環(huán)戊烷、甲烷、丙酮中的質(zhì)子都是磁等性質(zhì)子。磁等性質(zhì)子的化學位移相等。,53,2.磁不等性質(zhì)子：在有機分子中，化學環(huán)境不相同的質(zhì)子稱為磁不等性質(zhì)子。例如：氯乙烷分子中甲基上的氫與亞甲基上的氫是不等性質(zhì)子。2-氯丙烯中雙鍵上的兩個質(zhì)子也是磁不等性質(zhì)子。磁不等性質(zhì)子的化學位移值不相等。,54,四、積分曲線與質(zhì)子的數(shù)目：,在核磁共振譜圖上，有一條從低場向高場的階梯式曲線，稱為積分曲線。,55,積分曲線每個階梯的高度與其相應的一組吸收峰的面積成比例，而峰面積與該組磁等性質(zhì)子的數(shù)目成比例。因此積分曲線高度比等于相應磁等性質(zhì)子的數(shù)目比。積分曲線的總高度與分子中質(zhì)子總數(shù)目成比例。,56,57,58,五、自旋偶合與自旋裂分,1.自旋偶合：分子中相鄰的磁不等性質(zhì)子之間自旋相互作用稱自旋-自旋偶合，簡稱自旋偶合。,2.自旋裂分：自旋偶合作用使互相偶合的質(zhì)子共振吸收峰分裂成多重峰的現(xiàn)象稱為自旋裂分。,59,60,3.裂分規(guī)律：,（n+1）規(guī)律：一組磁等性質(zhì)子與相鄰的一組n個磁等性質(zhì)子相偶合，此組磁等性質(zhì)子吸收峰裂分成（n+1）重峰，稱為（n+1）規(guī)律。,61,62,b,a,63,64,65,相互偶合的兩組峰的外形特點是“中間高，兩邊”；,磁等價質(zhì)子間不發(fā)生峰的裂分。,如：CH3CH3的NMR只有一個單峰，ClCH2CH2Cl的NMR也只有一個單峰。,每組裂分峰的化學位移，由這組裂分峰的化學位移中點決定。,66,4.偶合常數(shù),互相偶合的兩組峰a和b，每組峰中各峰間的距離稱為偶合常數(shù)，用Jab表示，單位Hz，下標a、b表示a、b兩組磁等性質(zhì)子互相偶合?；ハ嗯己系膬山M峰的偶合常數(shù)相等。,67,Jab=03.5Hz,Jab=514Hz,Jab=1218Hz,C,C,Ha,Hb,C,Ha,C,Hb,C,Ha,C,Hb,68,5.一級譜圖,一級譜圖：滿足（(/J)6）條件的譜圖?；瘜W位移之差；J偶合常數(shù)。,特點：裂分峰呈現(xiàn)n+1規(guī)律。裂分峰強度比符合二項式展開式系數(shù)之比。一組峰的中心位置即為。峰間距即為J,69,二項式展開系數(shù)比，可由巴斯卡三角形求得,70,singletdoublettripletquartetpentet1:11:2:11:3:3:11:4:6:4:1,CommonSplittingPatterns,71,六、1H-NMR譜圖的解析,1.由圖上吸收峰的組數(shù)，可以知道分子結(jié)構(gòu)中磁等性質(zhì)子組數(shù)目。2.由峰的強度（積分曲線）可以知道分子中磁不等性質(zhì)子的比例。3.由峰的裂分數(shù)可知相鄰磁等性質(zhì)子數(shù)目。4.由峰的化學位移（值）可以判斷各種磁等性質(zhì)子的歸屬。5.由裂分峰的外觀或偶合常數(shù)，可知哪些磁等性質(zhì)子是相鄰的。,72,解析實例：例1：,73,例2：下列譜圖是否的NMR？,所以，該圖是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。,3.9(單峰)-OCH3,6.77.3苯環(huán)氫(兩組