第一核磁共振波譜分析法課件

1、生物用核磁共振儀臺(tái)式核磁共振儀The Winner of The Nobel Prize in Physics (1952) R. R. Ernst 恩斯特The Winner of The Nobel Prize in Chemistry (1991)K. Wthrich(維特里希因 ）The Winner of The Nobel Prize in biomacromolecule (2002)核磁共振領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)獲得者E. M. Purcell 珀賽爾F. Bloch 布洛赫1946年發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象FT-NMR and 2DNMR發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法

2、 S. P. Mansfield (彼得曼斯菲爾德), University of Nottingham, 英國P. C. Lauterbur(保羅勞特布爾), University of Illinois, 美國 2003年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者核磁共振成像技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，醫(yī)學(xué)診斷和生物細(xì)胞研究領(lǐng)域的突破性成就。核磁共振基本原理圖譜解析與結(jié)構(gòu)鑒定核磁共振波譜儀第一節(jié)核磁共振基本原理 principle of NMR 原子核的自旋 核磁共振條件 弛豫過程一、概述 (introduction) 核磁共振（簡稱為NMR）是指處于外磁場中的物質(zhì)原子核系統(tǒng)受到相應(yīng)頻率（ 10-1102MHz數(shù)量級(jí)的射

3、頻）的電磁波作用時(shí)，在其磁能級(jí)之間發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象。檢測電磁波被吸收的情況就可以得到核磁共振波譜。 核磁共振波譜是物質(zhì)與電磁波相互作用而產(chǎn)生的，屬于吸收譜（波譜）范疇。 根據(jù)核磁共振波譜圖上共振峰的位置、強(qiáng)度和精細(xì)結(jié)構(gòu)可以研究純化合物結(jié)構(gòu)、混合物成分及定量分析等。特點(diǎn)： 與通常的吸收光譜相比，其來源不同，來源于 原子核自旋躍遷所得吸收譜； 應(yīng)用范圍廣，有機(jī)、無機(jī)、定性、結(jié)構(gòu)分析、 定量等； 不需要標(biāo)準(zhǔn)樣品，可直接進(jìn)行定量； 不破壞樣品； 只能研究磁性核 。核磁共振現(xiàn)象產(chǎn)生的條件？一、原子核的自旋 atomic nuclear spin 原子核的自旋特性，在量子力學(xué)中用自旋量子數(shù)I描述原子核的

4、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而自旋量子數(shù)I的值又與核的質(zhì)量數(shù)和所帶電荷數(shù)有關(guān)，即與核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有關(guān)。 若原子核存在自旋，產(chǎn)生自旋角動(dòng)量： 原子核的基本屬性：質(zhì)量和電荷數(shù)。自旋量子數(shù)（I）與質(zhì)量數(shù)（A）、質(zhì)子數(shù)（Z）、中子數(shù)（N）有關(guān)：=核 磁 矩： （:磁旋比）原子核的磁性質(zhì)量數(shù) 質(zhì)子數(shù) 中子數(shù) 自旋量子數(shù) 核磁性 實(shí)例（A） （Z） （N） （I）偶數(shù) 偶數(shù) 偶數(shù) 0 無 12C,16O,32S偶數(shù) 奇數(shù) 奇數(shù) 1，2，3. 有 2H, 14N奇數(shù) 奇數(shù)或偶數(shù) 偶數(shù)或奇數(shù) 1/2；3/2；5/2. 有 1H,13C,17O,19F,31P質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)INMR信號(hào)原子核偶數(shù)偶數(shù)0無12C6 16O8 3

5、2S16奇數(shù)奇或偶數(shù)1/2有1H1 13C6 19F9 15N7 31P15奇數(shù)奇或偶數(shù)3/2 5/2有11B5 35Cl17 79Br35 81Br35 17O8 33S16偶數(shù)奇數(shù)1,2,3有 2H1 14N7討論:(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，無自旋，沒有磁矩， 不產(chǎn)生共振吸收(2) I=1 或 I 1的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 這類原子核的核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少；(3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子

6、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(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象，C，H也是有機(jī)化合物的主要組成元素。磁性核在外磁場中的行為拉莫爾進(jìn)動(dòng)當(dāng)置于外加磁場H0中時(shí)，相對(duì)于外磁場，可以有（2I+1）種自旋取向：I=1/2的核，兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)1/2(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)1/2EH00無磁場外加磁場m =-1/2 E2m =1/2 E1E 根據(jù)電磁學(xué)理論，核磁矩與外磁場相互作用而產(chǎn)生核磁場作用能E，即各能級(jí)的能量為I=1/2的核自旋能級(jí)裂分與H0的關(guān)系I=1/2的核在磁場中，由低能級(jí)(E1)向高能級(jí)(E2)躍遷時(shí)，所需的能量(E

7、)為E與核的磁旋比和外磁場強(qiáng)度成正比。二、核磁共振條件 condition of nuclear magnetic resonance 在外磁場中，原子核能級(jí)產(chǎn)生裂分，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，需要吸收能量。 當(dāng)發(fā)生核磁共振時(shí)，原子核磁能級(jí)的能級(jí)差必然等于電磁波的能量，則：共振條件(1) 核有自旋(磁性核)(2)外磁場,能級(jí)裂分;(3)照射頻率與外磁場的比值0 / H0 = / (2 )共振條件： 0 = H0 / (2 )（1）對(duì)于同一種核 ，磁旋比 為定值， H0變，射頻頻率變。（2）不同原子核，磁旋比 不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的磁場強(qiáng)度H0和射頻頻率不同。 （3） 固定H0 ，改變（掃

8、頻） ，不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振。 也可固定 ，改變H0 （掃場）。掃場方式應(yīng)用較多。 氫核（1H）： 1.409 T 共振頻率 60 MHz 2.305 T 共振頻率 100 MHz 磁場強(qiáng)度 H0 的單位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉） 三、弛豫過程不同能級(jí)上分布的核數(shù)目可由Boltzmann 定律計(jì)算：磁場強(qiáng)度2.3488 T；25C；1H的共振頻率與分配比：兩能級(jí)上核數(shù)目差：1.610-5；弛豫(relaxtion)高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和(saturated)低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。 在NMR中，弛豫過程有兩種方式，即 自旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋

9、晶格弛豫，又稱縱向弛豫，用T1表示；自旋自旋弛豫，又稱橫向弛豫，用T2表示。第二節(jié)核磁共振與化學(xué)位移 NMR and chemical shift 核磁共振與化學(xué)位移 影響化學(xué)位移的因素一、核磁共振與化學(xué)位移 nuclear magnetic resonance and chemical shift推導(dǎo)條件：理想化的、裸露的氫核 , 產(chǎn)生單一的吸收峰； (1)核有自旋(磁性核)(2)外磁場,能級(jí)裂分;(3)照射頻率與外磁場的比值0 / H0 = / (2 )共振條件目前，常用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。 H=（1- ）H0 ：屏蔽常數(shù)。 越大，屏蔽效應(yīng)越大。 0

10、= / (2 ) （1- ）H0 屏蔽的存在，共振需更強(qiáng)的外磁場(相對(duì)于裸露的氫核)。屏蔽作用，使氫核實(shí)際受到的外磁場作用減?。?1. 化學(xué)位移 （chemical shift） 0 = / (2 ) （1- ）H0 在有機(jī)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(xué)位移，用表示。2. 化學(xué)位移的表示方法(1)位移的標(biāo)準(zhǔn)沒有完全裸露的氫核，沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（內(nèi)標(biāo)） 位移常數(shù) TMS=0(2) 為什么用TMS作為基準(zhǔn)?a. 12個(gè)氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰； b.屏

11、蔽強(qiáng)烈，位移最大，與有機(jī)化合物中的質(zhì)子峰不重迭；c.化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。位移的表示方法 與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位移最大，但規(guī)定 TMS=0，其他種類氫核的位移為負(fù)值，負(fù)號(hào)不加。= （ 樣 - TMS) / 0 1060影響的測量值。 小，屏蔽強(qiáng)，共振需要的磁場強(qiáng)度大，在高場出現(xiàn)，圖右側(cè)； 大，屏蔽弱，共振需要的磁場強(qiáng)度小，在低場出現(xiàn)，圖左側(cè)；二、影響化學(xué)位移的因素 factors influenced chemical shift（1）電負(fù)性、氫鍵-去屏蔽效應(yīng) 與H核相連元素的電負(fù)性越強(qiáng)，吸電子作用越強(qiáng)，價(jià)電子偏離H核，屏蔽作用減弱，信號(hào)峰在低場出現(xiàn)。-CH3 ，

12、 =1.62.0，高場；-CH2I， =3.0 3.5,-O-H， -C-H， 大 小低場 高場（2）溶劑效應(yīng) 最理想的溶劑：CCl4, CS2, 常用的溶劑：氯仿（CHCl3）、丙酮（CH3COCH3) 一般采用氘代衍生物。第三節(jié)自旋耦合與自旋裂分 spin coupling and spin splitting 自旋偶合與自旋裂分 峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積 磁等同與磁不等同一、自旋偶合與自旋裂分 spin coupling and spin splitting 每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，有時(shí)多重峰。原因：相鄰兩個(gè)氫核之間的自旋偶合（自旋干擾）；峰的裂分峰的裂分原因:自旋偶合相鄰兩個(gè)氫核之間的自旋偶合

13、（自旋干擾）；多重峰的峰間距：偶合常數(shù)（J），用來衡量偶合作用的大小。二、峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積 number of pear splitting and pear areas 峰裂分?jǐn)?shù)：n+1 規(guī)律；n:相鄰碳原子上的狀態(tài)相同的H核數(shù)； 相對(duì)強(qiáng)度比符合二項(xiàng)式（a+b)n展開式的系數(shù)比。 峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例。峰裂分?jǐn)?shù)(一）1:11:3:3:11:11:2:11:6:15:20:15:6:11:11H核與n個(gè)等價(jià)1H核相鄰時(shí)，裂分峰數(shù)：( n+1)峰裂分?jǐn)?shù)（二）1H核與n個(gè)不等價(jià)1H核相鄰時(shí)，裂分峰數(shù)：（n1+1)( n2+1)個(gè)；(nb+1)(nc+1)(nd+

14、1)=22 2=8Ha裂分為8重峰Ha裂分為多少重峰？01234JcaJbaJca JbaHa裂分峰:(3+1)(2+1)=12實(shí)際Ha裂分峰:(5+1)=6強(qiáng)度比近似為：1:5:10:10:5:1三、化學(xué)等價(jià)和磁等同 magnetically equivalent1. 化學(xué)等價(jià)（化學(xué)位移等價(jià)） 若分子中兩個(gè)相同原子（或兩個(gè)相同基團(tuán)）處于相同的化學(xué)環(huán)境，其化學(xué)位移相同，它們是化學(xué)等價(jià)的。 分子中相同種類的核（或相同基團(tuán)），不僅化學(xué)位移相同，而且還以相同的偶合常數(shù)與分子中其它的核相偶合，只表現(xiàn)一個(gè)偶合常數(shù)，這類核稱為磁等同的核。2. 磁等同磁等同例子：三個(gè)H核化學(xué)等同磁等同二個(gè)H核化學(xué)等同，磁等

15、同二個(gè)F核化學(xué)等同，磁等同六個(gè)H核化學(xué)等同磁等同兩核（或基團(tuán)）磁等同條件化學(xué)等價(jià)（化學(xué)位移相同）對(duì)組外任一個(gè)核具有相同的偶合常數(shù)（數(shù)值和鍵數(shù)）第四節(jié)譜圖解析與化合物結(jié)構(gòu)確定analysis of spectrograph and structure determination 譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息 簡化譜圖的方法 譜圖解析 譜圖聯(lián)合解析 一、譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息structure information of compound in spectrograph（1）峰的數(shù)目：標(biāo)志分子中磁不等性質(zhì)子的種類,多少種；（2）峰的面積 (積分線)：每類質(zhì)子的數(shù)目(相對(duì)),多少個(gè)；（3）峰的位移( )

16、：每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，化合物中 位置；（4）峰的裂分?jǐn)?shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)；（5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構(gòu)型。鄰苯二甲酸二乙酯的NMR譜圖CAS：84-66-2分子式：C12H14O4分子量：222.24一級(jí)譜的特點(diǎn)裂分峰數(shù)符和n+1規(guī)律，相鄰的核為磁等價(jià)即只有一個(gè)偶合常數(shù)J；若相鄰n個(gè)核，n1個(gè)核偶合常數(shù)為J1， n2個(gè)核偶合常數(shù)為J2，n= n1+ n2則裂分峰數(shù)為（n1+1)( n2+1)峰組內(nèi)各裂分峰強(qiáng)度比(a+b)n的展開系數(shù)從譜圖中可直接讀出和J，化學(xué)位移在裂分峰的對(duì)稱中心，裂分峰之間的距離（Hz）為偶合常數(shù)J非一級(jí)譜（二級(jí)譜） 一般情況下，譜峰數(shù)目超過n+1規(guī)律所計(jì)算的數(shù)

17、目組內(nèi)各峰之間強(qiáng)度關(guān)系復(fù)雜一般情況下， 和J不能從譜圖中直接讀出二、簡化譜圖的方法 methods of simpling spectrograph1. 采用高場強(qiáng)儀器60MHz100MHz220MHzHCHBHA2. 溶劑效應(yīng)及活潑氫D2O交換反應(yīng) 核磁共振譜的測定，一般使用氘代溶劑 （如CDCl3），以避免普通溶劑分子中H的干擾。同一質(zhì)子在不同的溶劑中，所測得的值往往不同。這種由于溶劑的影響而引起化學(xué)位移發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為溶劑效應(yīng)。 一般含有OH、SH、NH等活潑質(zhì)子的樣品，溶劑效應(yīng)更明顯。因此核磁共振圖譜都標(biāo)出測定時(shí)所使用的溶劑。對(duì)于含有活潑氫的樣品，可先用一般方法測定圖譜，然后加入幾滴

18、重水(D2O)，再測定圖譜，在后一張圖譜中信號(hào)消失的質(zhì)子便是活潑質(zhì)子，同時(shí)在=4.7ppm處出現(xiàn)HDO單峰。常用溶劑及其化學(xué)位移名 稱氯仿-d1二甲基亞砜-d6分子式丙酮-d6重水化學(xué)位移/ppm1H13CCHCl3-d1(CH3)2CO-d6H2O-d2(CH3)2SO-d6苯-d6甲醇-d4吡啶-d5C6H6-d6CH3OH-d4C6H5N-d5 7.27 76.92.05 206, 29.1 4.02.5 39.67.20 128.03.34, 4.11 49.0 7.18, 7.57, 149.9, 135.5 8.57 123.5三、譜圖解析步驟由分子式求不飽合度由積分曲線求1H核的相對(duì)數(shù)目解析各基團(tuán) 再解析： ( 低場信號(hào) ) 最