西南林大現(xiàn)代生化儀器分析課件07核磁共振波譜分析法

*第七章

核磁共振波譜分析法一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振現(xiàn)象nuclearmagneticresonance三、核磁共振條件conditionof

nuclearmagneticresonance四、核磁共振波譜儀nuclearmagneticresonancespectrometer第一節(jié)

核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRprinciplesofnuclearmagneticresonance

*核磁共振—在磁場的激勵下，一些具有磁性的原子核存在著不同的能級，如果此時外加一個能量，使其恰好等于相鄰2個能級之差，則該原子核就可能吸收能量，從低能態(tài)躍至高能態(tài)，所吸收的能量數(shù)量級相當于射頻率范圍的電磁波，故核磁共振就是研究磁性原子核對射頻能的吸收。*

若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩：自旋量子數(shù)I=0時原子核沒有自旋現(xiàn)象,核磁矩等于零,故不產(chǎn)生共振吸收譜。自旋量子數(shù)I≠為零的核都具有磁矩。一、原子核的自旋*各種原子核的自旋量子數(shù)*(1)I=1或I>0的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I(2)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P

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(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。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；*二、核磁共振現(xiàn)象

當原子核置于外磁場B0中時，相對于外磁場，有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;*(核磁共振現(xiàn)象)如果氫核兩種取向不完全與外磁場平行時，外磁場就要使它取向于外磁場，＝54°24’和125°36’。

核自旋產(chǎn)生的磁場與外磁場相互作用時,產(chǎn)生進動(拉莫爾進動)進動頻率

0；角速度0；0=20=B0磁旋比；B0外磁場強度；兩種進動取向不同的氫核之間的能級差：E=

B0（磁矩）*三、核磁共振條件

在外磁場中，原子核能級產(chǎn)生裂分，由低能級向高能級躍遷，需要吸收能量。即核吸收2B0的能量后，便產(chǎn)生共振。零磁場EE=2B0高能自旋態(tài)低能自旋態(tài)0B0*在與外磁場垂直方向放置一個射頻振蕩線圈，產(chǎn)生射電頻率的電磁波照射原子核，當磁場強度為某一數(shù)值時，核進動頻率與振蕩頻率相等，則原子核與電磁波發(fā)生共振，核將吸收電磁波的能量躍遷到較高能態(tài)上。B0B0*

對于氫核，能級差：E=

2B0（磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E=

2B0=h

0由拉莫進動方程：0=20=B0;

故共振條件：*共振條件式說明：1、在相同的磁場中，不同原子核發(fā)生共振時的頻率各不相同，據(jù)此可以鑒別各種元素及同位素。2、對于同一種核，值一定。當外加磁場一定時，共振頻率也一定；當磁場強度改變時，共振頻率也隨著改變。*弛豫過程弛豫——高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和——低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。

氫原子核在外磁場中，m=+1/2比m=-1/2的能態(tài)更有利。根據(jù)波爾茲曼公式計算，處于低能態(tài)的核約多百萬分之一左右。如果在射頻電磁波的照射下，核能吸收能量發(fā)生躍遷，低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核，核不再吸收能量，共振吸收峰漸漸降低甚至消失，發(fā)生了飽和現(xiàn)象。

若在飽和時，較高能態(tài)的核能及時回到較低能態(tài)，就可能保持信號穩(wěn)定。由于核磁共振中氫核發(fā)生共振時吸收的能量E很小，高能態(tài)的核不可能通過發(fā)射譜線的形式失去能量而返回低能態(tài)，故高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)的過程稱為弛豫過程。*弛豫過程自旋-晶格弛豫：處于高能態(tài)的氫核把能量轉(zhuǎn)移給周圍的分子（固體為晶格，液體為溶濟分子或同類分子）變成熱運動，氫核就回到低能態(tài)。自旋-自旋弛豫：兩個能態(tài)不同的相同核，在一定的距離內(nèi)它們會互相交換能量，改變進動方向，稱為自旋-自旋弛豫。*四、核磁共振波譜儀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。60MHz或100MHz。*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。*核磁共振波譜儀*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；*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；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）*超導核磁共振波譜儀：

永久磁鐵和電磁鐵：

磁場強度<25kG超導磁體：鈮鈦或鈮錫合金等超導材料制備的超導線圈；在低溫4K，處于超導狀態(tài)；磁場強度>100kG開始時，大電流一次性勵磁后，閉合線圈，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，長年保持不變；溫度升高，“失超”；重新勵磁。超導核磁共振波譜儀：

200-400HMz；可高達600-700HMz；*第七章

核磁共振波譜分析法一、核磁共振與化學位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift二、影響化學位移的因素factorsinfluencedchemicalshift第二節(jié)

核磁共振與化學位移nuclearmagneticresonancespectroscopynuclearmagneticresonanceandchemicalshift一、核磁共振與化學位移1.屏蔽作用與化學位移理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件：

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?。築=（1-）B0

：屏蔽常數(shù)。

越大，屏蔽效應越大。

0=[

/(2)]（1-）B0屏蔽的存在，共振需更強的外磁場(相對于裸露的氫核)。*化學位移：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（結構中不同位置）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。*2.化學位移的表示方法(1)位移的標準：因為沒有完全裸露的氫核，故沒有絕對的標準。相對標準：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標）位移常數(shù)TMS=0(2)為什么用TMS作為基準?a.12個氫處于完全相同的化學環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰b.屏蔽強烈，位移最大。與有機化合物中的質(zhì)子峰不重迭；c.化學惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。*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。

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)；*二、影響化學位移的因素1．電負性--去屏蔽效應與質(zhì)子相連元素的電負性越強，吸電子作用越強，質(zhì)子周圍的電子云密度減弱，屏蔽作用弱，信號峰在低場出現(xiàn)。-CH3

，=1.6~2.0，高場；-CH2I，=3.0~3.5,-O-H，-C-H，大小低場高場*電負性對化學位移的影響碳雜化軌道電負性：SP>SP2>SP3*影響化學位移的因素2、磁各向異性效應—在分子中，質(zhì)子與某一官能團的空間關系，影響質(zhì)子的化學位移，這種效應稱為磁各向異性效應。與外磁場方向一致時，去屏蔽。反之，則增加屏蔽作用。*影響化學位移的因素3

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。*影響化學位移的因素4

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。*2.氫鍵效應形成氫鍵后1H核屏蔽作用減少，氫鍵屬于去屏蔽效應。*3.空間效應*空間效應Ha=3.92ppmHb=3.55ppmHc=0.88ppmHa=4.68ppmHb=2.40ppmHc=1.10ppm去屏蔽效應*4.各類有機化合物的化學位移①飽和烴-CH3:

CH3=0.791.10ppm-CH2:

CH2=0.981.54ppm-CH:

CH=CH3+(0.50.6)ppmH=3.2~4.0ppmH=2.2~3.2ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=2~3ppm*各類有機化合物的化學位移②烯烴

端烯質(zhì)子：H=4.8~5.0ppm

內(nèi)烯質(zhì)子：H=5.1~5.7ppm

與烯基，芳基共軛：H=4~7ppm③芳香烴

芳烴質(zhì)子：H=6.5~8.0ppm

供電子基團取代-OR，-NR2時：H=6.5~7.0ppm

吸電子基團取代-COCH3，-CN，-NO2時：H=7.2~8.0ppm*各類有機化合物的化學位移-COOH：H=10~13ppm-OH：（醇）H=1.0~6.0ppm

（酚）H=4~12ppm-NH2：（脂肪）H=0.4~3.5ppm

（芳香）H=2.9~4.8ppm

（酰胺）H=9.0~10.2ppm-CHO：H=9~10ppm*常見結構單元化學位移范圍第七章

核磁共振波譜分析法一、自旋偶合與自旋裂分spincouplingandspinsplitting二、峰裂分數(shù)與峰面積numberofpearsplittingandpearareas三、磁等同與磁不等同magneticallyequivalentandnonequivalent第三節(jié)

自旋偶合與自旋裂分nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRspincouplingandspinsplitting一、自旋偶合與自旋裂分

每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，有時多重峰。原因：相鄰兩個氫核之間的自旋偶合（質(zhì)子之間的相互作用）。多重峰的峰間距：常用偶合常數(shù)（J）來衡量偶合作用的大小。（作用規(guī)律P337）自旋偶合—質(zhì)子之間的相互作用。自旋裂分—由自旋偶合引起的。二、峰裂分數(shù)與峰面積

峰裂分數(shù)：n+1規(guī)律；n為相鄰碳原子上的質(zhì)子數(shù)；比例系數(shù)符合二項式(a+b)n的展開式系數(shù)；

峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對比例。峰裂分數(shù)1:11:3:3:11:11:2:1峰裂分數(shù)1H核與n個不等價1H核相鄰時，裂分峰數(shù)：（n+1)(n′+1)……個；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=2×2×2=8Ha裂分為8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:1第七章

核磁共振波譜分析法一、譜圖中化合物的結構信息structureinformationofcompoundinspectrograph二、簡化譜圖的方法methodsofsimpling

spectrograph三、譜圖解析spectrumunscrambling四、譜圖聯(lián)合解析deducethestructuresfromNMRspectrumandIRspectrum第四節(jié)

譜圖解析與化合物結構確定nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRanalysisofspectrographandstructuredetermination

一、譜圖中化合物的結構信息（1）峰的數(shù)目：標志分子中不同類型質(zhì)子的種類，多少種；（2）峰的強度(面積)：每類質(zhì)子的數(shù)目(相對)，多少個；（3）峰的位移()：每類質(zhì)子所處的化學環(huán)境，化合物中位置；（4）峰的裂分數(shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)；（5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構型。不足之處：僅能確定質(zhì)子（氫譜）。二、簡化譜圖的方法1.采用高場強儀器60MHz100MHz220MHzHCHBHA4.去偶法（雙照射）第二射頻場B2υ2Xn（共振）AmXn系統(tǒng)消除了Xn對的Am偶合照射Ha照射Hb照射5.位移試劑(shiftreagents)

稀土元素的離子與孤對電子配位后，相鄰元素上質(zhì)子的化學位移發(fā)生顯著移動。通常因Eu+3具有強烈的吸電子性，與孤對電子配位后使鄰近的質(zhì)子去屏蔽，使之移向低場，原來密集的圖譜變得較易分辯。常用：Eu（DPM）3[三—（2,2,6,6—四甲基）庚二酮—3,5]銪OHOH三、譜圖解析由分子式求不飽和度由積分曲線求1H核的相對數(shù)目解析各基團首先解析：再解析：(低場信號)最后解析：芳烴質(zhì)子和其它質(zhì)子活潑氫D2O交換，解析消失的信號由化學位移，偶合常數(shù)和峰數(shù)目解析參考IR，UV，MS和其它數(shù)據(jù)推斷結構得出結論，驗證結構n1、n3、n4分別表示1價、3價、4價原子數(shù)目6個質(zhì)子處于完全相同的化學環(huán)境，單峰。沒有直接與吸電子基團（或元素）相連，在高場出現(xiàn)。1.譜圖解析（1）譜圖解析（2）

質(zhì)子a與質(zhì)子b所處的化學環(huán)境不同，兩個單峰。單峰：沒有相鄰碳原子（或相鄰碳原子無質(zhì)子）

質(zhì)子b直接與吸電子元素相連，產(chǎn)生去屏蔽效應，峰在低場（相對與質(zhì)子a）出現(xiàn)。質(zhì)子b也受其影響，峰也向低場位移。譜圖解析（3）裂分與位移譜圖解析（4）苯環(huán)上的質(zhì)子在低場出現(xiàn)。為什么？（苯環(huán)電子誘導環(huán)流，去屏蔽）2.譜圖解析與結構(1)確定5223化合物C10H12O2876543210積分線

根據(jù)積分線的高度可以計算出各組峰相對應的質(zhì)子峰譜圖解析與結構確定步驟正確結構：δ2.1單峰三個氫，—CH3峰結構中有氧原子，可能具有：δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代δ3.0δ4.30δ2.1

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰

O—CH2CH2—相互偶合峰

不飽和度譜圖解析與結構(2)確定9δ5.30δ3.38δ1.37C7H16O3，推斷其結構61結構(2)確定過程C7H16O3，

=1+7+1/2(-16)=0a.δ3.38和δ1.37四重峰和三重峰

—CH2CH3相互偶合峰

b.δ3.38含有—O—CH2—結構結構中有三個氧原子，可能具有(—O—CH2—)3c.δ5.3CH上氫吸收峰，低場與電負性基團相連正確結構：譜圖解析與結構(3)化合物C10H12O2，推斷結構δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H結構(3)確定過程化合物C10H12O2，

=1+10+1/2(-12)=5a.δ

2.32和δ1.2—CH2CH3相互偶合峰b.δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代c.δ5.21—CH2上氫，低場與電負性基團相連CH2OCOCH2CH3ab2022/9/9第七章

核磁共振波譜分析法一、

概述generalization二、化學位移chemicalshift三、偶合與弛豫couplingandrelaxation四、13CNMR譜圖13CNMRspectrograph第五節(jié)

13C核磁共振譜簡介nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR13CNuclearmagneticresonancespectroscopy

2022/9/9一、概述13C譜特點：（1）研究C骨架，結構信息豐富；（2）化學位移范圍大；0～250ppm；（3）13C-13C偶合