核磁共振波譜分析

1、核磁共振波譜分析1946年美國(guó)科學(xué)家布洛赫(Bloch)和珀塞爾（Purcell）兩位物理學(xué)家分別發(fā)現(xiàn)在射頻*（無(wú)線電波*0.1100MHZ,106109m）的電磁波能與暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁性原子核相互作用,引起磁性原子核在外磁場(chǎng)中發(fā)生磁能級(jí)的共振躍遷,從而產(chǎn)生吸收信號(hào),他們把這種原子對(duì)射頻輻射的吸收稱為核磁共振(NMR)。NMR和紅外光譜，可見(jiàn)紫外光譜相同之處是微觀粒子吸收電磁波后在不同能級(jí)上躍遷。引起核磁共振的電磁波能量很低,不會(huì)引起振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷,更不會(huì)引起電子能級(jí)躍遷。.根據(jù)核磁共振圖譜上吸收峰位置、強(qiáng)度和精細(xì)結(jié)構(gòu)可以研究分子的結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)家們發(fā)現(xiàn)分子的環(huán)境會(huì)影響磁場(chǎng)中核的吸收，而且此

2、效應(yīng)與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。1950年應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)CH3CH2OH中三個(gè)基團(tuán)H吸收不同。從此核磁共振光譜作為一種對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)（特別是有機(jī)物結(jié)構(gòu)）分析的確良非常有效的手段得到了迅速發(fā)展。1966年出現(xiàn)了高分辨核共振儀，七十年代發(fā)明了脈沖傅立葉變換核磁共振儀，以及后來(lái)的二維核磁共振光譜（2D-NMR），從測(cè)量1H到13C、31P、15N，從常溫的12.37到超導(dǎo)的5T以上，新技術(shù)和這些性能優(yōu)異的新儀器都核磁共振應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，從有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析到化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，高分子化學(xué)到醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生物學(xué)等都有重要的應(yīng)用價(jià)值。§4-1核磁共振原理一、原子核自旋現(xiàn)象我們知道原子核是由帶正電荷的原子和中

3、子組成，它有自旋現(xiàn)象原子核大都圍繞著某個(gè)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，各種不同的原子核，自旋情況不同。原子核的自旋情況在量子力學(xué)上用自旋量子數(shù)I表示，有三種情況：I=0,這種原子核沒(méi)有自旋現(xiàn)象,不產(chǎn)生共振吸收(質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)(M),電子數(shù),原子數(shù)為偶數(shù)(z)為12G,16O,32S)I=1、2、3、n，有核自旋現(xiàn)象，但共振吸收復(fù)雜，不便于研究。I=n/2（n=1、2、3、5、）有自旋現(xiàn)象，n1時(shí)，情況復(fù)雜，n=1時(shí)，I=1/2，這類(lèi)原子核可看作是電荷均勻分布的球體，這類(lèi)原子核的磁共振容易測(cè)定，適用于核磁共振光譜分析，其中尤以1H最合適。二，核磁共振現(xiàn)象 旋轉(zhuǎn)的原子核產(chǎn)生磁 遵循右手法則將旋轉(zhuǎn)的原子核放到一個(gè)均勻

4、的磁場(chǎng)中，自旋核在磁場(chǎng)中進(jìn)行定向排列，排列方向共有2I+1種，用（核）磁量子數(shù)m來(lái)表示，m=I、I-1、I-2、，-I。原子核處于不同的排列方向時(shí)能量不同，也即，在外磁場(chǎng)的作用下，原子核能級(jí)分裂成2I+1個(gè)。對(duì)1H，I=1/2，m=+1/2，-1/2，這兩種排列有很小的能級(jí)差別E=2H0 ，式中自旋核產(chǎn)生的磁矩，H0外磁場(chǎng)強(qiáng)度m=+1/2的能量較低，稱低能自旋態(tài)，m=-1/2能量較高，稱高能自旋態(tài)。從m=+1/2躍遷到m=-1/2躍遷到m=-1/2需吸收一定能量（電磁波），只有當(dāng)具有輻射的頻率和外界磁場(chǎng)達(dá)到一定關(guān)系才能產(chǎn)生吸收。產(chǎn)生核磁共振條件是E=E，即h0=2H0=h/2×H0，

5、既0 =H0/2（磁旋比）說(shuō)明：對(duì)于不同的原子核，不同，若固定HO，則0不同，由此可鑒定不同的元素或同種元素的不同的同位素。對(duì)于同一種原子核，相同，H0固定時(shí)，0相同，H0改變0也改變。三，馳豫過(guò)程1H在外磁場(chǎng)作用下，其能級(jí)裂分為2（m=+1/2，m=-1/2），若二者數(shù)目相等則不能觀測(cè)到核磁共振現(xiàn)象，但根據(jù)Boltzman分配N(xiāo)+1/2/N-1/2=eE/KT=1.0000099，即每一百萬(wàn)個(gè)氫核中低能氫核數(shù)僅多約10個(gè)左右，故能產(chǎn)生凈吸收這很容易飽和，飽和后就看不到磁共振現(xiàn)象，但事實(shí)上高能態(tài)核回到低能態(tài)是通過(guò)非輻射途徑，這個(gè)過(guò)程稱為馳豫過(guò)程。馳豫分為 自旋晶格馳豫（縱向馳豫） T1（固體T

6、1很大）（自旋核與周?chē)肿咏粨Q能量）自旋自旋馳豫（橫向馳豫） T2（自旋核與能量相當(dāng)?shù)暮诉M(jìn)行交換）馳豫時(shí)間對(duì)譜線寬度的影響：根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理 E×t=h，ht=h=1/t固體樣T2很小，較譜線很寬，為得高分辨率譜圖，需用液體樣品。§4-2化學(xué)位移一、化學(xué)位移的產(chǎn)生從核磁共振條件0=rH0/2看,共振頻率0取決于H0和r,但這僅僅是對(duì)”裸露”的原子核,即理想化的狀態(tài)而言。事實(shí)上原子核往往有核外電子云，其周?chē)泊嬖谄渌?，這些周?chē)蛩丶此^化學(xué)環(huán)境是否會(huì)對(duì)核磁共振產(chǎn)生影響？1950年DikiNson和Proctor發(fā)現(xiàn)，磁性核的共振頻率不僅取決于HO和r，還會(huì)受到化學(xué)環(huán)境的影響

7、，這種影響的原因在于屏蔽作用。屏蔽作用：處于磁場(chǎng)中的原子核，其核外電子運(yùn)動(dòng)（電流）會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，其方向與外加磁場(chǎng)相反，抵消了一部分外磁場(chǎng)對(duì)原子核的作用，這種現(xiàn)象稱屏蔽作用。由于屏蔽作用的影響，原子核共振頻率將出現(xiàn)在較沒(méi)屏蔽作用更高的磁場(chǎng)，即共振條件變?yōu)椋? =H實(shí)/2=/2×（H-H/）=/2×H（1-ó）ó屏蔽常數(shù)，屏蔽作用大小與核外電子云密度有關(guān)，電子云密度越大，屏蔽作用也越大，共振所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度愈強(qiáng)。化學(xué)位移：由屏蔽作用引起的共振時(shí)磁場(chǎng)的強(qiáng)度的移動(dòng)現(xiàn)象，稱化學(xué)位移。由于化學(xué)位移的大小和原子核所處的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)，因此，可根據(jù)化學(xué)位移的大小來(lái)了解

8、原子核所處的化學(xué)環(huán)境，即有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)。二、化學(xué)位移的表示方法及其測(cè)定1， 化學(xué)位移（）的定義：=（HTMS-H試樣）/HTMS×106ppm=（試樣-TMS）/TMS×106ppmIUPAC規(guī)定（1970）TMS的=0，左邊的峰為正值，右邊的峰為負(fù)值選用TMS為標(biāo)準(zhǔn)原因：12個(gè)1H所處化學(xué)環(huán)境相同，僅一個(gè)峰TMS外圍電子云密度很大，屏蔽作用強(qiáng)，不會(huì)和其它化合物相互重疊。TMS是化學(xué)惰性的2、測(cè)定方法 掃頻法：H恒定，改變頻率 掃場(chǎng)法：頻率恒定，改變H三、影響化學(xué)位移的因素影響化學(xué)位移的主要因素有：電效應(yīng)、各項(xiàng)異性、氫鍵、溶劑效應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)受阻、交換反應(yīng)和對(duì)稱因素等。1

9、， 電效應(yīng) 誘導(dǎo)效應(yīng)：電負(fù)性強(qiáng)的取代基，可使鄰近1H電子云密度減少，即屏蔽效應(yīng)減少，故向低場(chǎng)移動(dòng)，增大。例： 共軛效應(yīng)：a：吸電子共軛增大，例：b：斥電子共軛 減小，例：2， 各向異性，當(dāng)化合物的化學(xué)鍵、電子云（環(huán)流）是不對(duì)稱時(shí)（即各向異性）就會(huì)對(duì)鄰近的1H附加了一個(gè)各向異性磁場(chǎng)，從而對(duì)外磁場(chǎng)起著增強(qiáng)或減弱的效應(yīng)，這種效應(yīng)稱： 叁鍵各向異性結(jié)果：使1H位于屏蔽區(qū)，向高場(chǎng)移動(dòng)（減?。?雙鍵各向異性結(jié)果：使1H位于去屏蔽區(qū)，向低場(chǎng)移動(dòng)（增大） 芳環(huán)鍵各向異性結(jié)果：使1H位于去屏蔽區(qū)，向低場(chǎng)移動(dòng)（增大）3氫鍵： 導(dǎo)致增大（即移向低場(chǎng)）這是由于形成氫鍵后，受靜電場(chǎng)作用，質(zhì)子周?chē)娮釉泼芏冉档?，產(chǎn)生去屏

10、蔽作用。4 溶劑效應(yīng)：由于溶劑影響而使化學(xué)位移發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為溶劑效應(yīng)原因：氫鍵、磁化率等的影響5，旋轉(zhuǎn)受阻（共振）例：雙鍵性質(zhì)，限制了C-N自由旋轉(zhuǎn)，由于C=O的各向異性，對(duì)順成影響較大，對(duì)反成影響較小。6，對(duì)稱因素：例：與不對(duì)稱C相連的次甲基，它的兩個(gè)H是不等價(jià)的。四，積分線（峰高峰面積）共振譜圖上（P44）共振峰的面積積分稱積分線，其高度代表了積分值的大小，也和共振的質(zhì)子數(shù)成正比，將積分線高度（峰面積）加以比較可確定各組質(zhì)子的數(shù)目。§4-3化學(xué)位移與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系對(duì)于結(jié)構(gòu)不同的分子，其化學(xué)環(huán)境不同，對(duì)應(yīng)的1H化學(xué)位移也不相同，因此可以根據(jù)核磁共振譜量示的1H的化學(xué)位移來(lái)判斷

11、分子的結(jié)構(gòu)。有機(jī)分子中質(zhì)子的化學(xué)位移近似表： 炔烴 烯醇 酸 醛 芳烴 烯烴 OCH3、NCH3 TMS：13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0更詳細(xì)的可見(jiàn)P415表11-3§4-4自旋偶合及自旋分裂一、自旋偶合原理對(duì)于一個(gè)有機(jī)化合物分子，由于所處的化學(xué)環(huán)境不同，其核磁共振譜于相應(yīng)的值處出現(xiàn)不同的峰，各峰的面積與1H數(shù)成正比，如CH3CH2OH應(yīng)有三個(gè)峰，面積比分別是1：2：3。但用高分辨率儀器測(cè)得的是（右圖） 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是什么？就是所謂的自旋分裂，經(jīng)研究，這種峰的分裂是由于分子內(nèi)部的鄰近1H的自旋相互干擾引起的。1， 自旋偶合：相鄰近1H之間的核自旋

12、之間的相互干擾作用稱為自旋偶合。2， 自旋分裂：由自旋偶合引起的譜線增多現(xiàn)象稱自旋分裂自旋分裂原理：以CH3CH2O CH2CH3為例：每個(gè)1H兩種取向，一種與外磁場(chǎng)相同方向，一個(gè)與H0相反方向。相隔一個(gè)C以上的1H的影響可不計(jì)。為什么其它原子不影響？因?yàn)椴黄ヅ涠?、偶合常?shù)（自旋偶合產(chǎn)生的多連峰的間隔）鄰近1H自旋之間的相互干擾程度的大小用偶合常數(shù)J表示，偶合常數(shù)與外加磁場(chǎng)無(wú)關(guān)（與溶劑也基本無(wú)關(guān)），但與成鍵間隔的數(shù)目、成鍵類(lèi)型、取代基電負(fù)性等有關(guān)。偶合常數(shù)與化學(xué)位移一樣，以確定化合物的結(jié)構(gòu)有重要作用，原子核的環(huán)境不同，偶合常數(shù)也不同，對(duì)于100MHZ儀器，J20HZ。偶合作用一般不超過(guò)三個(gè)鍵，

13、超過(guò)三個(gè)時(shí)很小或無(wú)偶合作用，如有則為遠(yuǎn)程偶合。三、偶合作用的一般規(guī)律（一）核的等價(jià)性質(zhì)。1） 化學(xué)等價(jià)：分子中同種類(lèi)的核，其化學(xué)位移相等者，稱為化學(xué)等價(jià)，例：CH3CH2I中CH3三個(gè)1H和CH2中兩個(gè)1H2）磁等價(jià)：分子中同類(lèi)核，化學(xué)位移相等，且以相同的偶合常數(shù)與分子中其它的核工業(yè)相互偶合，只表現(xiàn)出一種偶合常數(shù)，這類(lèi)核稱為磁等價(jià)，如CH2F2中的兩個(gè)1H兩個(gè)19F化學(xué)等價(jià)，磁不一定等價(jià)，如：磁等價(jià)，一般化學(xué)等價(jià)。3）磁全同：既化學(xué)等價(jià)又磁等價(jià)關(guān)于化學(xué)等價(jià)： 對(duì)稱化學(xué)等價(jià)在分子構(gòu)型中尋找出所有對(duì)稱性（點(diǎn)、線、面），通過(guò)對(duì)稱操作后分子圖像不變，例： 快速旋轉(zhuǎn)化學(xué)等價(jià)（如CH2與手性C相連則化學(xué)鍵

14、快速旋轉(zhuǎn)也不等價(jià)）當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)子在單鍵的快速成旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，位置對(duì)映互換時(shí)也化學(xué)等價(jià)，如CH3CH2I中CH3上的三個(gè)1H由于C-C化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)障礙能很小可快速旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生不等價(jià)質(zhì)子的幾種常見(jiàn)的構(gòu)型：（1） 單鍵帶雙鍵性質(zhì)，例（2） 化學(xué)鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，例：（3） 與手性碳原子相連的亞甲基（它們是非對(duì)映質(zhì)子）例：（二）偶合相互作用的一般規(guī)則1一組相同的磁核所共有的裂分峰的數(shù)目，由鄰近磁核的數(shù)目（n）決定，裂分峰數(shù)=n+12裂分峰強(qiáng)度比相當(dāng)于二項(xiàng)式（x+1）n的展開(kāi)系數(shù)n=0，單峰n=1， x+1 ，二重峰，11n=2， （x+1）2 = x2+2x+1，三重峰，121n=3， （x+1）3 = x

15、3+3x2+3x+1，四重峰，1331n=4， （x+1）4=x4+4x3+6x2+4x+1，五重峰，14643 磁全同的核之間也有偶合，但沒(méi)有分裂，故是單峰。4 相偶合的質(zhì)子，其偶合常數(shù)相等。裂分峰之間距離相等（以化學(xué)位移為中心）5 對(duì)稱的化學(xué)等價(jià)又不相互作用的質(zhì)子出現(xiàn)重疊峰。如：6不同核相互不偶合。四、質(zhì)子的遠(yuǎn)程偶合質(zhì)子質(zhì)子通過(guò)四個(gè)以上價(jià)鍵產(chǎn)生偶合稱遠(yuǎn)程偶合這種現(xiàn)象通過(guò)鍵或環(huán)張力傳遞，故常在烯、炔、芳烴及雜環(huán)、多環(huán)、橋環(huán)化合物中存在，且只有高度的立體選擇性。五、 影響偶合常數(shù)的因素偶合常數(shù)與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系見(jiàn)波譜分析的基本原理及應(yīng)用P119-123與鍵長(zhǎng)，鍵角，取代基電負(fù)性，1H核間的相隔鍵

16、的數(shù)目等相關(guān)，鍵長(zhǎng)增加，J減小，鍵角增大，J減少，取代基電負(fù)性大，J減少。經(jīng)驗(yàn)公式：JHH=7.9-n(0.7)x ，或中：n取代基數(shù)目，x電負(fù)性差值。§4-5核磁共振儀一、核磁共振儀主要由磁鐵、射頻振蕩器、掃描器、樣品管、記錄儀、樣品管及附件等組成。1磁鐵電磁鐵、永磁鐵、超導(dǎo)磁鐵60MHZ（1.409T）、90MHZ（2.117T）、100MHZ（2.447T）、200MHZ（5.17T）、300MHZ（7.05T）、600MHZ（15.5T）等。2頻振蕩器（其線圈垂直于磁場(chǎng)）提供核磁共振產(chǎn)生所需的電磁波譜，掃頻常用60、90、100MHZ電磁波。3 射頻接受器（垂直于頻振蕩器）檢

17、測(cè)出核磁共振吸收。4 掃描器：掃場(chǎng)5 記錄儀6 樣品管7 附件：去偶儀，進(jìn)行雙照射去偶以簡(jiǎn)化譜圖。溫度可變裝置（高粘度樣品，否則吸收峰寬）。信號(hào)累計(jì)平均儀（提高靈敏度）：重復(fù)掃描、累加信號(hào)、可測(cè)極稀試樣。二、儀器分類(lèi)按射頻磁場(chǎng)施加的方式 按磁場(chǎng)來(lái)源連續(xù)（CW-NMR） 永磁鐵脈沖-Fourie變換 電磁鐵連續(xù)波核共振儀的不足之處在于它在基本一時(shí)刻只能記錄波譜中很窄的一部分信號(hào)，對(duì)于不靈敏核如13C，用連續(xù)波儀獲得共振譜幾乎不可能。三、性能指標(biāo)1靈敏度：信/噪比。 1%乙基苯/CCl4中次甲基四重峰中最高峰信號(hào)/N（噪聲平均值）。2分辨率：20%乙醛四重峰中兩個(gè)大峰的半峰寬度/工作頻率，表示儀器

18、區(qū)別鄰峰的能力。3穩(wěn)定性：譜線重復(fù)性。四、樣品的制備1樣品要求：要純（不含不溶物，灰塵，順磁性物質(zhì)）固體要配成5-10%的溶液，內(nèi)標(biāo)物加入量1-2%2 溶劑劑要求：不含質(zhì)子 。 低沸點(diǎn) ，低粘度 。 與樣品不起反應(yīng)（化學(xué)惰性）。常用溶劑有：CDCl3、CD3OD、（CD3）CO、（CD3）SO、C6D6、D2O等3樣品管：密封，旋轉(zhuǎn)（10-20N/S）防止局部磁場(chǎng)不均勻五、核磁場(chǎng)共振譜：可給出三種數(shù)據(jù)1化學(xué)位移：判斷官能團(tuán)，或取代基。2偶合分裂：判斷鄰近核的相互干擾。3積分線（峰面積）：判斷各組質(zhì)子的質(zhì)子數(shù)。六、譜圖的應(yīng)用1定性：推斷分子結(jié)構(gòu)2定量 ：例正丙苯、異丙苯混合物§4-6簡(jiǎn)化譜圖的方法由于自旋偶合和偶合分裂使核磁共振圖譜形成許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于確定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)提供了重要信息，但對(duì)于復(fù)雜分子，會(huì)使譜圖過(guò)于復(fù)雜，以致難于辨認(rèn)和解釋?zhuān)瑸榇送髮?duì)譜圖進(jìn)行簡(jiǎn)化。一、雙共振法（雙照射法）1954年Bloch提出，原理：利用兩個(gè)振蕩器，使本來(lái)共振頻率不同的質(zhì)子同時(shí)發(fā)生共振。二、位移試劑同一分子