第14章核磁共振波譜法-2013秋

*第十四章核磁共振波譜法

(NMR)(nuclearmagneticresonance)回顧已學光譜法核磁共振紫外可見分子電子能級分子熒光光譜紫外可見原子外層價電子能級原子吸收光譜2.5-50m

分子振動-轉動能級紅外光譜190-1000nm分子價電子所處分子軌道能級紫外可見光譜波長范圍能級躍遷類型光譜法核磁共振

在強磁場的誘導下，一些原子核能產生核自旋能級分裂，當用一定頻率的無線電波照射分子時，便能引起原子核自旋能級的躍遷。這種原子核在磁場中吸收一定頻率的無線電波而發(fā)生自旋能級躍遷的現象，稱為核磁共振。核磁共振波譜與核磁共振波譜法以核磁共振信號強度對照射頻率（或磁場強度）作圖，所得圖譜稱為核磁共振波譜。利用核磁共振波譜進行分子結構（包括構形和構象）測定、定性及定量分析的方法稱為核磁共振波譜法或稱核磁共振光譜法。乙苯的核磁共振譜發(fā)展簡史

1945年美國斯坦福大學的F.Bloch和哈佛大學EMPurcell領導的兩個研究組首次獨立觀察到核磁共振信號，由于該重要的科學發(fā)現，他們兩人共同榮獲1952年諾貝爾物理獎。初期應用僅限于物理學領域。1950年前后，W.GProctor等發(fā)現化學位移和自旋偶合現象，開拓了NMR在化學領域中的應用。20世紀60年代，計算機技術的發(fā)展使脈沖傅立葉變換核磁共振方法和儀器得以實現和推廣，引起該領域的革命性進步?，F代NMR技術特點更高靈敏度和分辨率，300、400…,1000MHz超導NMR譜儀；二維、三維和多維核磁譜的實現，利于復雜分子的譜線歸屬；固體高分辨NMR技術、HPLC-NMR聯用技術、碳、氫以外核的研究，擴展了NMR的應用范圍；核磁共振成象技術。NMR在分析化學中的應用主要用于測定有機化合物的結構1H-NMR，又稱質子核磁共振譜（PMR）。提供的信息：質子類型及其化學環(huán)境；氫的分布；核間關系。不足：不能提供無氫基團的信息。13C-NMR提供的信息：碳骨架及相關結構和分子運動。不足：靈敏度低；峰面積與碳數一般不成比例。原子核的自旋核磁共振的研究對象為具有磁矩的原子核。

自旋量子數I≠0的原子核具有核磁矩。

μ各種核的自旋量子數和核磁共振質量數原子序數自旋量子數（I）自旋形狀NMR訊號原子核偶數偶數0非自旋球體無奇數奇或偶數1/2自旋球體有奇數奇或偶數3/2，5/2…自旋橢圓體有偶數奇數1，2，3…自旋橢圓體有無外磁場時，核磁矩的取向是任意的。若將原子核置于磁場中，則核磁矩可有不同的排列，共有2I+1個取向，以磁量子數m表示(m=I,I-1,…-I)。原來簡并的能級分裂成個2I+1個磁能級。氫原子核I

=1/2，則裂分成2個磁能級。ZZm＝+1/2m＝-1/2氫核磁矩的取向核的能級分裂EH0=0m＝-1/2m＝+1/2I＝1/2核的能級分裂0H0原子核的進動Larmor進動：自旋磁場與外加磁場作用，產生的以外加磁場方向為軸線的回旋運動。

在垂直于H0的方向施加頻率為射頻區(qū)域的電磁波，作用于1H，而其能量正好等于能級差ΔE，1H就能吸收電磁波的能量，從低能級躍遷到高能級，這就是核磁共振現象。外加電磁波的頻率

為：核磁共振的條件1.2.部分核的磁性質飽和高能態(tài)核和低能態(tài)核的比例服從Boltzmann分布：H0＝1.4092T,T=300K時，核磁共振的信號靠多出的低能態(tài)核的凈吸收產生，射頻照射一段時間后，NMR信號消失，這種現象稱為“飽和”。自旋馳豫(spinrelaxation)高能態(tài)核通過非輻射途徑回到低能態(tài)的過程稱為核自旋馳豫。自旋-晶格馳豫，半衰期T1，固體T1大，可達幾小時，液體、氣體T1小，約10-4~10-2s。測定NMR時一般多采用液體試樣。自旋-自旋馳豫：半衰期T2,固體約10-5～10-4s，液體、氣體T2約1s。屏蔽效應（shielding）

在外磁場H0的作用下，氫核外電子云產生一個方向與H0相反，大小與H0成正比的感應磁場。該感應磁場對原子核起屏蔽作用，使原子核實際所受到的外磁場強度減小?；瘜W位移(chemicalshift)

分子中不同位置質子(化學環(huán)境不同)的核外電子云密度有差別，實際受到H0的作用不同。屏蔽作用大小可用屏蔽常數(shielding

constant)

表示：核外電子云密度增加，

值增大，核實際受到的外磁場作用減小，核的共振頻率下降。因1H所處化學環(huán)境不同而造成的共振頻率的變化稱為化學位移?；瘜W位移的表示方法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）（內標）

位移常數TMS=0低場高頻高場低頻影響化學位移的因素

1.局部屏蔽（localshielding)化合物CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4(CH3)4Si元素XFOClBrIHSiX的電負性4.03.53.12.82.52.11.8δ4.263.403.052.682.160.230相鄰基團或原子的電負性增大，屏蔽效應減弱，氫核δ值增大。影響化學位移的因素

2.磁各向異性（magneticanisotropy）化學鍵，尤其是π鍵在外磁場中產生的感應磁場，在周圍空間各個方向上的磁性并不完全相同，因此對鄰近的不同方向上的氫核的化學位移將產生不同的影響，使δ值升高或降低。這種現象稱為磁各向異性效應。苯環(huán)的磁各向異性δ≈7.39.28雙鍵和叁鍵的磁各向異性δ=5.25δ=2.88氫鍵的形成能使羥基或其它基團上的氫核的δ值明顯增大，氫鍵起到了相當于去屏蔽的作用。由于影響氫鍵形成的因素很多，所以羥基和氨基上的氫核δ值都有一個較大的變化范圍。影響化學位移的因素

3.氫鍵的去屏蔽效應氫鍵的去屏蔽效應

隨樣品濃度的增加，羥基氫信號移向低場。常見結構單元化學位移范圍甲基氫、亞甲基氫與次甲基氫δ值計算

OCH3

－

CH2

－

C

－O

－

CH

－

CH2

－

CH3abcdeCH3f例：δa=0.87+0=0.87(0.90)δe=1.20+1.05(-COR)=2.25(2.30)δf=1.55+3.43(-OCOR)=4.98(4.85)NMR圖譜的計算機模擬利用Chemdraw等軟件對給定化學結構的分子模擬NMR圖譜和化學位移，可省去人工計算。計算機模擬是有誤差的，只能提供解譜時參考，對已知化合物，最后圖譜要與標準圖譜對照確定。練習題1.三個質子A、B、C，其屏蔽常數大小的順序為σB>σA>σC，則這三個質子共振時，哪個質子所需的外磁場最大？2.下列化合物中，哪一個或幾個質子有較低的化學位移？為什么？練習題3.若外加磁場強度H0逐漸增大時，則使質子從低能級躍遷到高能級所需要的能量：A.不發(fā)生變化B.逐漸變大C.逐漸變小D.不確定4.下列各組原子核中核磁矩等于0，不產生核磁共振信號的是：A.B.C.D.練習題5.下列化合物中各帶標志質子的化學位移歸屬正確的是（）：A.δa在1.5~2.0ppm,δb和δc在1.8~3ppm,δd在9~10ppmB.δa在1.5~2.0ppm,δb和δc在5.5~7.5ppm,δd在10~15ppmC.δa在0~1ppm,δb和δc在5.5~7.5ppm,δd在9~10ppmD.δa在1.5~2.0ppm,δb和δc在5.5~7.5ppm,δd在9~10ppm練習題6.使用60MHz核磁共振儀測定，化合物中某質子和TMS之間的頻率差為180Hz，如果使用40MHz的儀器，他們之間的頻率差為多少？在兩種儀器中的該質子的化學位移分別為多少？每類氫核不總表現為單峰，有時多重峰。原因：相鄰兩個氫核之間的自旋偶合（自旋干擾）自旋偶合和自旋分裂

磁核之間的相互作用稱為自旋-自旋偶合(spin-spincoupling)，吸收峰產生裂分的現象稱為自旋分裂。裂分峰之間的裂距表示磁核之間相互作用的程度，稱作偶合常數(couplingconstant)，用J

表示。偶合常數是一個重要結構參數。峰裂分數與峰面積n+1規(guī)律某基團的H與n個相鄰H偶合時，將被分裂成（n+1）峰，各峰的高度比為二項式展開式的系數比。若有不同組磁核，H數分別為n和n’，且偶合常數相同，則峰的裂分數為（n+n’+1）。若有不同組磁核，數目分別為n和n’，但偶合常數不同，則峰的裂分數為(n+1)(n’+1)。

n+1規(guī)律只適用于I=1/2，且△ν/J>10

的初級譜。對于其它I≠1/2，該規(guī)律可改為2nI+1。n+1規(guī)律示例—偶合常數相等2-溴丙烷的NMR譜n+1規(guī)律示例－偶合常數不等δaδcJacJabJacJbcδbJabJbc丙稀腈三個氫的自旋分裂圖偶合常數自旋-自旋偶合時核磁共振譜線發(fā)生分裂，產生的裂距反映了相互偶合作用的強弱，稱為偶合常數，單位為赫茲。對簡單偶合（Δ/J>10），峰裂距即偶合常數。高級偶合（Δ/J<10）,n+1律不再適合，偶合常數需通過計算得到。是核磁共振譜的重要參數之一，可用它研究核間關系、構型、構象及取代位置。偶合常數－偶合類型偕偶（genminalcoupling）：同碳偶合，常用2J表示。變化范圍大，與結構有密切關系。烷烴2J大(-10~-15Hz)，但在譜圖上常見不到峰分裂。烯烴2J小(0~5Hz)，但能見到分裂。鄰偶（vicinalcoupling）相隔三個單鍵的偶合，最常見。3J＝6～8Hz遠程偶合（longrangecoupling）相隔四個或四個鍵以上的偶合。小，不重要。偶合常數－影響因素偶合核間距：偶合核間間隔鍵數增多，偶合常數的絕對值減小。角度：與雙面夾角α有關，α＝900時J最小。電負性：取代基電負性越大，

3J越小與外磁場強度無關。偶合常數與角度的關系abααabaeα為90°時J最小α為0°或180°時J最大Jaa>Jae化學等價(chemicalequivalence)在核磁共振譜中，有相同化學位移的核稱為化學等價。如：分子中一組化學等價核與分子中的其他任何核都有相同強弱的偶合，則這組核為磁等價。如：CH3CH2I。磁等價(magneticequivalence):磁等價核性質：組內核化學位移相等；與組外核偶合的偶合常數相等；在無組外核干擾時，組內核雖有偶合，但不產生裂分?；瘜W等價與磁等價磁等價化學等價×H1與H2化學等價，磁不等價F1與F2化學等價，磁不等價H1與H2磁不等價Ha與Ha’化學等價，磁不等價Hb與Hb’化學等價，磁不等價自旋系統(tǒng)烯氫的自旋系統(tǒng)：AMX一級圖譜（firstorderspectrum)由一級偶合產生的圖譜，Δ/J>10。服從n＋1律，多重峰的峰高比為二項式的各項系數比。多重峰的中間位置是該組質子的化學位移多重峰的裂距是偶合常數一級圖譜示例δCH

=5.80ppm,δCH2

=3.96ppm,J=6.5Hz，儀器射頻為60MHz。二級圖譜（secondorderspectrum)由二級偶合產生的圖譜，Δ/J<10。不服從n＋1律，多重峰的峰高比不服從二項式的各項系數比。化學位移一般不是多重峰的中間位置，需由計算求得。多重峰的裂距一般不等于偶合常數，需由計算求得。高級譜示例對雙取代苯，取代基X≠Y時，AA’BB’系統(tǒng)。儀器頻率越越高，譜圖越簡單，由高級譜向一級譜轉化。如丙烯腈的三個氫核，在60MHz儀器中測得的譜圖屬ABC系統(tǒng)，在220MHz時，就變?yōu)锳MX系統(tǒng)。核磁共振儀－分類按磁場來源：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁鐵按照射頻率：90MHz、200MHz、400MHz按掃描方式：連續(xù)波NMR儀（CW-NMR）和脈沖傅立葉變換NMR儀（PFT-NMR）核磁共振儀－磁鐵產生一個恒定的、均勻的磁場。磁場強度增加，靈敏度增加永久磁鐵：提供0.7046T(30MHz)或1.4092T(60MHz)的場強。特點是穩(wěn)定，耗電少，不需冷卻，但對室溫的變化敏感，因此必須將其置于恒溫槽內，再置于金屬箱內進行磁屏蔽。恒溫槽不能斷電，否則要將溫度升到規(guī)定指標要2~3天！電磁鐵：提供2.3T的場強，由軟磁鐵外繞上激磁線圈做成，通電產生磁場。它對外界溫度不敏感，達到穩(wěn)定狀態(tài)快，但耗電量大，需要水冷，日常維護難。超導磁鐵：提供5.8T的場強，最高可達12T，由金屬(如Nb、Ta合金)絲在低溫下(液氦)的超導特性而形成的。在極低溫度下，導線電阻為零，通電閉合后，電流可循環(huán)不止，產生強磁場。特點是場強大、穩(wěn)定性好，但儀器價格昂貴，日常維護費用極高。核磁共振儀－CW-NMR掃場法：固定照射頻率，改變磁場強度；掃頻法：固定磁場強度，改變照射頻率；記錄吸收分量與場強或頻率的關系，即核磁共振波。掃描速度不能太快，通常全掃描時間為200-300s。若掃描太快，共振來不及弛豫，信號將嚴重失真（畸變）。靈敏度低、所需樣品量大。對一些難以得到的樣品，無法進行NMR分析。核磁共振儀－PFT-NMR以等距脈沖調制的RF信號作多道發(fā)射機，以快速傅立葉變換作多道接收機，它在一個脈沖中給出所有的激發(fā)頻率，如果此脈沖滿足NMR條件，則在脈沖之后，于接收線圈上能感應出該樣品所有的共振吸收信號的干涉圖（自由感應衰減，FID）信號。它包括分子中所有信息，是時間的函數，對此函數作傅立葉變換處理后，可將FID信號轉換為常用的掃場波譜。靈敏度提高（100倍）。測量速度快：一次脈沖相當于CW——NMR的一次掃描。擴大應用范圍：除常規(guī)1H，13C譜外，還可用于擴散系數、化學交換、固體高分辨和弛豫時間測定等。Bruker

600M核磁共振譜儀

屬Bruker

Avance系列核磁共振譜儀，配備Bruker

600MHz

UltraShield

超導磁體和帶XYZ三軸梯度場的5mm反相3共振探頭,主要進行和生物大分子結構相關的核磁共振測試，以及生物大分子動力學的核磁共振研究。

峰面積和氫核數目的關系在1HNMR譜上，各吸收峰的面積與氫核數目成正比。峰面積常以積分曲線高度表示。NMR解析的一般步驟1.區(qū)分出雜質峰、溶劑峰、旋轉邊帶。雜質含量較低，峰面積較小，樣品和雜質峰面積之間也無簡單的整數比關系。氘代試劑的微量氫會有相應的邊帶峰。2.求不飽和度U。3.根據峰面積積分曲線，求出H數比例，再由分子式，求出各組峰的質子數。4.先解析孤立的峰(如CH3-O-,CH3-N-,CH3-Ar-,等),再解析特征峰（主要是醛基、羧基、羥基等）。5.據Δ/J

確定一級偶合與高級偶合。NMR解析的一般步驟6.一級偶合根據δ值、（n+1）規(guī)律及質子數，確定偶合系統(tǒng)，推測結構。7.高級偶合則需采取其他方法擴展縱坐標、運用更高頻率的儀器、或使用位移試劑使譜線的化學位移拉開。也可根據高級偶合的特征譜形確定偶合系統(tǒng)，推測結構。8.其他輔助手段重水交換活潑氫；參考UV、IR、MS等數據；標準譜圖對照，計算數據核查。

譜圖解析示例15223化合物C10H12O2876543210正確結構：解：U=1+10-12÷2=5δ2.1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

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰

O—CH2CH2—相互偶合峰

Oδ3.0δ4.30δ2.1CH2CH2OCCH3bcadcba0.60.51.01.6NMR解析示例2分子式為C4H7BrO2，δa1.78(d),δb2.95(d),δc4.43(sex),δd10.70(s),Jac=6.8Hz,Jbc=6.7Hzdcba0.60.51.01.6解：U=（2＋2×4－8）/2=1，只有一個雙鍵。各峰的氫核數目：

a=1.6×7/(1.6+1+0.5+0.6)≈3H

b=1×7/(1.6+1+0.5+0.6)≈2H

c=0.5×7/(1.6+1+0.5+0.6)≈1H

d=0.6×7/(1.6+1+0.5+0.6)≈1H據n+1律，又因Jac≈Jbc，推測應該含有-CH2-CH-CH3C4H7BrO2可能的結構為：計算δCH：

結構(1)δCH=1.55+1.05+0.25=2.85

結構(2)δCH=1.55+2.68+0=4.23由此推測該化合物的結構應該是結構（2）譜圖解析示例3化合物C8H8O2，推斷其結構987654310解：化合物C8H8O2，U=（2＋2×8－8）/2=57-8芳環(huán)上氫，四個峰對位取代δ9.87—醛基上氫，低場正確結構：

δ3.87CH3峰，向低場位移,與電負性基團相連練習：9δ5.30δ

3.38δ1.37C7H16O3，推斷其結構61解：C7H16O3，

U=（2＋2×7－16）/2=0a.δ3