1、第八章 核磁共振波谱法,(Nuclear Magnetic Resonance Spectrum, NMR ),发展历史： 1924年Pauli预言了NMR的基本理论：有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； 1946年，Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现到核磁共振的现象，并于1952年分享了Nobel奖物理学奖； 1953年Varian开始商用仪器开发，并于1956年做出了第一台高分辨核磁共振商品仪器。 1956年，Knight发现元素所处的化学环境对核磁共振信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。,核磁共振波谱法的应用： 在有
2、机物结构研究方面氢谱主要可给出三方面结构信息：质子类型、氢分布、核间关系 在物理化学研究方面 在定量方面 医疗和药理研究,第一节 基本原理,一、一般认识,在强磁场中，有些核发生能吸收射频辐射（约4900MHz）-产生所谓NMR现象。 与UV-vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。 说明该核具有一定的能级。,二、原子核的自旋,核的自旋角动量P是量子化的，不能任意取数，可用核的自旋量子数I表示,核自旋可按的数值分为3类,自旋量子数I0的原子核有自旋现象和自旋角动量。当 I= 时，核电荷呈球形分布于核表面，它们的核磁共振现象较为简单，属于
3、这一类的主要原子核有1H1、13C6、19F9、31P15。其中研究最多、应用最多的是1H和13C核磁共振谱。,核磁矩：原子核为带电的粒子，自旋时将产生磁矩。空间量子化：,m = P,按照量子理论，磁性核在外加磁场中的自旋取向不是任意的，并可按下式计算：自旋取向数=2I+1 以磁量子数m表示每一种取向,m=I, I-1,I-2,-I,磁旋比,共振条件 (1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 ),三、弛豫历程,第二节 氢核磁共振,一、化学位移,HN=H0 (1-) h=2H0 (1-) H0 = h / 2H0 (1-),屏蔽效应越
4、强，值越大，共振信号越在高磁场出现,标准品：常用TMS含水介质改用3-三甲基硅丙烷磺酸钠高温下测定时使用六甲基二硅醚（HMDS),2、影响化学位移的因素,1）电负性 2）磁性各向异性效应 3）氢键缔合 4）氢键交换,解决的方法：加入重水,3、化学位移与官能团类型,二、峰面积与氢核数目,其高度代表其下方所对应的峰面积，因此用直尺即可量出各峰组面积之比。各峰组的面积之比反映各官能团的氢原子数之比。,图中从左到右的三组峰，分别为邻位二取代苯环、CH2和CH3的谱峰。积分曲线位于这些峰组的上方，呈现若干水平阶梯状的曲线。,三、峰的分裂及偶合常数,1、n+1规律,与某一质子邻近的质子数为n时,核磁共振信
5、号裂分为n+1重峰,其强度如下:,2、磁等同氢核,双键末端的两个氢核,单键带有双键性质时,与不对称碳相连的亚甲基,谱线裂分所产生的裂距是相等的，它反映了核之间耦合作用的强弱，称为耦合常数J，以Hz为单位。,3、耦合常数,4、低级偶合和高级偶合,低级偶合：系统中两组相互干扰的氢核化学位移差值比耦合常数大得多，干扰作用较弱。 高级偶合：自旋核和相互干扰作用比较严重，峰分裂不符合n+1规律。,五、NMR仪器,四、1H-NMR谱测定技术,1、去偶试验1H-NMR中采用的是同核去偶试验，通过选择照射偶合体系中某个(组）质子，使之饱和，则由该质子造成的偶合影响将会消除，原先受其影响而裂分的质子信号将会变成
6、单峰。,2、位移试剂在含氧或含氮化合物中，某些质子信号，如醇、胺、酮、醚、酯等的信号，可因加入特殊的化学试剂而发生位移，这类试剂叫做位移试剂。如： 在含氧或含氮化合物中，向其溶液中加入镧系元素的顺式-二酮配合物，可使待测物分子的质子NMR谱大大拉开，从而简化图谱。常用的位移试剂有Eu（低场位移）及Pr（高场位移）的2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮（DPM)及氟化烷基-二酮（FOD）配合物。,3、核的NOE效应,两组不同类型质子位于相近的空间距离时，照射其中一个（组）质子会使另一个（组）质子的信号强度增强，这种效应简称为NOE效应。 通常以照射后信号增强的百分率表示。 NOE与距离的6次方
7、成反比，故其数值大小直接反映了相关质子的空间距离，可以据此确定分子中某些基团的空间相对位置、立体构象及优势构象，对研究分子的立体化学结构有重要的意义。,NOE差光谱,六、样品制备,样品纯度需预先进行确认，选择适当氘代溶剂做成15%-20%（W/V）浓度的溶液，滤入样品管中，至液层高约35-40mm，加入TMS等基准物质后待用。 1）在测试样品时，选择合适的溶剂配制样品溶液，样品的溶液应有较低的粘度，否则会降低谱峰的分辨率。 2）对于核磁共振氢谱的测量，应采用氘代试剂以便不产生干扰信号。对低、中极性的样品，最常采用氘代氯仿作溶剂，极性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。 3）基准物质不能加在样品溶
8、液中，可将液态基准物质（或固态基准物质的溶液）封入毛细管再插到样品管中，称之为外标。 4）标准参考物的用量应视试样量而定，控制在使其峰高度高于噪音峰值的几倍，但不应超过被测物中最高峰高度为宜。,第三节 碳核磁共振,一、基本原理,在C的同位素中，只有13C有自旋现象，其自旋量子数I=1/2，存在核磁共振吸收。由于c= H /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。 直到PFT-NMR出现,在NMR测定装置中，在y轴的检测器上接收的信号为自由感应衰减信号（free induction decay, FID）信号。 FID 信号是一个随时
9、间t变化的函数，故又称为时畴函数，用f（t）表示。而NMR信号则是随频率而变化的函数，又称频畴函数。两者均包括核跃迁的化学位移及耦合常数等信息，且正好是一对傅里叶变化对，故由测得的FID信号经傅里叶变换过程即可得我们熟悉的NMR图。 单次FID信号弱，采用多次脉冲，FID信号多次累加。,13C NMR的优点：值范围很宽，一般为0250，化学环境相差很小的C，在碳谱上都能分开出峰。 13C NMR的问题：碳与氢核的偶合作用很强，偶合常数较大。直接相连的1H的偶合影响： 13C的信号表现为 q(CH3)、t(CH2)、d（CH)及s（C)。除此之外，还可能同时存在远程偶合的影响，形成更为复杂的图谱
10、，给图谱的测定与解析造成很大的困难。因此，碳谱的测定技术较为复杂，识谱时一定要注意谱图的制作方法及条件。,二、常见13C NMR谱的类型及其特征,1、质子宽带去偶谱 又称质子噪音去偶谱制作方法：在扫描时，同时用一强的去偶射频对可使全部质子共振的射频区进行照射，使全部质子饱和，从而消除碳核和氢核间的偶合，得到简化的谱图。,COM谱特点： 分子中所有的碳核均表现为单峰，可以准确判断磁不等同碳核信号的数目及它们的化学位移。 无法区分碳的类型（伯碳、仲碳、叔碳、季碳）。,COM谱上信号强度与碳的数目不完全呈定量相关， 而与各个碳的纵向弛豫时间T1有关。T1越小，信号越强。羰基碳和双键季碳因T1值很大，
11、故吸收信号非常弱。,2、偏共振去偶(OFR) 用途：识别伯、仲、叔、季不同类型的碳。,采用一个频率范围很小、比质子宽带去偶功率弱很多的射频场（H2），其频率略高于待测样品所有氢核的共振吸收位置的频率（如在TMS的高场1001000Hz范围），使1H与13C之间在一定程度上去偶，不仅消除了2J4J的弱偶合，而且使1J减小到J的1/10左右。,基团： CH3 CH2 CH C 峰数: q t d s,3、选择性氢核去偶谱（SEL）及远程选择性氢核去偶谱（LSPD）,在氢核信号归属已经明确的前提下，用弱或很弱的能量选择性的照射某种（组）（单照射）或某几种（组）（双照射或三重照射）特定的氢核，以分别消
12、除它们对相关碳的偶合影响。此时图谱上峰形发生变化的信号只是与之有偶合相关或远程偶合相关的13C信号。,4、无畸变极化转移增强技术（DEPT）,采用两种特殊的脉冲系列分别作用于高灵敏度的lH核及低灵敏度的13C核，将灵敏度高的lH核磁化转移至灵敏度低的13C核上,从而大大提高13C核的观测灵敏度。,用途：识别伯、仲、叔、季碳。,季碳消失,A-C,A+C-B,三、化学位移13C-NMR化学位移的幅度较宽，通常为0230ppm。在COM谱中，信号均为单峰，彼此之间很少重叠，识别起来比较容易。化学位移的影响因素：碳原子的杂化状态、碳核的电子云密度、诱导效应、共轭效应、立体效应、其它因素。,四、13CN
13、MR的解析实例 1.已知化合物：对照法。 2.未知化合物：解析法。 一般碳谱解析主要程序是： （1）通过分子式计算不饱和度。 （2）由宽带去偶的峰数（l）与分子式中碳原子数（m）比较，判断分子的对称性。若lm，表示分子没有对称性；若lm，表示分子有一定的对称性，l值越小，分子的对称性越高。,（3）标出各谱线的化学位移，辨别碳核的类型和可能的官能团。根据COM测定化学位移，DEPT(OFR)谱确定碳的类型，以及峰高和对称状况，对各峰作大体归属。,（4）决定结构单元；再连接各个结构单元，组成若干个可能结构，寻找论据来排除非正确的结构式。,（5）对推断的结构进行确认、对图谱上出现的信号一一进行归属。
14、,例、化合物的分子式为C5H8O2，13CNMR图谱如图，求化合物的结构式。,解： 1）计算U2，说明可能有双键。l=m,2）峰E（S），166.81，说明是COOH或COOR的结构，而不是醇或醚。,3）峰D（d），144.59和峰C（d），122.83均为SP2碳，说明有-CHCH-结构。,4）峰B（q），51.22而且没有微细裂分（即没有远程偶合），说明是甲醇酯中的甲基。,综上所述，化合物3的结构为：,5）峰A（q）是甲基。在高磁场，所以只能是与CHCH上相连接的甲基。,第四节 二维核磁共振简介,二维傅立叶变换核磁共振谱是八十年代发展起来的核磁共振新技术，是NMR软件开发和应用最新技术的成
15、果。二维谱是将NMR提供的信息，如化学位移和偶合常数等，用二维座标系绘制成的图谱。包括2D-J分解谱、2D-相关谱、NOE相关谱。其中2D-相关谱是应用最普遍的二维谱。,1、同核位移相关谱最常用的同核位移相关谱称为COSY(correlated spectrosopy）。,CH3-CHCl-CH2-CH3,该图的上方有一氢谱与之对应，图的侧面也可能有一氢谱与之对应。COSY谱中有一条对角线，常见的为左低右高。对角线上有若干峰组，它们和氢谱的峰组一一对应。这些峰称为对角线峰或自动相关峰，它们不提供耦合信息。对角线外的峰组称为交叉峰或相关峰，它反映两峰组之间的耦合关系。通过任一交叉峰组作垂线，会与
16、(一对角线峰组)及上方氢谱中的一个峰组相交，此峰组是参与耦合的一个峰组。仍通过该交叉峰作水平线，会与一对角线峰组相交，通过后者作垂线，会与氢谱中的另一峰组相交，此峰组则是参与耦合的另一峰组。因此从任一交叉峰即可确定相应的两峰组之间的耦合关系，我们完全不用管（一维）氢谱中的峰形。COSY主要反映相距三根键的氢（邻碳氢）的耦合关系，跨越两根键的氢（同碳氢）或耦合常数较大的长程耦合也可能被反映出来。 交叉峰是沿对角线对称分布的，因而只分析对角线一侧的交叉峰即可。,2、异核位移相关谱异核位移相关谱把氢核和与其直接相连的其它核关联起来。有机化合物以碳原子为骨架，因此异核位移相关谱主要就是H,C-COSY。,H, C-COSY的谱图呈矩形。水平方向刻度为碳谱的化学位移，垂直方向刻度为氢谱的化学位移。矩形中出现的峰称为相关峰或交叉峰。每个相关峰把直接相连的碳谱谱线和氢谱峰组关联起来。季碳原子因其上不连氢因而没有相关峰。,
