1、核磁共振波谱简介,核磁书籍推荐,1. 有机化合物结构鉴定与有机波谱学宁永成,2. 实用有机化合物光谱解析吴立军,3. Spectrometric Identification of Organic Compounds by Robert M. Silverstein; Francis X. Webster and David J. Kiemle,核磁共振谱 (Nuclear Magnetic Resonance) (NMR Spectrum/Spectra),核磁共振波谱仪,核磁共振波谱仪,北大 中科院武汉物理所,核磁共振波谱仪磁场强度,核磁共振波谱仪磁场强度,耦合常数的值(Hz)与谱仪频率无
2、关。在不同频率的谱仪下得到的化学位移值(ppm)是相同的。在低频率谱仪上相互交错的多重峰，在高频率的谱仪可能清晰地分开。,60 MHz,300 MHz,60 MHz,300 MHz,对于氢谱，3到10毫克样品足够。对于分子量较大的样品，有时需要浓度更大的溶液。但浓度太大会因饱和或者粘度增加而降低分辨率。对于碳谱，样品浓度至少为氢谱的5倍（一般在2050毫克）。对于二维实验，为了获得较好的信噪比，样品浓度必须够浓。根据经验，25毫克样品足以完成所有实验，包括氢碳相关HMBC实验。,样品的量,样品和样品管,样品：纯净，干燥，溶液内无灰尘或沉淀，尤其不应含有铁磁性杂质。 特殊条件下需要过滤或除氧黏度
3、不要过高（影响驰豫时间），黏度越大，分辨率越差，样品可适度稀释来提高分辨率。溶液内的灰尘会使谱线明显变宽而降低分辨率，再好的匀场也无法解决该问题,样品和样品管,样品管：匀质，清洁，不携带铁磁性物质 不要用洗液洗涤，以免带入很难除去的顺磁杂质 不要在温度太高的烘箱里直立烘太久样品管的直径：5mm 最常用3mm 用于样品量很少的样品10mm 用于观测低灵敏度核或溶解度受限制的样品溶液体积：5mm probe 0.4-0.6 ml3mm probe 0.1-0.15 ml,样品和样品管,样品管处于合适的高度，使样品处于磁场的最强且最均匀的部分。 足够的溶液高度，3.55cm。,对于5毫米核磁管，样品
4、体积应为0.5毫升或者样品高度为44.5厘米。 太低的溶液高度使匀场所需时间大大增加，而且很难得到高质量的谱图。 不要为了增加浓度而过分缩小溶液的体积。 谱仪的磁场强度越高，仪器灵敏度也高，对于污染物、样品制备不好和不好的样品管的灵敏度也增加。,样品和样品管,氘代溶剂,谱议靠氘信号锁场以调节稳定的B0 (0.1 of 300000000Hz)和匀场 与样品不发生化学反应。 溶解度：越大越好，以增加实验的灵敏度 溶剂信号对样品的干扰：越小越好，尽量不与谱峰范围重叠 温度可靠性：在实验温度下不会挥发或凝固，溶解度不会受太大影响 粘滞性：粘滞性越小，分辨率越好 水含量：几乎所有核磁溶剂里都有痕量或更
5、多的水水的存在会降低谱图的质量,氘代溶剂,一般要求：惰性，低沸点，价格尽量便宜 首选溶剂：CDCl3尖锐的单峰，7.26 ppm沸点 60.8C100ml ￥520其它常见氘代溶剂：CD3COCD3CD3ODDMSOd6C5D5N,在不同的溶剂中化学位移稍有变化。 一般在0.1ppm之内。加入氘代苯或氘代吡啶，可能引发较明显的变化。,常用1D和2DNMR谱 1H NMR； 13C NMR； DEPT； HETCOR /1H, 13C-COSY /HMQC /HSQC； 1H, 1H COSY /COSY /HOMCOR /DQF-COSY； HMBC /COLOC；其它还包括TOCSY/HOH
6、AHA；NOESY；INADEQUATE；组合式的2D NMR谱等。,核磁共振氢谱,1H NMR /PMR Spectrum： 1. 化学位移 2. 峰面积 3. 裂分情况（重峰数和偶合常数J）,谱图中化合物的结构信息,（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种； （2）峰的强度(面积)：每类质子的数目(相对)，多少个； （3）峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，化合物中位置； （4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数； （5）偶合常数(J)：确定化合物构型。,0 TMS,2,10,7,5,15,Aliphatic,Alcohols, protons a to ketones,Ole
7、fins,Aromatics Amides,Acids Aldehydes,1H谱： 15 ppm:,核磁共振碳谱,13C NMR(13C-NMR, Carbon 13 NMR)：(1) 13C-NMR谱灵敏度只有1H-NMR谱的1/6000;(2) 脉冲傅立叶变换核磁共振装置的引入；(3) 测试时样品需要量增大。,核磁共振碳谱,13C-NMR谱的化学位移值范围较大，信号之间很少重叠，能提供更多的结构信息。常见的碳谱为全氢去偶谱(proton complete decoupling spectrum, COM)/宽带去偶谱(broad band decoupling spectrum, BBD
8、)。,ppm,50,150,100,80,210,Aliphatic CH3, CH2, CH,Carbons adjacent to alcohols, ketones,Olefins,Aromatics, conjugated alkenes,C=O of Acids, aldehydes, esters,0 TMS,C=O in ketones,13C谱： 220 ppm:,在噪音去偶谱中，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，但无法区分碳的类型 (伯碳、仲碳、叔碳、季碳)。,DEPT（Distortionless Enhancement by
9、 Polarization Transfer，不失真地极化转移增强）,核磁共振二维谱,HETCOR/ 1H, 13C-COSY/ HMQC/ HSQCHETeronuclear CORrelation spectroscopy 1H, 13C-COrrelated SpectroscopY ( 1H-detected) Heteronuclear Multiple-Quantum Coherence，(1H检测的)异核多量子相干谱 (1H-detected) Heteronuclear Single-Quantum Coherence, (1H检测的)异核单量子相干谱,核磁共振二维谱,HOMC
10、OR/1H, 1H COSY/COSY/DQF-COSYHOMnuclear CORrelation spectroscopy 1H, 1H-COrrelated SpectroscopY Double-Quantum Filtered COSY,核磁共振二维谱,HMBC/COLOC(1H-detected) Heteronuclear MultipleBond Correlation，(1H检测的)异核多键相关 (heteronuclear shift) Correlation spectroscopy via Long range Couplings，长程偶合的（异核位移）相关谱,核磁共振
11、二维谱,TOCSY/HOHAHA TOtal Correlation SpectroscopY HOmonuclear HArtmann-HAhn spectroscopyNOESY Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY,1.认真复习硕、博的NMR课程中基础概念，常见典型的1H,13CNMR化学位移值范围，典型的H-H耦合常数值（最好记住一些），如果一时记不住，要随时能查到。 2.找一本您认为比较好的NMR教科书，作为精读书。最好不要选择书中采用很老的NMR图谱（比如连续波仪器测定的图谱）的书，也不要选择图谱经过手工绘制的那种书！英文的比较好，但开始时还
12、是读中文的吧。 3.如果您是化学工作者，建议先不要阅读有关量子基础部分，可先跳过。 4.首先重点学习1DNMR(1HNMR,13CNMR)，化学位移与结构（包括立体化学）的关系。因为结构中H和C所处的化学环境几乎都反映在1DNMR图谱中。尽量不要死记NMR参数，最好结合相应的图谱来记忆理解。比如，AB系统是什么特征，A2,AB和AX这三种自旋系统可结合起来学习，要见到相应的图谱，会印象深刻。 5.2DNMR当然也重要，几种2DNMR技术已经是现代NMR的常规技术。同样应该结合图谱来学习。建议先看简单化合物的2DNMR图谱，好的教科书中的图谱选择通常有比较典型的图例，试着解析，别忘了连同这个化合
13、物的1H,13CNMR一同分析。重点可选择H-HCOSY,HMQC或HSQC,HMBC,NOESY,其他的2DNMR技术可在日后学习。 6.做图谱解析练习，找来这样的资料（网上有不少），由简单到复杂，认真解析每组信号，比如一个H的信号为dd峰，耦合常数分别是多少？解释为什么？化学位移为什么处在高场或低场，解释为什么？归属所有的峰。 7.结合自己实际工作中的图谱，一边做研究，一边深化NMR知识。利用工作中的图谱问题，以点带面，渐渐扩展深化。 8.结合专业文献。 9.准备几本NMR手册和专著（可从网上下载）。 10.常向周围老师同事交流学习，当然网上讨论也很好，切记不要不给图谱而只用文字描述图谱。
14、图谱学，图谱是根本，结构细节都反映在图谱中。比如，你看是s峰，别人看可能是br,s峰，有时可能是like t. 还有，明明是dd峰，初学者看作q峰等等。,化合物结构解析之前的准备工作：,1. 文献工作的重要性,在解析结构过程中，首先要对各种天然产物的结构类型要熟悉。推测部分结构和化合物类型才能命中率高，说服力强。,2. 分离工作的重要性：通过各种分离技术，如柱层析、薄层层析、制备色谱等分离未知物的纯样，再用纯样作出各种谱图，在对各种谱图综合分析之后，方能推断出各种化合物的结构。,1. 溶剂峰的识别： “常见溶剂的1H，13C在不同氘代溶剂中的化学位移值”,综合解析,常用氘代溶剂13C信号的化学
15、位移及特征,2. 判断化合物的纯度 根据各共振峰的积分值的比例是否为整数来判断，特别是低磁场处的共振峰信号。,不纯物,3.综合解析的步骤: (1)初步查看、分析各种谱图并得出一些最明显的结论； (2)分子式的确定； (3)确定分子中存在的官能团； (4)以某些官能团为出发点扩大未知物分子的结构单元； (5)利用已确定的结构单元，组成该化合物的几种可能结构； (6)选择出最可能的结构。,在分析核磁共振氢谱时，应注意谱仪的工作频率。若已知谱仪的工作频率，便可以从谱峰的分裂间距（ppm）估算出耦合常数（Hz）。 从氢谱的积分曲线，可以找出各种官能团的氢原子数的相互比例关系，在某些情况下，可以确定其具
16、体数目（若存在可识别的甲基或可识别的取代苯环等，它们可作为计算的基准）。 从氢谱可清楚地看出是否存在芳环、烯、甲氧基、亚甲基长链等。,(1) 初步分析各种谱图并得出一些最明显的结论,核磁共振碳谱各谱峰高度不严格地反映各种碳原子的比例，但有时也可以粗略地估计谱线所代表的碳原子的数目。当分子无任何对称性时，碳谱中谱线的数目等于该化合物中碳原子的数目。 在解析碳谱时，应尽可能把它和氢谱关联起来。譬如对某一个CH2来说，它在氢谱中有峰，在碳谱中也有峰。在大多数情况下，某含氢官能团在氢谱中处于较高场位置时，该碳原子在碳谱中也处于较高场位置（当然也有例外，因此准确地关联二者需作选择性去耦或异核位移相关二维
17、谱）。通过碳谱和氢谱的关联、比较，可以知晓碳谱中代表不只一个碳原子的某些谱线，以及它具体代表了几个碳原子。 从碳谱化学位移的三个大区：羰基区、双键区、单键区的谱峰很容易得出有关结构的大量信息。,倘若用高分辨质谱仪器做了精确质量数的测定，分子式（甚至重要离子的元素组成式）就得到了。若没有分子离子峰精确质量数的数据，就只能从分子量的整数值并配合其它谱图数据推出分子式。,(2) 分子式的确定,化合物所含碳原子的数目可以从碳谱得出。如果有DEPT等数据时，碳原子上所连氢原子的数目可以算出；由氢谱的积分曲线并以个别可识别基团的氢原子数作为基准，化合物中所含氢原子数目可以算出。如碳原子上所连氢原子数目小于
18、化合物氢原子数目，这表明化合物含活泼氢。,从氢谱和碳谱还可以推导出某些杂原子的存在：如从碳谱可知羰基、羧基；从氢谱可知活泼氢（相应就有杂原子）及OCH3等。 综上所述，从碳谱和氢谱已能确定分子中绝大部分（甚至全部）的元素组成：碳原子数、氢原子数及某些杂质子。,取代苯环：6.58.0ppm; 110165ppm; m/z 77, 65, 51, 39; 3030, 1600, 1500 cm-1; UV250nm的吸收等。 直链长链烷基：1.25ppm; 29ppm; m/z 29+14n。 醇：活泼氢；与氧相连的碳信号低场位移；M-18；3300cm-1。 羰基化合物：碳谱和红外谱很重要。,(
19、3) 确定分子中存在的官能团,氢谱的耦合裂分及化学位移值常常是找出相邻基团的重要线索。碳谱的值及是否表现出分子的对称性对确定取代剂的相互位置也起一定的作用。质谱主要碎片离子之间的质量差额、亚稳离子、重要的重排离子都可能得出基团相互连接的信息。不饱和基团形成大的共轭体系可以从紫外图反映出来。在红外图中，某些基团的吸收位置可反映该基团与其它基团相连接的信息（如羰基与双键共轭时，红外吸收频率移向低波数）。,(4) 以某些官能团为出发点扩大未知物分子的结构单元,如果已找出的结构单元中的不饱和基团已和分子的不饱和度相符，则考虑它们之间各种连接顺序的可能性。若已找出的结构单元中的不饱和度基团的不饱和度低于
20、分子的不饱和度，除应考虑已确定的结构单元的相互连接之外，还应考虑分子中环的组成（环的数目等于上述二数之差）。在组成分子的可能结构时，应注意安排好不饱和键以及杂原子的位置（特别是杂原子的位置），因它们的位置对氢谱、碳谱、质谱、红外、紫外均可能产生重要影响。当组成几种可能的结构时，某些谱图的数据可能已超出该官能团的常见数值，这种情况（至少在初步考虑可能结构时）是可以容许而不能轻率地加以排除的。当然，若所推测的结构与已知谱图有很明显的矛盾时，应予以除去。,(5) 利用已确定的结构单元，组成该化合物的几种可能结构,以所推出的每种可能结构为出发点，对各种谱图进行指认。如果对某结构各种谱图的指认均很满意，
21、说明该结构是合理的、正确的。当几种可能结构与谱图均大致符合时，可以对某些碳原子或某些氢原子的值进行计算，从计算值与实测值相比的结果，找出最可能的结构。 在指认不能顺利完成，或计算值与实测值差别很大时，这说明该结构是不合理的，此时应重新推出别的结构式，并再通过指认来校核该结构的合理性。,(6) 选择出最可能的结构,如果为典型的易识别化合物类型，首先检索原药用植物或中药化学成分研究报道，通过与已知化合物的氢谱数据对比，若不超出核磁共振波谱仪的误差范围，又有质谱数据对照的，基本上可以鉴定结构。结合1H，进一步判断化合物结构类型，初步确定结构。根据部分结构可能判断是否为已知化合物，查阅文献，同类化合物1H、13C-data比较，鉴定已知化合物的结构。,谢谢大家！,
