1、核磁共振波譜法,Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,本章學(xué)習(xí)要點,了解引起核磁共振的能量躍遷類型以及能量、回旋頻率、磁場強度、振動頻率之間的相互關(guān)系。 了解發(fā)生核磁共振的必要條件以及怎樣鑒別共振； 了解什么因素決定著核的屏蔽作用以及這些因素將怎樣影響化學(xué)位移； 了解自旋自旋偶合以及相鄰核之間的相互作用； 了解樣的各向異性效應(yīng)，氫核之間的快速交換以及氫鍵締合等因素對化學(xué)位移的影響。在決定分子結(jié)構(gòu)圖式時，能夠利用化學(xué)位移及偶合常數(shù)； 能夠辨認并計算因自旋自旋干擾產(chǎn)生的裂分圖像類型，并會測定各種化學(xué)位移及偶合常數(shù)的數(shù)值。,1基本原理,1.1原子核的自旋,自

2、旋量子數(shù) I 0的原子核有自旋現(xiàn)象和自旋角動量。當(dāng) I= 時，核電荷呈球形分布于核表面，它們的核磁共振現(xiàn)象較為簡單，屬于這一類的主要原子核有1H1、15N7、13C6、19F9、31P15。其中研究最多、應(yīng)用最多的是1H和13C核磁共振譜。,Spin quantum number for various nuclei,自旋量子數(shù) 自旋量子數(shù)I與原子的質(zhì)量數(shù)A及原子序數(shù)Z有關(guān)。,自旋角動量 一些原子核有自旋現(xiàn)象，因而具有自旋角動量。由于核是帶電粒子，故在自旋同時將產(chǎn)生磁矩。核磁矩與角動量都是矢量，磁矩的方向可用右手定則確定。 核的自旋角動量P是量子化的，不能任意取數(shù)，并可用核的自旋量子數(shù)I表示。

3、,核磁矩(核磁子0) 反映自旋核產(chǎn)生的磁場強度 10=5.04910-31 焦耳/高斯 磁旋比 對于給定的原子核 ， , r, p等為定值。 H=2.7927 o rH=2.67519104,磁量子數(shù) 若將自旋核放入場強為H0的磁場中，由于磁矩與磁場相互作用，核磁矩相對外加磁場有不同的取向。按照量子力學(xué)原理，它們在外磁場方向的投影是量子化的，可用磁量子數(shù)m描述之。M可取下列數(shù)值： m=I, I-1, I-2-I,1.2自旋核在磁場中的取向與能量,自旋取向數(shù) 按照量子理論，磁性核在外加磁場中的自 旋取向不是任意的，并可按下式計算： 自旋取向數(shù)=2I+1 I=1/2自旋取向數(shù)=2, - I=1自旋

4、取向數(shù)=31, 0, -1 I=2 自旋取向數(shù)=5-2, -1, 0, 1, 2 每一種取向即為一種不同能量的狀態(tài)。,不同自旋取向的能級差 每個自旋取向?qū)⒎謩e代表原子核的某個特定的能量狀態(tài)。對于具有自旋量子數(shù)I和磁量子數(shù)m的核，量子能級的能量可用下式確定：,H0外加磁場強度，高斯（G）； 核的磁矩，質(zhì)子的磁矩為2.7927 0。,1H在外磁場中只有m=+1/2及m=-1/2兩種取向，其能量分別為： E-1/2=-H0和E+1/2=H0。,上式表明，氫核由低能級向高能級躍遷時需要的能量E與外加磁場強度（H0）及氫核磁矩（）成正比。顯然，隨著外加磁場強度增加，則發(fā)生核的能級躍時需要的能量也相應(yīng)增大

5、；反之，則減小。 同理I=1/2的不同原子核因磁矩不同，故即使在同一外加磁場強度下，發(fā)生核躍遷時需要的能量也是不同的。例如氟核磁矩氫核磁矩，故在同一外加磁場強度下，發(fā)生核躍遷時，氫核需要的能量將要高于氟核。,一般來說，自旋量子數(shù)為I的核，其相鄰兩能級之差為：,1.3核磁共振的產(chǎn)生,如果核的自旋是在一個均勻磁場H0中進行，而磁場指向又與核磁矩成一夾角（）時，則外加磁場將產(chǎn)生一個力矩作用于原子核，迫使核取向于外加磁場。結(jié)果核磁矩將圍繞外加磁場進行回旋（或進動）。 因此，自旋核在磁場中存在兩種運動方式。這種現(xiàn)象與一個自旋的陀螺在與地球重力場的重力線傾斜時作回旋的情況相似?；匦l率的大小將取決于外加磁

6、場的強度（H0）及核“磁”的性質(zhì)。,NMR基本方程,若原子吸收了與進動頻率相同的射頻，即可發(fā)生能級的躍遷，從而產(chǎn)生NMR。即有： 上式即為NMR基本方程。有 Larmor方程 2為原子核進動的角速度。,例,當(dāng)H0=14092G時， 而當(dāng)=100MHz時，,核磁共振,如果以射頻照射處于外磁場H0中的核，且射頻頻率恰好滿足下列關(guān)系時： h=E 處于低能態(tài)的核將吸收射頻能量而躍遷至高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱為核磁共振現(xiàn)象。此時能量即由電磁輻射向核轉(zhuǎn)移。,1.4飽和及馳豫,1）飽和 在一個體系的平衡狀態(tài)下，有 N(m=1/2) / N-(m=-1/2) =1.00000099 即處于高能態(tài)的略少于低能態(tài)的原子

7、核。 當(dāng)旋加外磁場時，由于躍遷，低能態(tài)的核變?yōu)楦吣軕B(tài)的，合兩種核達到一種新的飽和狀態(tài)。,弛豫,若以合適的射頻照射處于磁場的核，核吸收外界能量后，由低能態(tài)躍遷至高能態(tài)，其凈效應(yīng)是吸收，產(chǎn)生共振信號。 由于核外被電子云運動，所以它不可能通過核間的碰撞釋放能量，被激發(fā)到高能態(tài)的核以電磁波的形式將自身多余的能量向周圍環(huán)境傳遞，使核從高能態(tài)降回到原來的低能態(tài)。這一過程稱為弛豫過程。 弛豫過程是核磁共振現(xiàn)象發(fā)生后得以保持的必要條件。否則，信號一旦產(chǎn)生，將很局面達到飽和而消失。 自旋晶格弛豫 自旋-自旋弛豫,2化學(xué)位移與核磁共振譜,2.1屏蔽效應(yīng) 由于氫核外圍電子在外加磁場作用下會產(chǎn)生環(huán)電流，并感應(yīng)產(chǎn)生一個

8、與外磁場方向相反的次級磁場，起到屏蔽電子作用。此外，分子中處于不同化學(xué)環(huán)境中的質(zhì)子，核外電子云的分布情況也各異。,屏蔽常數(shù),若用H0代表外加磁場強度，代表電子對氫核的屏蔽效應(yīng)，HN代表氫核的實受磁場。則， HN=H0（1-） 為屏蔽常數(shù)，用以表示屏蔽效應(yīng)的大小。它的具體數(shù)值將取決于氫核周圍的電子密度，而后者又將取決于相鄰基團（原子或原子團）的親電能力或供電能力。 氫核周圍相鄰的原子或原子團的吸電能力越強，則電子屏蔽效應(yīng)將越弱，故實受磁場強度相應(yīng)增高，共振峰將出現(xiàn)在低磁場；反之，共振峰將出現(xiàn)在高磁場?？傊捎陔娮悠帘涡?yīng)的影響，共振峰將向高磁場方向位移。,在電子屏蔽效應(yīng)影響下氫核的能級躍遷,氫

9、核的能級躍遷，因有無電子屏蔽作用，以及這種屏蔽作用強弱不同，而需要不同的能量。 在外加磁場作用下有效應(yīng)時，氫核兩個能級間的能量差（即躍遷能）為 E=2H0（1-） 而核躍遷能（E）=照射用電磁輻射能（E），即 2H0（1-）=hv,因為、h均為常數(shù)，若v再固定，共振峰位H0大小將僅僅取決于值的大小。各種類型氫核因所處化學(xué)環(huán)境不同，也將不同，故雖在同一頻率電磁輻射照射下，引起共振時需要的外加磁場強度是不同的。結(jié)果共振峰將分別出現(xiàn)在NMR譜的不同強度磁場區(qū)域。 當(dāng)然，屏蔽效應(yīng)越強，即值越大，則共振峰越將在高磁場處出現(xiàn)；而屏蔽效應(yīng)越弱，則越將出現(xiàn)在低磁場。據(jù)此可以進行氫核結(jié)構(gòu)類型的鑒定。,2.2化學(xué)

10、位移,化學(xué)環(huán)境不同的氫核 有不同的化學(xué)位移。 在實際工作中，由于磁場強度無法精確測定，故常將待測氫核共振峰所在磁場H0（sample）與某標(biāo)準(zhǔn)物氫核共振峰所在磁場H0(ref)進行比較。這個相對距離叫做化學(xué)位移。,而共振頻率與外部磁場成正比，通常用樣品和標(biāo)樣共振頻率之差與所用儀器頻率的比值來表示。由于該數(shù)值很小，故通常乘以106。這時，值的單位為ppm：,標(biāo)準(zhǔn)品：TMS 用四甲基硅烷(TMS)作內(nèi)標(biāo)的原因： (1) TMS中的12個氫核處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，它們的共振條件完全一樣 (2) 它們外圍的電子云密度和一般有機物相比是最密的 (3) TMS是化學(xué)惰性，不會和試樣反應(yīng) (4) 易溶于有

11、機溶劑，沸點低，因此回收試樣容易,2.3核磁共振波譜圖,NMR圖的信息,吸收峰的組數(shù) 對一級圖譜而言，分子中化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子有幾組。 質(zhì)子的化學(xué)位移值 說明分子中的基團情況。 峰的分裂個數(shù)及偶合常數(shù)J 說明各基團的連接關(guān)系。 階梯式積分曲線高度 說明各基團的質(zhì)子數(shù)比。,2.4影響化學(xué)位移的因素,1）電性效應(yīng) 2）磁性各向異性效應(yīng) 3）氫鍵 4）范德華力效應(yīng) 5）溶劑效應(yīng) 6）質(zhì)子的交換反應(yīng),1) 電性效應(yīng),包括共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng) OCH3 3.244.02 ppm NCH3 2.123.10 ppm CCH30.771.8 ppm CH3Br2.68ppm CH3CH2Br1.65ppm C

12、H3CH2CH2Br1.04ppm CH3(CH2)5Br0.99ppm,2) 磁各向異性效應(yīng),在含有鍵的分子中， 由于 電子層不呈球形分布，其電子環(huán)流產(chǎn)生和磁場是各向異性磁場，對外磁場產(chǎn)生不同的影響。因此，鍵電子平面的方向?qū)瘜W(xué)位移有很大影響。,HCCHH2C=CH2H3CCH3 2.88ppm5.84ppm0.96ppm,a, 3.18ppm b, 2.7ppm c, 1.3ppm d, 0.9ppm e, 0.3ppm,3) 氫鍵效應(yīng),XH Y (Y=O，N，F(xiàn)，S) 溫度、濃度及溶劑性質(zhì)影響氫鍵的形成。 當(dāng)分子形成氫鍵時，氫鍵中質(zhì)子的信號明顯地移向低磁場，即化學(xué)位移值變大。一般認為這是

13、由于形成氫鍵時，質(zhì)子周圍的電子云密度降低所致。 分子中含易形成氫鍵的基團，其上的氫質(zhì)子的化學(xué)位移范圍往往很大。 ROH0.55ppm ArOH3.57.7ppm RCOOH10.512ppm,4) 范德華力效應(yīng),叔丁基上的質(zhì)子間距很小，質(zhì)子上的電子云可發(fā)生相互排斥，而使屏蔽效應(yīng)減少。,5) 溶劑效應(yīng),6) 質(zhì)子的交換反應(yīng),3.核磁共振儀,3.1 基本知識 射頻頻率越高，分辨率越高，靈敏度高，可簡化圖譜。,3.1 儀器,This is a picture of a 7.0 Tesla superconducting magnet from an NMR spectrometer.,Gradien

14、t Coils,3.2 Continuous-Wave Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy,Continuous-wave NMR spectrometers have largely been replaced with pulsed FT-NMR instruments. However due to the lower maintenance and operating cost of cw instruments, they are still commonly used for routine 1H NMR spectrosco

15、py at 60 MHz. (Low-resolution cw instruments require only water-cooled electromagnets instead of the liquid-He-cooled superconducting magnets found in higher-field FT-NMR spectrometers.),Instrumentation A cw-NMR spectrometer consists of a control console, magnet, and two orthogonal coils of wire tha

16、t serve as antennas for radiofrequency (RF) radiation. One coil is attached to an RF generator and serves as a transmitter. The other coil is the RF pick-up coil and is attached to the detection electronics. Since the two coils are orthogonal, the pick-up coil cannot directly recieve any radiation f

17、rom the generator coil. When a nucleus absorbs RF radiation, it can become reoriented due to its normal movement in solution and re-emit the RF radiation is a direction that can be recieved by the pick-up coil. This orthogonal coil arrangement greatly increases the sensitivity of NMR spectroscopy, s

18、imilar to optical fluorescence. Spectra are obtained by scanning the magnet and recording the pick-up coil signal on paper at the control console.,3. 3 Fourier-Transform Nuclear Magnetic Resonance (FT-NMR) Spectroscopy,Fourier-transform NMR spectrometers use a pulse of radiofrequency (RF) radiation

19、to cause nuclei in a magnetic field to flip into the higher-energy alignment. Due to the Heisenberg uncertainty principle, the frequency width of the RF pulse (typically 1-10 s) is wide enough to simultaneously excite nuclei in all local environments. All of the nuclei will re-emit RF radiation at t

20、heir respective resonance frequencies, creating an interference pattern in the resulting RF emission versus time, known as a free-induction decay (FID). The frequencies are extracted from the FID by a Fourier transform of the time-based data.,Instrumentation An FT-NMR spectrometer consists of a cont

21、rol console, magnet, and a coil of wire that serves as the antenna for transmitting and receiving the RF radiation. (Only one coil is necessary because signal reception does not begin until after the end of the excitation pulse.) Because the FID results from the emission due to nuclei in all environ

22、ments, each pulse contains an interference pattern from which the complete spectrum can be obtained. Because of this multiplex (or Fellgett) advantage, repetitive signals can be summed and averaged to greatly improve the signal-to-noise ratio of the resulting FID.,3.4 兩種核磁共振波譜儀的比較,靈敏度：S/N n H10ppm用補

23、償掃描的方式。,4. 自旋偶合與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,The molecule we started out with CH3-CH2-CO-CH2-CH3 should have only two signals in its proton NMR spectrum: a) 2 -CH3d = 0.6 .1.9 ppm b) 2 -CH2-COd = 1.9 . 3.2 ppm. The actual spectrum does confirm these predictions: However, at closer inspection the signal of the methyl pro

24、tons turns out to be composed of three lines (a triplet) with relative intensities of approximately 1:2:1, while the signal of the methylene protons is composed of four lines (a quartet) with relative intensities of approximately 1:3:3:1,4.1 基本概念,1) 自旋偶合 相鄰的氫核發(fā)生作用 2) 自旋裂分 自旋偶合峰裂分 3) 偶合常數(shù)(J) 峰(相鄰)之間的

25、距離,4.2 偶合常數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,1J 13C1HInvisible 2JJgen(geninal coupling) = 1016cps 3JJvic(vicinal coupling) = 59cps 4JJdis(distant coupling) 1cps,4.3 偶合裂分規(guī)律,小峰數(shù)目符合“n+1規(guī)律”，強度比(a+b)n,4.4 化學(xué)等價,等價氫(磁等價氫，全同氫) 化學(xué)等價 偶合常數(shù)J值相同 JH1FaJH2Fa H1, H2 磁不等價,化學(xué)等價與磁等價,有相同化學(xué)環(huán)境具有相同的化學(xué)位移的稱為化學(xué)等價。所謂磁等價是指分子中的一組氫核，其化學(xué)位移相同，且對組外任何一個原子核的偶合

26、常數(shù)也相同。 化學(xué)等價的核不一定是磁等價的，而磁等價的核一定是化學(xué)等價的。 注意：在同一碳上的質(zhì)子，不一定都是磁等價。,5.自旋耦合體系及核磁共振譜分類,5.1 自旋體系的命名 體系內(nèi)的質(zhì)子間相互偶合，體系內(nèi)的質(zhì)子與體系外的質(zhì)子不能相互偶合，這樣的體系稱為自旋偶合體系。 由兩氫核的共振頻率差與其偶合常數(shù)J的比值表示偶合的強弱。規(guī)定 /J 10為弱偶合， /J 10為強偶合。,命名規(guī)則： 化學(xué)位移差異大的用不同組的字母表示。強偶合的核以相連的英文表示，弱偶合的核則以不相連的英文字母表示； 磁等價的質(zhì)子用同一字母表示，下標(biāo)為等價質(zhì)子數(shù)。用相近字母表示。 只是化學(xué)等價而不是磁等價的核則以AA、BB等

27、符號表示。 A，B，C，D，低場 M，N，O，P， X，Y，Z高場,5.2 核磁共振圖譜分類,1) 一級譜/J=(A- B)/J 20,一級規(guī)律,裂分小峰數(shù)目為(n+1)個；(n為相鄰質(zhì)子數(shù)) 峰強符合一項式展開的規(guī)律：(1+X)n 、J值可由圖中直接讀出 對于 6 /J 20 體系，可近似按一級譜解釋。,2) 高級譜,/J 6 不能符合一級規(guī)律 小峰數(shù)往往多于(n+1) 峰強影響復(fù)雜 、J值可由圖中直接讀出,5.3 幾種常見的一級偶合系統(tǒng),5.4 幾種常見的高級偶合系統(tǒng),1) AB系統(tǒng),AB2系統(tǒng)(三旋系統(tǒng)),最多可出現(xiàn)9條譜線。,ABX系統(tǒng),8+6=14條譜線。,AABB和A2B2系統(tǒng),圖

28、譜復(fù)雜，整個圖譜峰形對稱。,6. 各類化合物質(zhì)子的化學(xué)位移值,6.1 飽和烷基質(zhì)子 01.8ppm； 與O，N，S相連，向低場移動。 1.55ppm CH3R0.9ppm R-CH2-R1.25ppm01.8ppm R(R”)CH-R1.5ppm,R2NCH H2NCH RSCH2.03.0ppm RCOCH PhCH ROCH ArOCH34ppm HOCH Br, I, ClCH FCH COOCH45ppm NO2CH,6.2烯烴類質(zhì)子,CH4.58.0ppm,C=CH=5.25+(Zgen+Zcis+Ztrans),6.3 炔氫類,1.83.0ppm,6.4 芳環(huán)氫,6.58.0ppm

29、 五取代單峰 四取代,AB體系(22)峰， 不重疊。,三取代 ABX，AMX，ABC，AB2,二取代,單取代 6.58.0ppm，5H 單取代 第一類(7.26ppm) CH3，CH2，CH，Cl，Br， CH=CHR，CCR 第二類 OH，OR，NH2，NHR，NRR 苯環(huán)上電子云密度增加。圖譜復(fù)雜，處于高場。 第三類 CHO，COR，COOR，COOH，CONHR， NO2，NNAr，CNH(R)，SO3H 苯環(huán)上電子云密度減少。圖譜復(fù)雜，處于低場。,6.5 芳雜環(huán)氫,6.09.5ppm,6.6 活潑氫,ROH 0.55.5ppm ArOH 48ppm 形成分子內(nèi)氫鍵 10ppm(10.5

30、16ppm),7.解析復(fù)雜譜圖的一些常用方法,7.1 換用高磁場的儀器 使用不同磁強的儀器測定圖譜，使，盡量避免譜線交叉，同時譜線更清晰。 一級圖譜易于解析,7.2 雙照射技術(shù)簡化圖譜,輻射狀 掃頻的同時，用另一更強固定射頻照射(2)，使欲觀測質(zhì)子飽和，以消除對相鄰質(zhì)子的偶合。對照采用雙照射技術(shù)前后圖譜，確定譜線的歸屬。,7.3 NOE (Nuclear Overhauser Effect),當(dāng)對A核照射時，在分子中與A相鄰近(r=3.5)的B核信號面積將增加10%以上。 幫助分子中氫核 的空間關(guān)系。,對1.42ppm照射，HA信號增大17%；對1.97ppm照射， HA信號基本不變。,7.4

31、 重氫交換,1H 2H (D) 反應(yīng)不徹底時，在4.55.0ppm (HOD)，7.23ppm(CHCl3)有信號。,7.5 位移試劑,加入能與有機物絡(luò)合的試劑，使共振信號相距增大，以增加圖譜的可讀性。 常用Eu, Pr的絡(luò)合物。,可與“OH，NH，O，CO”等絡(luò)合,8 CARBON-13 NMR,13CNMR的特點（與1HNMR比較） 寬譜帶（0240ppm)，分辨率高 飽和官能團 1HNMR， 01.8ppm 13CNMR, 060ppm FT技術(shù)的應(yīng)用 由于13C的豐度低、信號弱，總的靈敏度只有1HNMR強度的1/5700。 在13CNMR中采用一強脈沖照射試品0.1ms，使 磁核均達到

32、共振，停止照射后，產(chǎn)生馳豫并發(fā)出信號，即自由衰減信號(平均約1s)，體系回復(fù)平衡狀態(tài)。該信號包含了所有碳核的共振化學(xué)信息。 所得圖譜經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由計算機完成復(fù)雜計算，最終得到13CNMR譜。,質(zhì)子寬帶去偶(質(zhì)子噪聲去偶) Proton noise decoupling 13CHJ 13CH110320Hz 13CCH圖譜復(fù)雜 13CCCH 13C1H質(zhì)子不能與13C偶合 常規(guī)碳譜（每一類C出現(xiàn)一個尖銳單峰）,偏共振去偶o(jì)ff-resonance decoupliong,共振信號 結(jié)果：保留J 13CH偶合信號,13C的化學(xué)位移,基準(zhǔn)：四甲基硅烷 sp3C 烷烴類飽和碳原子060ppm CO5080ppm spC CC6590ppm sp2C 苯環(huán)上C，CC100150ppm CO150220ppm,酯、酰胺150180ppm 酸165180ppm 醛185208ppm 酮186288