1、核磁共振波譜簡(jiǎn)介,核磁書籍推薦,1. 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定與有機(jī)波譜學(xué) 寧永成,2. 實(shí)用有機(jī)化合物光譜解析 吳立軍,3. Spectrometric Identification of Organic Compounds by Robert M. Silverstein; Francis X. Webster and David J. Kiemle,核磁共振譜 (Nuclear Magnetic Resonance) (NMR Spectrum/Spectra),核磁共振波譜儀,核磁共振波譜儀,北大 中科院武漢物理所,核磁共振波譜儀磁場(chǎng)強(qiáng)度,核磁共振波譜儀磁場(chǎng)強(qiáng)度,耦合常數(shù)的值(Hz)與譜儀頻

2、率無(wú)關(guān)。 在不同頻率的譜儀下得到的化學(xué)位移值(ppm)是相同的。 在低頻率譜儀上相互交錯(cuò)的多重峰，在高頻率的譜儀可能清晰地分開。,60 MHz,300 MHz,60 MHz,300 MHz,對(duì)于氫譜，3到10毫克樣品足夠。對(duì)于分子量較大的樣品，有時(shí)需要濃度更大的溶液。但濃度太大會(huì)因飽和或者粘度增加而降低分辨率。對(duì)于碳譜，樣品濃度至少為氫譜的5倍（一般在2050毫克）。 對(duì)于二維實(shí)驗(yàn)，為了獲得較好的信噪比，樣品濃度必須夠濃。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，25毫克樣品足以完成所有實(shí)驗(yàn)，包括氫碳相關(guān)HMBC實(shí)驗(yàn)。,樣品的量,樣品和樣品管,樣品：純凈，干燥，溶液內(nèi)無(wú)灰塵或沉淀，尤其不應(yīng)含有鐵磁性雜質(zhì)。 特殊條件下需要過(guò)濾

3、或除氧 黏度不要過(guò)高（影響馳豫時(shí)間），黏度越大，分辨率越差，樣品可適度稀釋來(lái)提高分辨率。 溶液內(nèi)的灰塵會(huì)使譜線明顯變寬而降低分辨率，再好的勻場(chǎng)也無(wú)法解決該問(wèn)題,樣品和樣品管,樣品管：勻質(zhì)，清潔，不攜帶鐵磁性物質(zhì) 不要用洗液洗滌，以免帶入很難除去的順磁雜質(zhì) 不要在溫度太高的烘箱里直立烘太久 樣品管的直徑： 5mm 最常用 3mm 用于樣品量很少的樣品 10mm 用于觀測(cè)低靈敏度核或溶解度受限制的樣品 溶液體積： 5mm probe 0.4-0.6 ml 3mm probe 0.1-0.15 ml,樣品和樣品管,樣品管處于合適的高度，使樣品處于磁場(chǎng)的最強(qiáng)且最均勻的部分。 足夠的溶液高度，3.55c

4、m。,對(duì)于5毫米核磁管，樣品體積應(yīng)為0.5毫升或者樣品高度為44.5厘米。 太低的溶液高度使勻場(chǎng)所需時(shí)間大大增加，而且很難得到高質(zhì)量的譜圖。 不要為了增加濃度而過(guò)分縮小溶液的體積。 譜儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，儀器靈敏度也高，對(duì)于污染物、樣品制備不好和不好的樣品管的靈敏度也增加。,樣品和樣品管,氘代溶劑,譜議靠氘信號(hào)鎖場(chǎng)以調(diào)節(jié)穩(wěn)定的B0 (0.1 of 300000000Hz)和勻場(chǎng) 與樣品不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 溶解度：越大越好，以增加實(shí)驗(yàn)的靈敏度 溶劑信號(hào)對(duì)樣品的干擾：越小越好，盡量不與譜峰范圍重疊 溫度可靠性：在實(shí)驗(yàn)溫度下不會(huì)揮發(fā)或凝固，溶解度不會(huì)受太大影響 粘滯性：粘滯性越小，分辨率越好 水含量：幾

5、乎所有核磁溶劑里都有痕量或更多的水 水的存在會(huì)降低譜圖的質(zhì)量,氘代溶劑,一般要求：惰性，低沸點(diǎn)，價(jià)格盡量便宜 首選溶劑：CDCl3 尖銳的單峰，7.26 ppm 沸點(diǎn) 60.8C 100ml ￥520 其它常見氘代溶劑： CD3COCD3 CD3OD DMSOd6 C5D5N,在不同的溶劑中化學(xué)位移稍有變化。 一般在0.1ppm之內(nèi)。 加入氘代苯或氘代吡啶，可能引發(fā)較明顯的變化。,常用1D和2DNMR譜 1H NMR； 13C NMR； DEPT； HETCOR /1H, 13C-COSY /HMQC /HSQC； 1H, 1H COSY /COSY /HOMCOR /DQF-COSY； HM

6、BC /COLOC； 其它還包括TOCSY/HOHAHA；NOESY；INADEQUATE；組合式的2D NMR譜等。,核磁共振氫譜,1H NMR /PMR Spectrum： 1. 化學(xué)位移 2. 峰面積 3. 裂分情況（重峰數(shù)和偶合常數(shù)J）,譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息,（1）峰的數(shù)目：標(biāo)志分子中磁不等性質(zhì)子的種類，多少種； （2）峰的強(qiáng)度(面積)：每類質(zhì)子的數(shù)目(相對(duì))，多少個(gè)； （3）峰的位移( )：每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境，化合物中位置； （4）峰的裂分?jǐn)?shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)； （5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構(gòu)型。,0 TMS,2,10,7,5,15,Aliphatic,Alcohols,

7、 protons a to ketones,Olefins,Aromatics Amides,Acids Aldehydes,1H譜： 15 ppm:,核磁共振碳譜,13C NMR(13C-NMR, Carbon 13 NMR)： (1) 13C-NMR譜靈敏度只有1H-NMR譜的1/6000; (2) 脈沖傅立葉變換核磁共振裝置的引入； (3) 測(cè)試時(shí)樣品需要量增大。,核磁共振碳譜,13C-NMR譜的化學(xué)位移值范圍較大，信號(hào)之間很少重疊，能提供更多的結(jié)構(gòu)信息。 常見的碳譜為全氫去偶譜(proton complete decoupling spectrum, COM)/寬帶去偶譜(broad

8、band decoupling spectrum, BBD)。,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譜： 220 ppm:,在噪音去偶譜中，分子中所有的碳核均表現(xiàn)為單峰，可以準(zhǔn)確判斷磁不等同碳核信號(hào)的數(shù)目及它們的化學(xué)位移，但無(wú)法區(qū)分碳的類型 (伯碳、仲碳、叔碳、季碳)。,DEPT（

9、Distortionless Enhancement by Polarization Transfer，不失真地極化轉(zhuǎn)移增強(qiáng)）,核磁共振二維譜,HETCOR/ 1H, 13C-COSY/ HMQC/ HSQC HETeronuclear CORrelation spectroscopy 1H, 13C-COrrelated SpectroscopY ( 1H-detected) Heteronuclear Multiple-Quantum Coherence，(1H檢測(cè)的)異核多量子相干譜 (1H-detected) Heteronuclear Single-Quantum Coherence

10、, (1H檢測(cè)的)異核單量子相干譜,核磁共振二維譜,HOMCOR/1H, 1H COSY/COSY/DQF-COSY HOMnuclear CORrelation spectroscopy 1H, 1H-COrrelated SpectroscopY Double-Quantum Filtered COSY,核磁共振二維譜,HMBC/COLOC (1H-detected) Heteronuclear MultipleBond Correlation，(1H檢測(cè)的)異核多鍵相關(guān) (heteronuclear shift) Correlation spectroscopy via Long ran

11、ge Couplings，長(zhǎng)程偶合的（異核位移）相關(guān)譜,核磁共振二維譜,TOCSY/HOHAHA TOtal Correlation SpectroscopY HOmonuclear HArtmann-HAhn spectroscopy NOESY Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY,1.認(rèn)真復(fù)習(xí)碩、博的NMR課程中基礎(chǔ)概念，常見典型的1H,13CNMR化學(xué)位移值范圍，典型的H-H耦合常數(shù)值（最好記住一些），如果一時(shí)記不住，要隨時(shí)能查到。2.找一本您認(rèn)為比較好的NMR教科書，作為精讀書。最好不要選擇書中采用很老的NMR圖譜（比如連續(xù)波儀器測(cè)定的圖譜）的

12、書，也不要選擇圖譜經(jīng)過(guò)手工繪制的那種書！英文的比較好，但開始時(shí)還是讀中文的吧。3.如果您是化學(xué)工作者，建議先不要閱讀有關(guān)量子基礎(chǔ)部分，可先跳過(guò)。4.首先重點(diǎn)學(xué)習(xí)1DNMR(1HNMR,13CNMR)，化學(xué)位移與結(jié)構(gòu)（包括立體化學(xué)）的關(guān)系。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中H和C所處的化學(xué)環(huán)境幾乎都反映在1DNMR圖譜中。盡量不要死記NMR參數(shù)，最好結(jié)合相應(yīng)的圖譜來(lái)記憶理解。比如，AB系統(tǒng)是什么特征，A2,AB和AX這三種自旋系統(tǒng)可結(jié)合起來(lái)學(xué)習(xí)，要見到相應(yīng)的圖譜，會(huì)印象深刻。5.2DNMR當(dāng)然也重要，幾種2DNMR技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)代NMR的常規(guī)技術(shù)。同樣應(yīng)該結(jié)合圖譜來(lái)學(xué)習(xí)。建議先看簡(jiǎn)單化合物的2DNMR圖譜，好的教科書中的

13、圖譜選擇通常有比較典型的圖例，試著解析，別忘了連同這個(gè)化合物的1H,13CNMR一同分析。重點(diǎn)可選擇H-HCOSY,HMQC或HSQC,HMBC,NOESY,其他的2DNMR技術(shù)可在日后學(xué)習(xí)。6.做圖譜解析練習(xí)，找來(lái)這樣的資料（網(wǎng)上有不少），由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，認(rèn)真解析每組信號(hào)，比如一個(gè)H的信號(hào)為dd峰，耦合常數(shù)分別是多少？解釋為什么？化學(xué)位移為什么處在高場(chǎng)或低場(chǎng)，解釋為什么？歸屬所有的峰。7.結(jié)合自己實(shí)際工作中的圖譜，一邊做研究，一邊深化NMR知識(shí)。利用工作中的圖譜問(wèn)題，以點(diǎn)帶面，漸漸擴(kuò)展深化。8.結(jié)合專業(yè)文獻(xiàn)。9.準(zhǔn)備幾本NMR手冊(cè)和專著（可從網(wǎng)上下載）。10.常向周圍老師同事交流學(xué)習(xí)，當(dāng)然網(wǎng)上

14、討論也很好，切記不要不給圖譜而只用文字描述圖譜。圖譜學(xué)，圖譜是根本，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都反映在圖譜中。比如，你看是s峰，別人看可能是br,s峰，有時(shí)可能是like t. 還有，明明是dd峰，初學(xué)者看作q峰等等。,化合物結(jié)構(gòu)解析之前的準(zhǔn)備工作：,1. 文獻(xiàn)工作的重要性,在解析結(jié)構(gòu)過(guò)程中，首先要對(duì)各種天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類型要熟悉。推測(cè)部分結(jié)構(gòu)和化合物類型才能命中率高，說(shuō)服力強(qiáng)。,2. 分離工作的重要性： 通過(guò)各種分離技術(shù)，如柱層析、薄層層析、制備色譜等分離未知物的純樣，再用純樣作出各種譜圖，在對(duì)各種譜圖綜合分析之后，方能推斷出各種化合物的結(jié)構(gòu)。,1. 溶劑峰的識(shí)別： “常見溶劑的1H，13C在不同氘代溶劑中的化

15、學(xué)位移值”,綜合解析,常用氘代溶劑13C信號(hào)的化學(xué)位移及特征,2. 判斷化合物的純度 根據(jù)各共振峰的積分值的比例是否為整數(shù)來(lái)判斷，特別是低磁場(chǎng)處的共振峰信號(hào)。,不純物,3.綜合解析的步驟: (1)初步查看、分析各種譜圖并得出一些最明顯的結(jié)論；(2)分子式的確定；(3)確定分子中存在的官能團(tuán)；(4)以某些官能團(tuán)為出發(fā)點(diǎn)擴(kuò)大未知物分子的結(jié)構(gòu)單元；(5)利用已確定的結(jié)構(gòu)單元，組成該化合物的幾種可能結(jié)構(gòu)；(6)選擇出最可能的結(jié)構(gòu)。,在分析核磁共振氫譜時(shí)，應(yīng)注意譜儀的工作頻率。若已知譜儀的工作頻率，便可以從譜峰的分裂間距（ppm）估算出耦合常數(shù)（Hz）。 從氫譜的積分曲線，可以找出各種官能團(tuán)的氫原子數(shù)的

16、相互比例關(guān)系，在某些情況下，可以確定其具體數(shù)目（若存在可識(shí)別的甲基或可識(shí)別的取代苯環(huán)等，它們可作為計(jì)算的基準(zhǔn)）。 從氫譜可清楚地看出是否存在芳環(huán)、烯、甲氧基、亞甲基長(zhǎng)鏈等。,(1) 初步分析各種譜圖并得出一些最明顯的結(jié)論,核磁共振碳譜各譜峰高度不嚴(yán)格地反映各種碳原子的比例，但有時(shí)也可以粗略地估計(jì)譜線所代表的碳原子的數(shù)目。當(dāng)分子無(wú)任何對(duì)稱性時(shí)，碳譜中譜線的數(shù)目等于該化合物中碳原子的數(shù)目。 在解析碳譜時(shí)，應(yīng)盡可能把它和氫譜關(guān)聯(lián)起來(lái)。譬如對(duì)某一個(gè)CH2來(lái)說(shuō)，它在氫譜中有峰，在碳譜中也有峰。在大多數(shù)情況下，某含氫官能團(tuán)在氫譜中處于較高場(chǎng)位置時(shí)，該碳原子在碳譜中也處于較高場(chǎng)位置（當(dāng)然也有例外，因此準(zhǔn)確地

17、關(guān)聯(lián)二者需作選擇性去耦或異核位移相關(guān)二維譜）。通過(guò)碳譜和氫譜的關(guān)聯(lián)、比較，可以知曉碳譜中代表不只一個(gè)碳原子的某些譜線，以及它具體代表了幾個(gè)碳原子。 從碳譜化學(xué)位移的三個(gè)大區(qū)：羰基區(qū)、雙鍵區(qū)、單鍵區(qū)的譜峰很容易得出有關(guān)結(jié)構(gòu)的大量信息。,倘若用高分辨質(zhì)譜儀器做了精確質(zhì)量數(shù)的測(cè)定，分子式（甚至重要離子的元素組成式）就得到了。若沒有分子離子峰精確質(zhì)量數(shù)的數(shù)據(jù)，就只能從分子量的整數(shù)值并配合其它譜圖數(shù)據(jù)推出分子式。,(2) 分子式的確定,化合物所含碳原子的數(shù)目可以從碳譜得出。如果有DEPT等數(shù)據(jù)時(shí)，碳原子上所連氫原子的數(shù)目可以算出；由氫譜的積分曲線并以個(gè)別可識(shí)別基團(tuán)的氫原子數(shù)作為基準(zhǔn)，化合物中所含氫原子數(shù)

18、目可以算出。如碳原子上所連氫原子數(shù)目小于化合物氫原子數(shù)目，這表明化合物含活潑氫。,從氫譜和碳譜還可以推導(dǎo)出某些雜原子的存在：如從碳譜可知羰基、羧基；從氫譜可知活潑氫（相應(yīng)就有雜原子）及OCH3等。 綜上所述，從碳譜和氫譜已能確定分子中絕大部分（甚至全部）的元素組成：碳原子數(shù)、氫原子數(shù)及某些雜質(zhì)子。,取代苯環(huán)：6.58.0ppm; 110165ppm; m/z 77, 65, 51, 39; 3030, 1600, 1500 cm-1; UV250nm的吸收等。直鏈長(zhǎng)鏈烷基：1.25ppm; 29ppm; m/z 29+14n。醇：活潑氫；與氧相連的碳信號(hào)低場(chǎng)位移；M-18；3300cm-1。羰

19、基化合物：碳譜和紅外譜很重要。,(3) 確定分子中存在的官能團(tuán),氫譜的耦合裂分及化學(xué)位移值常常是找出相鄰基團(tuán)的重要線索。碳譜的值及是否表現(xiàn)出分子的對(duì)稱性對(duì)確定取代劑的相互位置也起一定的作用。質(zhì)譜主要碎片離子之間的質(zhì)量差額、亞穩(wěn)離子、重要的重排離子都可能得出基團(tuán)相互連接的信息。不飽和基團(tuán)形成大的共軛體系可以從紫外圖反映出來(lái)。在紅外圖中，某些基團(tuán)的吸收位置可反映該基團(tuán)與其它基團(tuán)相連接的信息（如羰基與雙鍵共軛時(shí)，紅外吸收頻率移向低波數(shù)）。,(4) 以某些官能團(tuán)為出發(fā)點(diǎn)擴(kuò)大未知物分子的結(jié)構(gòu)單元,如果已找出的結(jié)構(gòu)單元中的不飽和基團(tuán)已和分子的不飽和度相符，則考慮它們之間各種連接順序的可能性。若已找出的結(jié)構(gòu)單元中的不飽和度基團(tuán)的不飽和度低