核 磁 共 振 氫 譜,合成部門 2015.09.24,1. 核磁共振的基本原理 2. 核磁共振儀與實驗方法 3. 氫的化學位移 4. 各類質子的化學位移 5. 自旋偶合和自旋裂分 6. 自旋系統及圖譜分類 7. 核磁共振氫譜的解析,前言,過去60年，波譜學已全然改變了化學家、生物學家和生物醫學家的日常工作，波譜技術成為探究大自然中分子內部秘密的最可靠、最有效的手段。NMR是其中應用最廣泛研究分子性質的最通用的技術：從分子的三維結構到分子動力學、化學平衡、化學反應性和超分子集體、有機化學的各個領域。 1945年 Purcell（哈佛大學） 和 Bloch（斯坦福大學）發現核磁共振現象，他們獲得1952年Nobel物理獎 1951年 Arnold 發現乙醇的NMR信號，及與結構的關系 1953年 Varian公司試制了第一臺NMR儀器,NMR發展,近二十多年發展 高強超導磁場的NMR儀器，大大提高靈敏度和分辨率； 脈沖傅立葉變換NMR譜儀，使靈敏度小的原子核能被測定； 計算機技術的應用和多脈沖激發方法采用，產生二維譜，對判斷化合物的空間結構起重大作用。 英國R.R.Ernst教授因對二維譜的貢獻而獲得1991年的Nobel獎。 瑞士科學家庫爾特維特里希因“發明了利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法”而獲得2002年諾貝爾化學獎。,NMR譜的結構信息,化學位移 偶合常數 積分高度,1. 核磁共振的基本原理,原子核的磁矩 自旋核在磁場中的取向和能級 核的回旋和核磁共振 核的自旋弛豫,質量數與電荷數均為雙數，如C12，O16，沒有自旋現象。I=0 質量數為單數，如H1，C13，N15，F19，P31。I為半整數，1/2，3/2，5/2 質量數為雙數，但電荷數為單數，如H2，N14，I為整數，1，2 I為自旋量子數,原子核的自旋、磁矩,自旋角動量（PN），自旋量子數（I） I=0，1/2，1，3/2 磁矩（N*），核磁矩單位（N），核磁子；磁旋比（N）,自旋核在磁場中的取向和能級 具有磁矩的核在外磁場中的自旋取向是量子化的，可用磁量子數m來表示核自旋不同的空間取向，其數值可取：m =I,I-1,I-2, ,-I ，共有2I +1個取向。,I = n / 2 n = 0 , 1 , 2 , 3 - （取整數）,一些原子核有自旋現象，因而具有角動量，原子核是帶電的粒子，在自旋的同時將產生磁矩，磁矩和角動量都是矢量，方向是平行的。 哪些原子核有自旋現象？ 實踐證明自旋量子數I與原子核的質量數A和原子序數Z: A Z I 自旋形狀 NMR信號 原子核 偶數 偶數 0 無自旋現象 無 12C,16O, 32S, 28Si, 30Si 奇數 奇數或偶數 1/ 2 自旋球體 有 1H, 13C, 15N, 19F, 31P 奇數 奇數或偶數 3/2, 5/2,- 自旋惰球體 有 11B,17O,33S,35Cl,79Br,127I 偶數 奇數 1, 2, 3, - 自旋惰球體 有 2H, 10B, 14N,原子核的進動,在磁場中，原子核的自旋取向有2I+1個。各個取向由一個自旋量子數m表示。,自旋角速度，外磁場H0，進動頻率,磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯,共振條件,原子核在磁場中發生能級分裂，在磁場的垂直方向上加小交變電場，如頻率為v射，當v射等于進動頻率，發生共振。低能態原子核吸收交變電場的能量，躍遷到高能態，稱核磁共振。,核磁共振的條件: E = h v迴= h v射= h BO /2 或 v射= v迴= BO /2 射頻頻率與磁場強度Bo是成正比的，在進行核磁共振實驗時，所用的磁強強度越高，發生核磁共振所需的射頻頻率也越高。,要滿足核磁共振條件，可通過二種方法來實現：,頻率掃描（掃頻）：固定磁場強度，改變射頻頻率 磁場掃描（掃場）：固定射頻頻率，改變磁場強度 實際上多用后者。 各種核的共振條件不同，如：在1.4092特斯拉的磁場,各種核的共振頻率為： 1H 60.000 MHZ 13C 15.086 MHZ 19F 56.444 MHZ 31P 24.288 MHZ 對于1H 核，不同的頻率對應的磁場強度： 射頻 40 MHZ 磁場強度 0.9400 特斯拉 60 1.4092 100 2.3500 200 4.7000 300 7.1000 500 11.7500,核磁共振儀,分類：按磁場源分：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁場 按交變頻率分：40 ，60 ，90 ，100 ， 200 ，500，-，800 MHZ（兆赫茲），頻率越高，分辨率越高 按射頻源和掃描方式不同分：連續波NMR譜儀（CW-NMR) 脈沖傅立葉變換NMR譜儀(FT-NMR) NMR儀器的主要組成部件： 磁體：提供強而均勻的磁場 樣品管：直徑4mm, 長度15cm,質量均勻的玻璃管 射頻振蕩器：在垂直于主磁場方向提供一個射頻波照射樣品 掃描發生器：安裝在磁極上的Helmholtz線圈，提供一個附加可 變磁場，用于掃描測定 射頻接受器 ：用于探測NMR信號，此線圈與射頻發生器、掃描 發生器三者彼此互相垂直。,PFT-NMR譜儀,PFT-NMR譜儀與CW譜儀主要區別：信號觀測系統，增加了脈沖程序器和數據采集、處理系統。各種核同時激發，發生共振，同時接受信號，得到宏觀磁化強度的自由衰減信號（FID信號），通過計算機進行模數轉換和FT變換運算，使FID時間函數變成頻率函數，再經數模變換后，顯示或記錄下來，即得到通常的NMR譜圖。 FT-NMR譜儀特點： 有很強的累加信號的能力，信噪比高（600：1），靈敏度高，分辨率好（0.45Hz)?？捎糜跍y定1H, 13C, 15N ,19F, 31P等核的一維和二維譜。可用于少量樣品的測定。,2. 核磁共振儀與實驗方法,按磁場源分：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁 按交變頻率分：40兆，60兆，90兆，100兆，220兆，250兆，300兆赫茲 頻率越高，分辨率越高,交變頻率與分辨率的關系,核磁共振波譜的測定,樣品：純度高，固體樣品和粘度大液體樣品必須溶解。 溶劑：氘代試劑(CDCl3, C6D6 ,CD3OD, CD3COCD3, C5D5N ) 標準：四甲基硅烷 (CH3)4Si ，縮寫：TMS 優點：信號簡單，且在高場，其他信號在低場， 值為正值；沸點低（26。5 C)，利于回收樣品； 易溶于有機溶劑；化學惰性 實驗方法：內標法、外標法 此外還有：六甲基二硅醚（HMDC, 值為0.07ppm), 4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸鈉（DSS, 水溶性，作為極性化合物的內標，但三個CH2的 值為0.53.0ppm,對樣品信號有影響）,圖3-5 乙醚的氫核磁共振譜,3. 氫的化學位移,原子核由于所處的化學環境不同，而在不同的共振磁場下顯示吸收峰的現象。,化學等價,分子中若有一組核，其化學位移嚴格相等，則這組核稱為彼此化學等價的核。例如CH3CH2Cl中的甲基三個質子，它們的化學位移相等，為化學等價質子，同樣亞甲基的二個質子也是化學等價的質子。,化學等價,處于相同化學環境的原子 化學等價原子 化學等價的質子其化學位移相同，僅出現一組NMR 信號。 化學不等價的質子在 NMR 譜中出現不同的信號組。,例1：CH3-O-CH3 一組NMR 信號 例2：CH3-CH2-Br 二組NMR信號 例3：(CH3)2CHCH(CH3)2 二組NMR 信號 例4：CH3-CH2COO-CH3 三組NMR 信號,化學等價質子與化學不等價質子的判斷,- 可通過對稱操作或快速機制（如構象轉換）互換的質子是化學等價的。 - 不可通過對稱操作或快速機制（構象轉換）互換的質子是化學不等價的。 - 與手性碳原子相連的 CH2 上的兩個質子是化學不等價的。,對稱操作,對稱軸旋轉 其他對稱操作 （如對稱面）,等位質子,化學等價質子,對映異位質子,非手性環境為化學等價 手性環境為化學不等價,化學等價質子與化學不等價質子的判斷,化學等價質子與化學不等價質子的判斷,磁等價,分子中若有一組核，它們對組外任何一個核都表現出相同大小的偶合作用，即只表現出一種偶合常數，則這組核稱為彼此磁等價的核。例如：CH2F2中二個氫和二個氟任何一個偶合都是相同的，所以二個氫是磁等價的核，二個氟也是磁等價的核。,屏蔽效應 化學位移的根源,磁場中所有自旋核產生感應磁場，方向與外加磁場相反或相同，使原子核的實受磁場降低或升高，即屏蔽效應。,H核=HO（1-）,其中H核表示氫核實際所受的磁場，為屏蔽常數 分類：順磁屏蔽，抗磁屏蔽,化學位移的表示 ：單位ppm,標準：四甲基硅（TMS），=0，（如以表示，=10，=10+）,影響化學位移的因素,誘導效應 共軛效應 各向異性效應 Van der Waals效應 氫鍵效應和溶劑效應,誘導效應：氫原子核外成鍵電子的電子云密度產生的屏蔽效應。,拉電子基團：去屏蔽效應，化學位移左移，即增大 推電子基團：屏蔽效應，化學位移右移，即減小, /ppm,試比較下面化合物分子中 Ha Hb Hc 值的大小。,b a c, 電負性較大的原子，可減小H原子受到的屏蔽作用，引起 H原子向低場移動。向低場移動的程度正比于原子的電負 性和該原子與H之間的距離。, /ppm,由于鄰對位氧原子的存在，右圖中雙氫黃酮的芳環氫ab的化學位移為6.15ppm通常芳環氫化學位移大于7ppm。,共軛效應,各向異性效應,芳環 叁鍵 羰基 雙鍵 單鍵 在分子中處于某一化學鍵的不同空間位置上的核受到不同的屏蔽作用,這種現象稱為各向異性效應,這是因為由電子構成的化學鍵在外磁場的作用下,產生一個各向異性的附加磁場,使得某些位置的核受到屏蔽,而另一些位置上的核則為去屏蔽., 和鍵碳原子相連的H，其所受屏蔽作用小于烷基碳原子 相連的H原子。 值順序：,芳環環的上下方為屏蔽區，其它地方為去屏蔽區,叁鍵 ：鍵軸向為屏蔽區，其它為去屏蔽區。,羰基平面上下各有一個錐形的屏蔽區，其它方向（尤其是平面內）為去屏蔽區。,雙鍵,A =1.27，=0.85 B =1.23，=0.72 C =1.17，=1.01,單鍵,Van der Waals效應 當兩個質子在空間結構上非常靠近時，具有負電荷的電子云就會互相排斥，從而使這些質子周圍的電子云密度減少，屏蔽作用下降，共振信號向低磁場位移，這種效應稱為Van der Waals效應。,(ppm) () () Ha 4.68 3.92 Hb 2.40 3.55 Hc 1.10 0.88,氫鍵與化學位移 ：絕大多數氫鍵形成后，質子化學位移移向低場。表現出相當大的去屏蔽效應.提高溫度和降低濃度都可以破壞氫鍵.,如下面化合物4個羥基的均可以形成氫鍵，按照氫鍵由弱到強的順序，逐步增大。,分子內氫鍵，其化學位移變化與溶液濃度無關，取決于分子 本身結構。分子間氫鍵受環境影響較大，當樣品濃度、溫度發生變化時，氫鍵質子的化學位移會發生變化。,乙醇的羥基隨濃度增加，分子間氫鍵增強，化學位移增大,溶劑效應 ：溶劑不同使化學位移改變的效應 溶劑效應的產生是由于溶劑的磁各向異性造成或者是由于不同溶劑極性不同,與溶質形成氫鍵的強弱不同引起的.,4 各類質子的化學位移值,各類質子的化學位移值范圍,4.1 飽和碳上質子的化學位移,甲基 在核磁共振氫譜中，甲基的吸收峰比較特征，容易辨認。一般根據鄰接的基團不同，甲基的化學位移在0.74ppm之間.,亞甲基和次甲基 一般亞甲基和次甲基的吸收峰不象甲基峰那樣特征和明顯，往往呈現很多復雜的峰形，有時甚至和別的峰相重迭，不易辨認。 亞甲基（-CH2-）的化學位移可以用Shoolery經驗公式加以計算： = 0.23 + 式中常數0.23是甲烷的化學位移值，是與亞甲基相連的取代基的屏蔽常數,4.2. 不飽和碳上質子的化學位移,炔氫 叁鍵的各向異性屏蔽作用，使炔氫的化學位移出現在1.6 3.4ppm范圍內.,烯氫 烯氫的化學位移可用Tobey和Simon等人提出的經驗公式來計算： = 5.25 + Z同 + Z順 + Z反 式中常數5.25是乙烯的化學位移值，Z是同碳、順式及反式取代基對烯氫化學位移的影響參數。,芳環氫的化學位移值 芳環的各向異性效應使芳環氫受到去屏蔽影響，其化學位移在較低場。苯的化學位移為7.27ppm。當苯環上的氫被取代后，取代基的誘導作用又會使苯環的鄰、間、對位的電子云密度發生變化，使其化學位移向高場或低場移動。 芳環氫的化學位移可按下式進行計算； = 7.27 +Si 式中常數7.27是苯的化學位移，Si為取代基對芳環氫的影響.,雜環芳氫的的化學位移值 雜環芳氫的化學位移受溶劑的影響較大。一般位的雜芳氫的吸收峰在較低場,活潑氫的化學位移值 常見的活潑氫，如-OH、-NH-、-SH、-COOH等基團的質子，在溶劑中交換很快，并受測定條件如濃度、溫度、溶劑的影響，值不 固定在某一數值上，而在一個較寬的范圍內變化（表3-9）?；顫姎涞姆逍斡幸欢ㄌ卣鳎话愣?，酰胺、羧酸類締合峰為寬峰，醇、酚類的峰形較鈍，氨基，巰基的峰形較尖。用重水交換法可以鑒別出活潑氫的吸收峰，（加入重水后活潑氫的吸收峰消失）。,活潑氫的化學位移,化合物類型 （ppm） 化合物類型 （ppm）,ROH 0.55.5 RSO3H 1.11.2 ArOH(締合) 10.516 RNH2, R2NH 0.43.5 ArOH 48 ArNH2,Ar2NH 2.94.8 RCOOH 1013 RCONH2,ArCONH2 56.5 =NH-OH 7.410.2 RCONHR,ArCONHR 68.2 R-SH 0.92.5 RCONHAr, 7.89.4 =C=CHOH(締合) 1519 ArCONHAr 7.89.4,5 自旋偶合和自旋裂分,5.1 自旋-自旋偶合與自旋自旋裂分 5.2 n + 1規律 5.3 偶合常數,自旋核的核磁矩可以通過成鍵電子影響鄰近磁核是引起自旋自旋偶合的根本原因。磁性核在磁場中有不同的取向，產生不同的局部磁場，從而加強或減弱外磁場的作用，使其周圍的磁核感受到兩種或數種不同強度的磁場的作用，故在兩個或數個不同的位置上產生共振吸收峰。這種由于自旋-自旋偶合引起譜峰裂分的現象稱為自旋-自旋裂分（Spin-Spin Splitting）。,n +1規律： 當某組質子有n個相鄰的質子時，這組質子的吸收峰將裂分成n +1重峰。 n數 二項式展開式系數 峰形 0 1 單峰 1 1 1 二重峰 2 1 2 1 三重峰 3 1 3 3 1 四重峰 4 1 4 6 4 1 五重峰 5 1 5 10 10 5 1 六重峰,嚴格來說, n+1規律應該是2nI+1規律,對氫原子核(H1)來說,因它的I=1/2, 所以就變成了規律.,n + 1規律只適合于互相偶合的質子的化學位移差遠大于偶合常數，即vJ時的一級光譜。而且在實際譜圖中互相偶合的二組峰強度還會出現內側高，外側低的情況，稱為向心規則。利用向心規則，可以找到吸收峰間互相偶合的關系。,5.3 偶合常數,偶合常數(用J表示)也是核磁共振譜的重要數據，它與化合物的分子結構關系密切。偶合常數的大小與外磁場強度無關。由于磁核間的偶合作用是通過化學鍵成鍵電子傳遞的，因而偶合常數的大小主要與互相偶合的二個磁核間的化學鍵的數目及影響它們之間電子云分布的因素（如單鍵、雙鍵、取代基的電負性、立體化學等）有關。 偶合常數,單位為赫(Hz) 對于氫譜，根據偶合質子間相隔化學鍵的數目可分為同碳偶合（2J），鄰碳偶合（3J）和遠程偶合（相隔4個以上的化學鍵）。一般通過雙數鍵的偶合常數（2J，4J等）為負值，通過單數鍵的偶合常數（3J，5J等）為正值。,同碳質子的偶合常數（2J，J同） 以2J或J同表示，2J一般為負值，但變化范圍較大 影響2J的因素主要有： 取代基電負性會使2J的絕對值減少，即向正的方向變化。 對于脂環化合物，環上同碳質子的2J值會隨鍵角的增加而減小，即向負的方向變化。烯類化合物末端雙鍵質子的2J一般在+3-3Hz 之間，鄰位電負性取代基會使2J向負的方向變化.,鄰碳質子的偶合常數（3J, J鄰）,飽和型鄰位偶合常數； 烯型鄰位偶合常數,飽和型鄰位偶合常數,在飽和化合物中，通過三個單鍵（H-C-C-H）的偶合叫飽和型鄰位偶合。開鏈脂肪族化合物由于鍵自由旋轉的平均化，使3J數值約為7Hz。3J的大小與雙面夾角、取代基電負性、環系因素有關。,烯型鄰位偶合常數,烯氫的鄰位偶合是通過二個單鍵和一個雙鍵（H-C=C-H）發生作用的。由于雙鍵的存在，反式結構的雙面夾角為180o，順式結構的雙面夾角為0o，因此J反大于J順.,芳氫的偶合常數,芳環氫的偶合可分為鄰、間、對位三種偶合，偶合常數都為正值， 鄰位偶合常數比較大，一般為6.09.4 Hz(三鍵)， 間位為0.83.1Hz（四鍵）， 對位小于0.59Hz（五鍵）。 一般情況下，對位偶合不易表現出來。苯環氫被取代后，特別是強拉電子或強推電子基團的取代，使苯環電子云分布發生變化，表現出J鄰、J間和J對的偶合，使苯環質子吸收峰變成復雜的多重峰。,遠程偶合,超過三個鍵的偶合稱為遠程偶合(long-range coupling)，如芳烴的間位偶合和對位偶合都屬于遠程偶合。遠程偶合的偶合常數都比較小，一般在03Hz之間。常見的遠程偶合有下列幾種情況： 丙烯型偶合 高丙烯偶合 炔及迭烯 折線性偶合 W型偶合,質子與其他核的偶合,質子與其它磁性核如13C 、19F、31P的偶合,6 自旋系統及圖譜分類,核的等價性質 化學等價： 磁等價 快速機制 自旋系統的分類 圖譜的分類 幾種常見的自旋系統,化學等價和磁等價 化學等價：化學位移嚴格相等的核稱為化學等價核，指化學位移相同的原子核。 磁等價：一組核對組外任何核表現出相同大小的偶合作用，即只表現出一個偶合常數，著組核稱為磁等價核。 磁全同：既化學等價又磁等價的原子核，稱為磁全同核 。,自旋系統的分類,自旋系統的定義 把幾個互相偶合的核，按偶合作用的強弱，分成不同的自旋系統，系統內部的核互相偶合，但不和系統外的任何核相互作用。系統與系統之間是隔離的.,磁不等價的情況,1. 單鍵帶有雙鍵性時會產生不等價質子， R-CO-N(CH2CH3)2, 2個CH2 會出現2組四重峰， 2個CH3會出現復雜的多重峰（ 2組三重峰的重疊） 2. 雙鍵同碳質子具有不等價性 H2C=CHR 3. 單鍵不能自由旋轉時，也會產生不等價質子， BrCH2CH(CH3)2 有三種構象，室溫下C-C快速旋轉，CH2上2個質子是等價的，但在低溫下C-C不能快速旋轉， CH2上2個質子所處的環境有差別而成為不等價質子。 4. 與不對稱碳相連的CH2, 2個質子是不等價的 5. 固定在環上的CH2, 2個質子是不等價，甾體環 6. 苯環上化學環境相同的質子可能磁不等價,自旋系統的命名,分子中兩組相互干擾的核，它們之間的化學位移差小于或近似于偶合常數J時，則這些化學位移近似的核分別以A、B、C字母表示。若其中某種類的磁全同的核有幾個，則在核字母的右下方用阿拉伯字母寫上標記，如Cl-CH2-CH2-COOH中間二個CH2構成A2B2系統。 分子中兩組互相干擾的核，它們的化學位移差遠大于它們之間的偶合常數（J），則其中一組用A、B、C表示，另一組用x、y、z表示。 若核組內的核為磁不等價時，則用A、A、B、B加以區別。,圖譜的分類,核磁共振圖譜可分為一級譜圖和二級圖譜，或稱為初級圖譜和高級圖譜。,一級圖譜： 條件： / J 6 組內各個質子均為磁全同核 特點：1。磁全同質子之間，雖然 J0，但對圖譜不發生影響 Cl-CH2CH2Cl 只表現出一個峰 2。裂分后峰的數目,符合n+1規律（對于I=1/2的核) 3。 多重峰的中心即為化學位移值 4。 峰型大體左右對稱，各峰間距離等于偶合常數J 5。 各裂分峰 的強度比符合(a+b)n展開式各項系數比,一級自旋-自旋裂分規則,當I=1/2時，自旋裂分峰數目服從n+1規則。 1. n+1規則：當某基團上的氫有n個相鄰的氫時，它將顯示n+1個峰，各峰的高度比基本為二項式的各項系數比,若這些相鄰的氫處在不同的環境中時，（如一種環境中氫n個，另一種環境中氫n個），則裂分峰將顯示（n+1）（n+1）個峰。則應考慮偶合常數的大小。 對如下結構：,以Hd為觀察核：