核磁共振波谱法.docx

1、核磁共振波谱法第四章 核磁共振波谱法核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance NMR)波谱学是近几十年发展的一门新学科。1945年以FBlock和EMPurcell为首的两个研究小组分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号，为此他们荣获1952年Nobe1物理奖。今天，核磁共振已成为化学、物理、生物、医药等研究领域中必不可少的实验工具，是研究分子结构、构型构象、分子动态等的重要方法。 第一节 核磁共振基本原理一、核的自旋运动和NMR现象（一）原子核的自旋与原子核的磁矩 核磁共振研究的对象是具有磁矩的原子核。原子核是由质子和中子组成的带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩。但并

2、非所有同位素的原子核都具有自旋运动，只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。 原子核的自旋运动与自旋量子数I相关。量子力学和实验均已证明，I与原子核的质量数(A)、核电荷数(Z)有关。I为零、半整数、整数。 A为偶数、Z为偶数时，I0。如12C6，16O8，32S16等。 A为奇数、Z为奇数或偶数时，I为半整数。如1H1，13C6，15N7，19F9，31P15等I = 1/2；11B5，33S16，35C117，37C117，81Br35等I 32；17O8，25Mg12,27Al13等I 52。 A为偶数、Z为奇数时，I为整数。如2H1，6Li3,14N7等I 1；58Co27等I = 2;1

3、0B5等I 3。I 0的原子核，都具有自旋现象，其自旋角动量（P）为P = h/2 I( I + 1)，h为普朗克常数 6.624 10-34 J.S 具有自旋角动量的原子核也具有磁矩，与P的关系如下： P 称磁旋比(magnetogyric ratio)。同一种核, 为常数。如1H： 2.6752 108rad T-1S-1)；13C： 6.728(107rad T-1S-1)；T =104高斯。 值可正可负，是核的本性所决定。 I = 1/2的原子核是电荷在核表面均匀分布的旋转球体。核磁共振谱线较窄，最适宜于核磁共振检测，是NMR研究的主要对象。如1H，13C；19F，31P等。 I 1/

4、2的原子核是电荷在核表面非均匀分布的旋转椭球体。 (二) 核磁共振根据量子力学理论，磁性核（I 0）在外加磁场（B0）中的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I + 1）种取向。可由磁量子数m表示。mI，I - 1，(-I + 1)、-I。1H：I = 1/2， m+1/2，-1/214N：I = 1， m+1，0，-1核的自旋角动量（P）在Z轴上投影Pz也只能取不连续的数值。Pz = h/2m 与Pz相应的核磁矩在Z轴上的投影z, z = Pz = h/2m磁矩与磁场相互作用能为E, E = - zB0 E(+1/2) = - zB0 = - (+1/2)h/2B0E(-1/2) = -

5、zB0 = - (-1/2)h/2B0 由量子力学的选律可知, 只有m = 1的跃迁才是允许的跃迁。所以相邻两能级间的能量差为： E = E(-1/2) - E(+1/2) = h/2B0上式表明， E 与外加磁场B0的强度有关， E随B0场强的增大而增大。 在Bo中，自旋核绕其自旋轴(与磁矩方向一致)旋转，而自旋轴既与Bo场保持一夹角又绕B0场进动，称Larmor进动，类似于陀螺在重力场中的进动，核的进动频率由下式决定： = 20 = B0 若在与B0垂直的方向上加一个交变场B1(称射频场)，其频率为1。当1 = 0时，自旋核会吸收射频的能量，由低能态跃迁到高能态(核自旋发生倒转)，这种现象

6、称为核磁共振吸收。 = B0/2 同一种核，为一常数，B0场强度增大，其共振频率也增大。对于1H，当B014TG时， 60MHz；当B023TG时， 100MHz(1 TG = 104高斯，1MHz106赫兹) B0相同，不同的自旋核因值不同，其共振频亦不同。如 B0 = 23TG时，1H（100MHz），19F （94 MHz），31P（405MHz），13C（25MHz）。（三） 弛豫过程当电磁波的能量（hv）等于样品某种能级差E时，分子可以吸收能量，由低能态跃迁到高能态。高能态的粒子可以通过自发辐射放出能量，回到低能量，其几率与两能级能量差E成正比。一般的吸收光谱，E较大，自发辐射相当有

7、效，能维持Boltzmann分布。但在核磁共振波谱中，E非常小，自发辐射的几率几乎为零。想要维持NMR信号的检测，必须要有某种过程，这个过程就是弛豫过程。即高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态，重建Boltzmann分布的过程。根据Boltzmann分布，低能态的核（N+）与高能态的核（N-）的关系可以用Boltzmann因子来表示：N+/ N- = eE/KT 1 + E/KTE 为两能级的能量差，K为Boltzmann常数，T为绝对温度。对于1H核，当T = 300K时，N+/ N- 1.000009.对于其它核，值较小，比值会更小。因此在NMR中，若无有效的弛豫过程，饱和过程容易发

8、生。 有两种弛豫过程即，自旋-晶格弛豫和自旋自旋弛豫。 自旋-晶格弛豫：体系通过自旋-晶格弛豫过程而达到自旋核在B0场中自旋取向的Boltzmann分布所需的特征时间（半衰期）用T1表示，T1称为自旋晶格弛豫时间。 自旋-自旋弛豫：自旋-自旋弛豫反映核磁矩之间的作用。高能态的自旋核把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋态的核数目不变，总能量不变。自旋-自旋弛豫时间（半衰期）用T2表示，液体样品T2约为1秒，固体或高分子样品T2较小，约10-3秒。共振时，自旋核受射频场的相位相干作用，使宏观净磁化强度偏离z轴，从而在X-Y平面上非均匀分布。自旋-自旋弛豫过程是通过自旋交换，使偏离Z轴的净磁

9、化强度MXY回到原来的平衡零值态（即在X-Y平面上均匀分布）。故自旋-自旋弛豫又称横向弛豫。第二节 化学位移一、化学位移的产生 （一）电子屏蔽效应 在外磁场B0中，不同的氢核所感受到B0是不同的，这是因为氢核外围的电子在与外磁场垂直的平面上绕核旋转的同时产生一个与外磁场相对抗的感生磁场。感生磁场对外加磁场的屏蔽作用称为电子屏蔽效应。感生磁场的大小与外核场的强度有关，用B0表示，称屏蔽常数。 的大小与核外电子云的密度有关。核外电子云密度越大，就越大，B0也就越大。在B0中产生的与B0相对抗的感生磁越强，核实际感受到的B0(称有效磁场，用Beff表示)就越弱。可表示如下： Beff = B0 -

10、B0 = B0(1 - )氢核外围电子云密度的大小，与其相邻原子或原子团的亲电能力有关，与化学键的类型有关。如CH3-Si，氢核外围电子云密度大，B0大，共振吸收出现在高场；CH3-O，氢核外围电子云密度小，B0亦小；共振吸收出现在低场。 （二）化学位移 同一分子中不同类型的氢核；由于化学环境不同，其振动频率亦不同。其频率间的差值相对于B0或0来说，均是一个很小的数值，仅为0的百万分之十左右。对其绝对值的测量，测量，难以达到所要求的精度，且因仪器不同（导致B0不同）其差值亦不同。例如60 MHz谱仪测得乙基苯中CH2、CH3的共振吸收频率之差为852 Hz，100 MHz的仪器上测得为142

11、Hz。 为了克服测试上的困难和避免因仪器不同所造成的误差，在实际工作中，使用一个与仪器无关的相对值表示。即以某一标准物质的共振吸收峰为标准（B标或标），测出样品中各共振吸收峰（B样或样）与标样的差值B或（可精确到1Hz），采用无因次的值表示，值与核所处的化学环境有关，故称化学位移。 = B/B标 106 ； = /标 106 ，标与0相差很小， = /0 1060为仪器的射频频率，可直接测得，为前者百万分之一。对与1H NMR，值为0-20 ppm，60 MHz的仪器，1ppm60Hz，100 MHz的仪器，1ppm100Hz。二、化学位移的表示标准样品：最理想的标准样品是(CH3)4Si,简

12、称TMS。TMS有12个化学环境相同的氢，在NMR中给出 尖锐的单峰易辨认。NMR与一般有机化合物相比，氢核外围的电子屏蔽作用较大，共振峰位于高场端，对一般化合物的吸收不产生干扰。TMS化学性质稳定，沸点27 C,一般不与待测样品反应，且又易于从测试样品中分离出，还具测有与大多数有机溶剂混溶的特点。1970年，国标纯粹与应用化学协会（IUPIC）建议化学位移采用值,规定TMS为0 ppm, TMS左侧为正值，右侧值为负。早期文献报道化学位移有采用值的，与之间的换算式如下：10 - TMS作内标，通常直接加到待测样品溶液中。 核磁共振氢谱图示 NMR谱仪都配备有自动积分仪，对每组峰的峰面积进行自

13、动积分，在谱中以积分高度显示。各组峰的积分高度之简比，代表了相应的氢核数目之比。 记录NMR谱的图纸已打印好刻度。三、影响化学位移的因素影响化学位移的因素很多：（一） 屏蔽效应s电子的屏蔽效应效大，p、d电子产生顺磁屏蔽，使磁核的共振信号峰向低场移动，因此，外转有p、d电子云的磁核其NMR信号在图谱上的范围，比氢谱宽几十倍。（二） 诱导效应和共轭效应1、诱导效应 电负性取代基降低氢核外围电子云密度，其共振吸收向低场位移，值增大。 值得注意的是，诱导效应是通过成键电子传递的，随着与电负性取代基距离的增大，诱导效应的影响逐渐减弱，通常相隔3个以上碳的影响可以忽略不计。例如： CH3Br CH3CH

14、2Br CH3CH2CH2Br CH3(CH2)2CH2Br (ppm)： 268 165 194 092、 共轭效应苯环上的氢被推电子基（如CH3O）取代，由于p-共轭，使苯环的电子云密度增大，值高场位移。拉电子基（如C=O，NO2）取代，由于-共轭，使苯环的电子云密度降低，值低场位移。与碳-碳双键相连时有类似的影响。（三）各向异性效应 分子中氢核与某一功能基的空间关系会影响其化学位移值，这种影响称各向异性。如果这种影响仅与功能基的键型有关，则称为化学键的各向异性。是由于成键电子的电子云分布不均匀性导致在外磁场中所产生的感生磁场的不均匀性引起的。 叁键：炔氢与烯氢相比， 值应处于较低场，但事

15、实相反。这是因为电子云以圆柱形分布，构成简状电子云，绕碳-碳键而成环流。产生的感生磁场沿键轴方向为屏蔽区，炔氢正好位于屏蔽区。乙炔： 180 ppm。 双键：电子云分布于成键平面的上、下方，平面内为去屏蔽区。与烯碳相连的氢位于成键的平面内（处于去屏蔽区），较炔氢低场位移。乙烯：525 ppm。 芳环体系：随着共轭体系的增大，环电流效应增强，即环平面上、下的屏蔽效应增强，环平面上的去屏蔽效应增强。苯氢较烯氢位于更低场(727 ppm)。单键：碳-碳单键的电子产生的各向异性较小。随着CH3中氢被碳取代，去屏蔽效应增大。所以CH3-，-CH2-，-CH中质子的值依次增大。四、氢键形成氢键，质子受屏蔽

16、作用小，在较低场发生共振。五、质子交换活泼氢的交换速度：OH NH SH现象：（1）与邻近质子不发生自旋偶合裂分 （2）用重水作溶剂时，不再显示吸收峰。（六）溶剂效应一般化合物在CCl4或CDCl3中测得的NMR谱重复性较好，在其它溶剂中测试，值会稍有所改变，有时改变较大。这是溶剂与溶质间相互作用的结果。这种作用称溶剂效应。四、化学位移与分子结构的关系1 烷烃 = 0-1.8; 连接O、N、卤素等原子：1.8-3.02烯烃 = 5-6；3芳氢 = 7 4炔氢 = 23 ppm 5活泼氢常见的活泼氢如-OH，-NH2，-SH，由于它们在溶剂中质子交换速度较快，并受浓度、温度、溶剂的影响，值变化范

17、围较大，下表列出各种活泼氢的值大致范围供参考。一般说来，酰胺类、羧酸类缔合峰均为宽峰，有时隐藏在基线里；可从积分高度判断其存在。醇、酚峰形较钝，氨基、巯基峰形较尖。活泼氢的化学位移化合物类型 (ppm)化合物类型 (ppm)醇0.5-5.5RSH, ArSH1-4酚4-8RSO3H11-12酚（内氢键）10.5-16RNH20.4-3.5烯醇15-19ArNH22.9-4.8羧酸10-13RCONH2, ArCONH25-7肟7-10RCONHR,ArCONHR6-86 醛9 107 氘代溶剂的干扰峰 溶解样品的氘代试剂总有残留氢存在。在1H NMR谱图解析中，要会辨认其吸收峰，排除干扰。常用

18、氘代试剂残留氢的值如下： 氘代试剂 CDCl3 CDCN CD3OD CD3CCD3 CD3SOCD3 D2O (ppm) 727 200 33 21 25 47 45(OH) 27(水) 31(水) 常用普通溶剂中氢的干扰范围视，样品中溶剂的含量而定(含量高，干扰范围宽)，其化学位移可参考氘代溶剂的值。 第三节 偶合与分裂一、自旋自旋偶合自旋核与自旋核之间的相互作用称自旋自旋偶合，简称自旋偶合。1，1，2-三氯乙烷的1H NMR谱， 395，577 ppm处出现两组蜂，二者积分比(2：1)等于质子数目比，分别对应于CH2C1、CHCl2。CH2为双降，CH为三重峰，峰间距为6Hz。（一）核的

19、等价性1 化学等价核分子中有一组氢核，它们的化学环境完全相等，化学位移也严格相等，则这组核称为化学等价的核。如反式1，2二氯环丙烷中Ha与Hb，Hc与Hd分别为等价质子。2 磁等价分子中有一组化学位移相同的核，它们对组外任何一个核的偶合相等，只表现出一种偶合常数，则这组核称为磁等价核。如苯乙酮中CH3的三个氢核既是化学等价，又是磁等价的。苯基中两个邻位质子(Ha，Ha)或两个间位质子(Hb，Hb)分别是化学等价的，但不是磁等价的，因Ha与Ha化学环境相同，但对组外任意核Hb，Ha与其是邻位偶合，而Ha与其是对位偶合，存在两种偶合常数，故磁不等价。 在1，1-二氟乙烯中，两个氢核和两个氟核分别都

20、是化学等价的，在化学性质上毫无区别，具有相同的化学位移，但它们又分别是磁不等价的。对任意一个氟核(Fa)，Ha与其顺式偶合，而Hb与其反式偶合； 核的等价性与分子内部基团的运动有关。分子内部基团运动较快，使本来化学等价但磁不等的核表现出磁等价，其之间的偶合表现不出来。分子内部基团运动较慢，即使化学等价的核，其磁不等价性在谱图中也会反映出来。 环己烷中十二个氢核为两种不同环境的氢(直立氢和平伏氢)，常温下，由于分子内运动很快，直立氢和平伏氢相互变换也很快。 Ha与Hb处于一种平均环境中，从而出现个单峰。当温度降低到-100 C时，随着分子内部运动速度降低，环的翻转速度明显变慢，Ha与Hb的不等位

21、性表现出来，1H NMR谱中出现双峰，对应于Ha与Hb。既化学等价又磁等价的核称磁全同的核，磁全同核之间的偶合不必考虑。（二）自旋偶合机制 以1，1，2-三氯乙烷为例：双峰和叁重峰的出现是由于相邻的氢核在外磁场Bo中产生不同的局部磁场且相互影响造成的。CHCl2中的1H在Bo()中有两种取向，与Bo同向()和与B0反向()，粗略认为二者几率相等。同向取向使CH2C1的氢感受到外磁场强度稍稍增强，其共振吸收稍向低场(高频)端位移，反向取向使CH2C1的氢感受到的外磁场强度稍稍降低。其共振吸收稍向高场(低频)端位移，故CH使CH2裂分为双蜂。同样分析，CH2C1中的2H在Bo中有三种取向，2H与B

22、0同向()，1H与B0同向，另1H与B0反向(，)，2H都与B0反向()，出现的几率近似为1：2：1，故CH2在B0中产生的局部磁场使CH裂分为三重峰。（三）偶合常数 根据Pauling原理(成键电子对的自旋方向相反)和Hund规则(同一原子成键电子应自旋平行)及对应的电子自旋取向与核的自旋取向同向时，势能稍有升高，电子的自旋取向与核的自旋取向反向时，势能稍有降低，以HaCCHb为例分析。无偶合时Hb有一种跃迁方式，所吸收的能量为E(E hb)，在Ha的偶合作用下，Hb有两种跃迁方式，对应的能量分别为E1, E2。E1 = h (b - J/2) = h1E2 = h (b + J/2) =

23、h22 - 1 = Jab 在Hb的偶合作用下，Ha也被裂分为双峰，分别出现在(a - J2)和(a + J2)处，峰间距等于Jab，J为偶合常数。 所以自旋-自旋偶合是相互的，偶合的结果产生谱线增多，即自旋裂分。偶合常数(J)是推导结构的又一重要参数。在1H NMR谱中，化学位移()提供不同化学环境的氢。积分高度(h )代表峰面积，其简比为各组氢数目之简比。裂分蜂的数目和J值可判断相互偶合的氢核数目及基团的连接方式。1 同碳偶合是指间隔2个单键的偶合，同碳上质子间的偶合(Ha-C-Hb)称同碳偶合，偶合常数用2JHH。2邻位偶合邻位碳上质子间的偶合（HaCCHb）称邻位偶合，偶合数用3JHH

24、表示。3远程偶合大于叁键的偶合称远程偶合。大部分链状化合物，由于分子内部的快速运动，表现出磁全同，尽管可以利用某些特殊的实验方法(如同位素取代)测出它们之间的偶合常数，但在谱图中并不表现出裂分。2J主要受取代基电子效应的影响和键角的影响。二、一级谱分子中核之间相互作用时，仅产生简单的裂分行为，且两组偶合核之间的化学位移之差远小于它们之间的偶合常数，即/J 6。（一）一级谱的几个特征（1） 磁全同的质子只有偶合，但不出现裂分，在NMR上只出现单峰。如OCH3。（2） 相邻质子偶合所具有的裂分数，由相邻质子数目决定，即n + 1 规律：某组环境完全相等的n个核(I12)，在Bo中共有(n + 1)

25、种取向，使与其发生偶合的核裂分为(n + 1)条峰。这就是n + 1 规律，概括如下： 某组环境相同的氢若与n个环境相同的氢发生偶合，则被裂分为(n + 1)条峰。 某组环境相同的氢，若分别与n个和m个环境不同的氢发生偶合；且J值不等，则被裂分为(n + 1)( m + 1)条峰。如高纯乙醇，CH2被CH3裂分为四重蜂，每条峰又被OH中的氢裂分为双峰，共八条峰(3 + 1)(1 + 1) 8。 实际上由于仪器分辨有限或巧合重叠，造成实测峰的数目小于理论值。 （3）只与n个环境相同的氢偶合时，裂分峰的强度之比近似为二项式(a + b)n展开式的各项系数之比。 这种处理是一种非常近似的处理，只有当

26、相互偶合核的化学位移差值 J时，才能 成立。 （4）在实测谱图中，相互偶合核的二组峰的强度会出现内侧峰偏高。外侧峰偏低。 越小内侧峰越高，这种规律称向心规则。利用向心规则，可以找出NMR谱中相互偶合的峰。（5）谱线以化学位移为中心，左右对称；相互偶合的质子，持有相同的偶合常数，即裂分线之间的距离相等。例3 CH3CH2CH2Br例4 Cl-CH2CH2Cl例5 Cl-CH2-O-CH3（二）几种常见的一级偶合系统1 自旋系统的符号高场A、B、C较低场：X、Y、Z另一种质子：M2 AX系统如：CHI2CHCl23 AX2系统如：CHI2CH2Cl4 A2X2系统如：CH2ICH2Cl5 A3M2

27、X2系统如：CH3CH2CH2Cl第四节 核磁共振谱仪和实验技术 NMR波谱仪按磁体可以分为永久磁体、电磁体和超导磁体。按射频频率(1H核的共振频率)可分为60，80，90，100，200，300，400，MHz等。按射频源又可分为连续波波谱仪(CW-NMR)和脉冲博里叶变换波谱仪(PFT-NMR)。 1 连续波波谱仪(Continual wave-NMR)CW-NMR目前有60MHz、90 MHz等通用型谱仪；对化学工作者的例行测试带来极大的方便，其示意图见下图： 磁体：产生均匀而稳定的磁场(B0)。磁体两极的狭缝间放置样品管(内装溶解好的待测样品)，样品管以每秒40-60周的速度旋转，使待

28、测样品感受到的磁场强度平均化。 射频源：在与外磁场垂直的方向上，绕样品管外加有射频振荡线圈，固定发射与B0相匹配的射频(如60MHz、90MHz)。射频功率可供选择，既使待测核有效地产生核磁共振，又不会出现饱和现象，通常或 = 005 mG(毫高斯)。 围绕样品管的线圈，除射频振荡线圈外，还有接收线圈，二者互相垂直，并与B。场垂直，互不干扰。在记录图谱时，由Helmholtz连续改变磁场强度，由低场至高场扫描，这种扫描方式称扫场(Field-Sweep)，若改变射频频率的方式扫描称扫频(Frequency-Sweep)。当满足于某种核的共振频率时，产生NMR吸收。接收器、扫描器同时与记录系统相

29、连。记录下NMR谱。 发射线圈和接收线圈紧密地缠绕在称做探头的小装置里，在两磁极间紧贴在样品管的周围。探头是NMR的心脏。 CW-NMR价廉、稳定、易操作，但灵敏度低，需要样品量大（10-50 mg）。只能测天然丰度高的核(如1H，19F，31P)，对于13C这类天然丰度极低的核，无法测试。 2 脉冲Fourier变换波谱仪 PFT-NMR波谱仪在CW-NMR谱仪上增添两个附加单元，即脉冲程序器和数据采集及处理系统。PFT-NMR波谱仪使所有待测核同时激发（共振）、同时接收。均由计算机在很短的时间内完成。脉冲程序控制器使用一个周期性的脉冲序列来间断射频发射器的输出。脉冲是一强而短的频带，是理想

30、的射频源，调节所选择的射频脉冲序列，脉冲宽度可在1-50s围变化。脉冲发射时，待测核同时激发；脉冲终止时，及时准确地启动接收系统。待被激发的核通过弛豫过程返回到平衡位置时再进行下一个脉冲的发射。 接收器接收到的自由感应衰减信号(FID)是时域函数，记作F(t)，通过Fourier变换运算，转换为频域函数F()。 PFT-NMR有很大的累加倍号的能力。对于13C NNM，收集一个FID信号通常约为1秒，若累加n次，则信噪比（S/N）可提高n所得的总的FID信号进行Fourier变换仅需几秒钟即可完成，所以PFT-NMR灵敏度很高，可测天然丰度极低的核(如13C)，能记下瞬间的信息对研究反应动态极

31、为有利。还能测弛豫时间，这些都是CW-NMR所不能及的。第五节 核磁共振氢谱解析及应用一、 1H NMR谱解析一般程序 1识别干扰峰及活泼氢峰 2推导可能的基因有分子式的计算UN，无分子式的根据MS及元素分析求得分子式。计算各组峰的质子最简比。 例如，某化合物分子式C14H14，1HNMR出现两组峰；积分简比为5：2，则质子数目之比为10：4，表明分子中存在对称结构。 判断相互偶合的峰： 判断自旋系统 分析1H NMR谱各组峰的范围，质子数目及峰形，判断可能的自旋系统。 识别特征基团的吸收峰： 根据值，质子数目及一级谱裂分峰形可识别某些特征团的吸收峰。 3确定化合物的结构 二、 1H NMR谱解析实例例 1化合物分子式C10H12O，1H NMR谱见图338，推导其结构。解：分子式C10H12O，UN5，化合物可能含有苯基，C=