研究生核磁共振氫譜

1、波譜解析 UV（紫外）、IR（紅外）、 NMR（核磁共振）、MS（質譜）核磁共振氫譜核磁共振氫譜(1H Nuclear Magnetic Resonance Spectra,1H NMR) 從從1946年年F.Bloch和和E.M.Pucell等發(fā)現(xiàn)核磁共等發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象至今，已過去了振現(xiàn)象至今，已過去了60多年。經過半個世紀多年。經過半個世紀的不懈努力，核磁共振不論在理論方面還是在的不懈努力，核磁共振不論在理論方面還是在技術方面，都取得了迅速發(fā)展。在藥學、化學、技術方面，都取得了迅速發(fā)展。在藥學、化學、生物學和醫(yī)學等學科中廣泛應用，是有機藥物生物學和醫(yī)學等學科中廣泛應用，是有機藥物結構測定

2、的最有效的工具之一。結構測定的最有效的工具之一。 核磁共振譜核磁共振譜“NMRNMR”是一種能譜。原子核在磁是一種能譜。原子核在磁場中產生能量裂分，形成能級，是核磁共振測定場中產生能量裂分，形成能級，是核磁共振測定的基本依據(jù)。確切地說，的基本依據(jù)。確切地說，在一定頻率的電磁波照在一定頻率的電磁波照射下，樣品（特定結構環(huán)境）中的原子核實現(xiàn)共射下，樣品（特定結構環(huán)境）中的原子核實現(xiàn)共振躍遷。掃描并記錄發(fā)生共振的信號位置、強度振躍遷。掃描并記錄發(fā)生共振的信號位置、強度和形狀，便得到和形狀，便得到NMRNMR譜。根據(jù)測定的圖譜中峰位譜。根據(jù)測定的圖譜中峰位和峰形，可以判定有機藥物分子中氫和碳所在基和峰

3、形，可以判定有機藥物分子中氫和碳所在基團的結構；根據(jù)峰強度，可以判定共振核的數(shù)目。團的結構；根據(jù)峰強度，可以判定共振核的數(shù)目。常用核磁共振儀的磁場強度為常用核磁共振儀的磁場強度為1.41.4特斯拉特斯拉16.316.3特斯拉，照射電磁波為特斯拉，照射電磁波為60MHz60MHz至至700MHz700MHz核自旋核自旋, , 核磁矩核磁矩原子核是帶正電的微粒（由質子原子核是帶正電的微粒（由質子 + +中子組中子組成），大多數(shù)原子核都具有自旋現(xiàn)象。成），大多數(shù)原子核都具有自旋現(xiàn)象。 核的自旋現(xiàn)象，用自旋量子核的自旋現(xiàn)象，用自旋量子I I表示，表示，I I值與原值與原子核的質量子核的質量A A和核電

4、荷數(shù)（質子數(shù)或原子序數(shù)）和核電荷數(shù)（質子數(shù)或原子序數(shù)）Z Z有關有關質量質量（A A）原子序數(shù)原子序數(shù)（Z Z）I奇奇奇或偶奇或偶半整半整數(shù)數(shù)I=1/2,3/2,5/2 偶偶奇奇整數(shù)整數(shù)I= 1, 2偶偶偶偶0I=0I=1/2: 1H1 13C6 15N7 19F9 31P15 57Fe26 77Se34 195Pt78 199Hg80 I=3/2: 7Li3 9Be4 11B5 23Na11 33S16 39K19 63Cu29 65Cu29 35Cl17 37Cl17 79Br35 81Br35 .I=5/2: 17O8 25Mg12 27Al13 55Mn25 67Zn30 I=1: 2

5、H1 6Li3 14N7 I=2: 58Co27 I=3: 10B5 I=0: 12C6 16O8 32S16根據(jù)磁核的自旋量子數(shù)根據(jù)磁核的自旋量子數(shù)I I，可以把磁核分成，可以把磁核分成兩大類。一類是兩大類。一類是I I1/21/2的磁核；而另一類則的磁核；而另一類則是是I I1/21/2的磁核。然而目前只有的磁核。然而目前只有I I1/21/2的一的一些磁核的共振信號有實際用途，其中最常見些磁核的共振信號有實際用途，其中最常見的有的有1 1H H、1919F F、1313C C、3131P P、1515N N等磁核。一般條等磁核。一般條件下，只有件下，只有1 1H H和和1919F F的的

6、NMRNMR信號容易得到，因信號容易得到，因為它們的自然豐度和靈敏度都很高，而且為它們的自然豐度和靈敏度都很高，而且1 1H H又是有機藥物的重要元素之一。又是有機藥物的重要元素之一。核磁共振儀核磁共振儀磁體：永久磁體、電磁體、超導磁體磁體：永久磁體、電磁體、超導磁體射頻場射頻場(Radio Frequency Transmitter)(Radio Frequency Transmitter)連續(xù)波連續(xù)波NMRNMR： Continual Wave-NMR(CW-NMRContinual Wave-NMR(CW-NMR) )( (探頭探頭probe, probe, 勻場系統(tǒng)勻場系統(tǒng), , 掃描

7、系統(tǒng)掃描系統(tǒng)Field-Sweep)Field-Sweep)(Frequency-Sweep(Frequency-Sweep， 記錄系統(tǒng)記錄系統(tǒng)) ) 核磁共振氫譜圖示核磁共振氫譜圖示S un A pr 02 15:27:55 2000: (untitled)W 1: 1H A xis = ppm S c ale = 28.66 H z/ c m10.0009.6009.2008.8008.4008.0007.6007.2006.8006.4006.0005.600OOCHO一、化學位移（確定峰位的重要參數(shù)）一、化學位移（確定峰位的重要參數(shù)）由于化學環(huán)境的差異導致的同類磁核在核磁共振實驗由于化

8、學環(huán)境的差異導致的同類磁核在核磁共振實驗中表現(xiàn)的共振信號出現(xiàn)在不同的位置，稱中表現(xiàn)的共振信號出現(xiàn)在不同的位置，稱化學位移化學位移，因為核外電子云和磁核鄰近的成鍵電子在外磁場（因為核外電子云和磁核鄰近的成鍵電子在外磁場（H H0 0）的作用下可產生與的作用下可產生與H H0 0成比例的感應磁場，所以磁核實成比例的感應磁場，所以磁核實際感受到的作用場除際感受到的作用場除H H0 0外還有所述感應磁場，磁核實外還有所述感應磁場，磁核實受作用場（受作用場（H H0 0）一般表示為：）一般表示為：H H0 0= H= H0 0 H H0 0 = =（1 1） H H0 0 式中式中稱屏蔽常數(shù)，是核外電子

9、云對核屏蔽的量度，稱屏蔽常數(shù)，是核外電子云對核屏蔽的量度，對分子中的磁核來說，是特定化學環(huán)境的反映。對分子中的磁核來說，是特定化學環(huán)境的反映。 分子中同一原子核，只要化學環(huán)境不同，分子中同一原子核，只要化學環(huán)境不同，值就不值就不相同，顯示的共振頻率也不同?？梢姡瘜W位移作相同，顯示的共振頻率也不同?？梢?，化學位移作為核磁共振的一種重要參數(shù)所具有的重要功能是描為核磁共振的一種重要參數(shù)所具有的重要功能是描述與質子對應的共振信號的位置。根據(jù)信號位置可述與質子對應的共振信號的位置。根據(jù)信號位置可以分析與該信號所對應的質子與什么原子連接，相以分析與該信號所對應的質子與什么原子連接，相鄰區(qū)域存在什么基團，

10、這些基團與該質子的空間關鄰區(qū)域存在什么基團，這些基團與該質子的空間關系是什么等等，即可以分析質子處于什么樣的化學系是什么等等，即可以分析質子處于什么樣的化學環(huán)境之中。環(huán)境之中。 值主要受三種因素影響（這三種因素都是化學環(huán)境的值主要受三種因素影響（這三種因素都是化學環(huán)境的具體體現(xiàn)，對于分析質子的類型或與質子類型相對應的具體體現(xiàn)，對于分析質子的類型或與質子類型相對應的結構有決定性的作用），而且這些影響具有加和性：結構有決定性的作用），而且這些影響具有加和性：抗抗順順遠遠抗抗為由核外電子引起的抗磁屏蔽；為由核外電子引起的抗磁屏蔽；順順為由核外電子引起的順磁屏蔽；為由核外電子引起的順磁屏蔽；遠遠為分子

11、中其他原子或官能團成鍵電子對特定原子核為分子中其他原子或官能團成鍵電子對特定原子核產生的屏蔽。產生的屏蔽。 1.1.核外電子的抗磁屏蔽（核外電子的抗磁屏蔽（抗抗） 如果可能得到一種外層完全沒有電子的磁核的話，那如果可能得到一種外層完全沒有電子的磁核的話，那么這樣的磁核可以稱為么這樣的磁核可以稱為“裸核裸核”，“裸核裸核”放到外磁放到外磁場場H H0 0中應中應100100感受到感受到H H0 0的作用，共振頻率為的作用，共振頻率為0 0。實。實際的藥物分子中裸核不可能存在，因為原子核外不可際的藥物分子中裸核不可能存在，因為原子核外不可能沒有電子繞核運轉，在外磁場作用下必定產生感應能沒有電子繞核

12、運轉，在外磁場作用下必定產生感應磁場。磁場。 電子屏蔽效應電子屏蔽效應 = = B B0 02感生磁場電子環(huán)流B0原子核 帶正電原子核的核外電子在與外磁場帶正電原子核的核外電子在與外磁場垂直的平面上繞核旋轉的同時，會產生垂直的平面上繞核旋轉的同時，會產生與外磁場方向相反的感生磁場。與外磁場方向相反的感生磁場。 感生磁場的大小用感生磁場的大小用B B0 0表示。表示。為屏蔽常為屏蔽常數(shù)，與核外電子云的密數(shù)，與核外電子云的密度有關。度有關。核實際感受到的磁場強度核實際感受到的磁場強度（有效磁場（有效磁場B Beffeff） B Beffeff = = B B0 0 -B B0 0 B Beffef

13、f = = B B0 0(1-)(1-) 核的共振頻率為：核的共振頻率為： = = B B0 0(1-)2 核外電子云的密度高，核外電子云的密度高，值大，核的值大，核的共振吸收高場（或低頻）位移。共振吸收高場（或低頻）位移。 核外電子云的密度低，核外電子云的密度低，值小，核的共值小，核的共振吸收低場（或高頻）位移。振吸收低場（或高頻）位移。例如例如 CHCH3 3-O -O CHCH3 3-Si-Si (CH (CH3 3) )2 2C(OH)CHC(OH)CH2 2COCHCOCH3 3 2.2.核外電子的順磁屏蔽（核外電子的順磁屏蔽（順順）含含p p、d d電子的原子，核外電子云呈非球形對

14、稱分布，含這種原電子的原子，核外電子云呈非球形對稱分布，含這種原子核的分子放到外磁場子核的分子放到外磁場H H0 0中，受外磁場的作用，產生與中，受外磁場的作用，產生與H H0 0方向方向相同的感應磁場。磁核感受到的相同的感應磁場。磁核感受到的H H0 0的作用比裸核感受到的的作用比裸核感受到的H H0 0的的作用強，即與裸核相比，磁核感受的作用強，即與裸核相比，磁核感受的H H0 0的作用超出的作用超出100100. .這個這個感應磁場對磁核的影響與抗磁屏蔽相反，使磁核的共振信號向感應磁場對磁核的影響與抗磁屏蔽相反，使磁核的共振信號向低場移動（稱低場位移）。這種作用就是順磁屏蔽或去屏蔽。低場

15、移動（稱低場位移）。這種作用就是順磁屏蔽或去屏蔽。順磁屏蔽的貢獻隨核外電子數(shù)增加而加大，導致化學位移變化順磁屏蔽的貢獻隨核外電子數(shù)增加而加大，導致化學位移變化幅度增大。幅度增大。 3.3.遠程屏蔽（遠程屏蔽（遠遠）分子中與被觀察核遠離的其他原子或官能團的分子中與被觀察核遠離的其他原子或官能團的成鍵電子，在外磁場中也產生感應磁場。電子成鍵電子，在外磁場中也產生感應磁場。電子云如果呈非球形對稱，那么在外磁場中產生的云如果呈非球形對稱，那么在外磁場中產生的感應磁場在附近空間不同位置分布不等同并對感應磁場在附近空間不同位置分布不等同并對原子核導致不同程度的屏蔽，甚至是性質完全原子核導致不同程度的屏蔽，

16、甚至是性質完全相反的屏蔽作用。這種屏蔽影響的范圍較大，相反的屏蔽作用。這種屏蔽影響的范圍較大，稱遠程屏蔽。稱遠程屏蔽。圖譜中化學位移的表示方法圖譜中化學位移的表示方法 =(sampleref)/0106 式中式中 sample樣品吸收頻率樣品吸收頻率 ref基準物質氫核的吸收頻率基準物質氫核的吸收頻率 0照射樣品用的電磁輻射頻率照射樣品用的電磁輻射頻率 CHCH3 3CHCH2 2OH:OH:(CHCH2 2) =148Hz/60MHz) =148Hz/60MHz10106 6 =247Hz/100MHz=247Hz/100MHz10106 6 =2.47(ppm) =2.47(ppm)(CH

17、CH3 3) =73.2Hz/60MHz) =73.2Hz/60MHz10106 6 =122Hz/100MHz=122Hz/100MHz10106 6 =1.22(ppm) =1.22(ppm) 此外，早期文獻資料中，還常用此外，早期文獻資料中，還常用值表示化學位值表示化學位移，移，值與值與值的換算關系是值的換算關系是 =10.00在氫譜及碳譜中，常把四甲基硅烷在氫譜及碳譜中，常把四甲基硅烷(TMS)中的中的1H及及13C作為標準磁核。它的化學位移定為零點，記錄作為標準磁核。它的化學位移定為零點，記錄在圖譜右端（高場部位）。因為在圖譜右端（高場部位）。因為TMS中的中的1H及及13C的屏蔽常

18、數(shù)比絕大多數(shù)有機藥物中相應磁核的屏蔽的屏蔽常數(shù)比絕大多數(shù)有機藥物中相應磁核的屏蔽常數(shù)值都大，所以一般樣品的信號多為正值，記錄常數(shù)值都大，所以一般樣品的信號多為正值，記錄在圖譜左側（低場部位）。在圖譜左側（低場部位）。 核磁共振的標準物質與性質核磁共振的標準物質與性質縮寫縮寫 名稱名稱 bp () TMS 四甲基硅烷四甲基硅烷(CH3)4Si 27 0.00DSS 2,2-二甲基二甲基-5-磺酸鈉基磺酸鈉基-2-硅戊烷硅戊烷 固體固體 0.002.90HMDS 六甲基二硅醚六甲基二硅醚(CH3)3SiOSi(CH3)3 100 0.04 影響化學位移的因素影響化學位移的因素 誘導效應誘導效應 化

19、學鍵的各向異性化學鍵的各向異性 共軛效應共軛效應 濃度、溫度、溶劑對濃度、溫度、溶劑對值的影響值的影響CHCH3 3F FCHCH3 3OHOHCHCH3 3ClClCHCH3 3BrBrCHCH3 3I I CHCH4 4TMSTMS4.04.03.53.53.03.02.82.82.52.52.12.11.81.84.264.263.143.143.053.052.682.682.162.160.230.230 0( 電負性取代基的影響電負性取代基的影響 ) 誘導效應誘導效應 電負性大的原子（或基團）與電負性大的原子（或基團）與 1 1H H鄰接時，鄰接時，其吸電子作用使氫核周圍電子云密度

20、降低，屏蔽其吸電子作用使氫核周圍電子云密度降低，屏蔽作用減少，共振吸收在較低場，即質子的化學位作用減少，共振吸收在較低場，即質子的化學位移向低場移動，移向低場移動， 值增大；相反，給電子基團則值增大；相反，給電子基團則增加了氫核周圍的電子云密度，使屏蔽效應增加，增加了氫核周圍的電子云密度，使屏蔽效應增加，共振吸收在較高場，即質子的化學位移向高場移共振吸收在較高場，即質子的化學位移向高場移動，動， 值減小。值減小。 試比較下面化合物分子中試比較下面化合物分子中 H Ha a H Hb b H Hc c 值的大小值的大小。 CH3-O-CH2-C-CH3CH3Cla b c b a c電負性較大的

21、原子，可減小電負性較大的原子，可減小H H原子受到的屏原子受到的屏蔽作用，引起蔽作用，引起H H原子向低場移動。向低場移原子向低場移動。向低場移動的程度正比于原子的電負性和該原子與動的程度正比于原子的電負性和該原子與H H之間的距離。之間的距離。例如：例如： CHCH3 3CHCH3 3 CH CH2 2=CH=CH2 2 HCCH HCCH(ppm): 0.86 5.25 1.80(ppm): 0.86 5.25 1.802.2.與氫相連的碳原子從與氫相連的碳原子從SPSP3 3（碳碳單鍵）到（碳碳單鍵）到SPSP2 2（碳碳雙（碳碳雙鍵），鍵），S S電子的成份從電子的成份從25%25%增

22、加到增加到33%33%，鍵電子更靠近碳，鍵電子更靠近碳原子，因而對相連的氫原子有去屏蔽作用，即共振位置原子，因而對相連的氫原子有去屏蔽作用，即共振位置移向低場。至于炔氫譜峰相對烯氫處于較高場，芳環(huán)氫移向低場。至于炔氫譜峰相對烯氫處于較高場，芳環(huán)氫譜峰相對于烯氫處于較低場，則因另有較重要的影響因譜峰相對于烯氫處于較低場，則因另有較重要的影響因素所致。素所致。共軛效應共軛效應ORNH2NO2COR7.277.27 6 6向心規(guī)則：向心規(guī)則：相互偶合的峰，內側高，外側低。相互偶合的峰，內側高，外側低?；瘜W位移值化學位移值( ( ppm ppm) )：中心與重心之間。中心與重心之間。偶合常數(shù)值偶合常數(shù)

23、值( (J J HzHz) )：相鄰兩裂分峰之間的距離相鄰兩裂分峰之間的距離質子的耦合常數(shù)質子的耦合常數(shù) 質子和鄰近的核發(fā)生耦合，使氫譜的信號裂質子和鄰近的核發(fā)生耦合，使氫譜的信號裂分。根據(jù)信號裂分的數(shù)目和裂分峰之間的距分。根據(jù)信號裂分的數(shù)目和裂分峰之間的距離（耦合常數(shù)），可以得到很有用的信息。離（耦合常數(shù)），可以得到很有用的信息。在圖譜解析中，常常都是通過裂分模式判斷在圖譜解析中，常常都是通過裂分模式判斷分子中存在的某些結構單元。例如在一些簡分子中存在的某些結構單元。例如在一些簡單圖譜中，若某質子裂分為三重峰，說明該單圖譜中，若某質子裂分為三重峰，說明該質子與亞甲基質子相鄰，若裂分為四重峰，

24、質子與亞甲基質子相鄰，若裂分為四重峰，說明該質子與甲基相鄰等等。說明該質子與甲基相鄰等等。在脂肪族的化合物中，質子間的耦合有三種形式，在脂肪族的化合物中，質子間的耦合有三種形式，即即同碳耦合、鄰碳耦合和遠程耦合。同碳耦合、鄰碳耦合和遠程耦合。相隔兩根鍵相隔兩根鍵（H HC CH H）的質子間耦合稱為）的質子間耦合稱為“同碳耦合同碳耦合”，表，表示為示為2 2J JHHHH；相隔三根鍵（；相隔三根鍵（H HC CC CH H或或H HC CC CH H）的質子間耦合稱的質子間耦合稱鄰碳耦合鄰碳耦合，表示為，表示為3 3J JHHHH ；J J左上角左上角的數(shù)字表示相隔開的鍵數(shù)，右下角的的數(shù)字表示

25、相隔開的鍵數(shù)，右下角的HHHH表示質子與表示質子與質子耦合，相隔質子耦合，相隔4 4根鍵以上的質子之間的耦合稱根鍵以上的質子之間的耦合稱遠遠程耦合程耦合。遠程耦合一般觀測不到，體系中有遠程耦合一般觀測不到，體系中有鍵插入鍵插入后，可以觀察到質子間隔四根鍵（后，可以觀察到質子間隔四根鍵（H HC CC CC CH H， 4 4J JHHHH ，“丙烯式耦合丙烯式耦合”）及五根鍵的）及五根鍵的耦合（耦合（H HC CC CC CC CH H， 5 5J JHHHH ，“高丙烯高丙烯式耦合式耦合”）。）。在芳環(huán)體系中，在芳環(huán)體系中，質子間的耦合包括鄰位耦合、對位質子間的耦合包括鄰位耦合、對位耦合、間

26、位耦合及芐式耦合。耦合、間位耦合及芐式耦合。相隔三根鍵的質子間相隔三根鍵的質子間的耦合稱鄰位耦合，相隔四根鍵的質子間的耦合稱的耦合稱鄰位耦合，相隔四根鍵的質子間的耦合稱間位耦合，相隔五根鍵的質子間的耦合稱對位耦合，間位耦合，相隔五根鍵的質子間的耦合稱對位耦合，芳環(huán)質子與芐基質子之間的耦合稱芐式耦合。芳環(huán)質子與芐基質子之間的耦合稱芐式耦合。 因相互干擾的兩個氫核位于同一個碳原子上所引起因相互干擾的兩個氫核位于同一個碳原子上所引起的自旋偶合為偕偶，也叫同碳偶合，偶合常數(shù)可用的自旋偶合為偕偶，也叫同碳偶合，偶合常數(shù)可用J J偕偕（J J gemgem）或）或2 2J J表示。一般為負值，但變化范圍較

27、大，表示。一般為負值，但變化范圍較大，通常在通常在101016Hz16Hz，并與結構密切相關。，并與結構密切相關。1.1.偕偶（偕偶（geminal couplinggeminal coupling）OHbHaCOOHOOHaHb21.5HaHbX3.19.110 16HzHb*C CHaHbzHa影響影響2 2J J 的因素的因素 鄰位鄰位鍵的影響鍵的影響CHCH4 4 CH CH3 3Ph CHPh CH3 3COCHCOCH3 3 CH CH3 3CN CHCN CH2 2(CN)(CN)2 2-12.4 -14.3 -14.9 -16.9 -20.4 鍵角（鍵角（ ）的影響：）的影響：

28、 角增大，角增大，2 2J J 減小減小HaHbX3.19.1CCHaHb2Hz10165Hz12HzHbHa3 +3109118120ooo取代基電負性的影響：取代基電負性的影響：取代基電負性增大，取代基電負性增大，2 2J J 值增大。值增大。SHaHbNHaHbOHaHb1.3897PhPhPh 兩個（組）相互偶合的氫核位于相鄰的兩個碳原兩個（組）相互偶合的氫核位于相鄰的兩個碳原子上，偶合常數(shù)可用子上，偶合常數(shù)可用J J鄰鄰（J J vicvic）或）或3 3J J表示。偶合常表示。偶合常數(shù)的符號一般為正值。數(shù)的符號一般為正值。J J鄰值大小與許多因素有關，鄰值大小與許多因素有關，如鍵長

29、、取代基的電負性、兩面角以及如鍵長、取代基的電負性、兩面角以及C CC CH H間間鍵角大小等。鍵角大小等。2.2.鄰偶（鄰偶（vivinal couplingvivinal coupling）CCHaHbHaHeHeHaHbXHcHaXHaHbJea JeeJabJaa JaeJac, JbcJab = Jo飽和型化合物飽和型化合物3 3J J 與兩面夾角與兩面夾角的關系的關系KaplusKaplus方程方程: : 3J = 4.2 - 0.5cos+4.5cos2例如例如 乙醇乙醇= 60o Jab = 2 4Hz，= 90o Jab = 0Hz= 120o Jab = 3Hz，= 180

30、o Jab = 11 12Hz快速旋轉的快速旋轉的鍵，鍵，3 3J J 6 6 8Hz8Hz ( (為為6060o o，180180o o的平均值的平均值) )HbHbHbOHHaHa環(huán)己烷環(huán)己烷: : 2Jae = 2Jae 12Hz 3Jaa（180o ） 812Hz， 10 Hz 3Jae（60o） 或或 3Jea 26Hz ， 3Jee 25Hz 4 HzHaHeHeHaJea JeeJaaJae飽和型飽和型3 3J J 的應用的應用用于赤式和蘇式構型的確定用于赤式和蘇式構型的確定赤式的赤式的NewmanNewman投影投影大赤式HaHb大小小大HaHb大小小大HaHb大小小( I )

31、( II )( III ) 赤式構型的穩(wěn)定構像以赤式構型的穩(wěn)定構像以( I )( I )為主，為主，3 3J Jab ab 8 812Hz12Hz。 若有分子內氫鍵存在時，若有分子內氫鍵存在時， 以形成內氫鍵的穩(wěn)定構以形成內氫鍵的穩(wěn)定構像為主。像為主。蘇式的蘇式的NewmanNewman投影投影 蘇式構型的穩(wěn)定構像以蘇式構型的穩(wěn)定構像以( III )( III )為主，為主， 3 3J Jabab 2 2 4Hz4Hz。 若有分子內氫鍵存在時，以形成內氫鍵的穩(wěn)定構像為若有分子內氫鍵存在時，以形成內氫鍵的穩(wěn)定構像為主。主。蘇式大HaHb大小小大HaHb大小小大HaHb大小小( I )( II )

32、( III )麻黃堿（麻黃堿（赤式構型赤式構型）的穩(wěn)定構像）的穩(wěn)定構像OHHaHbCH3NHCH3PhHaHbHOCH3NHCH3Ph( II )( III )偽麻黃（偽麻黃（蘇式構型蘇式構型）的穩(wěn)定構像）的穩(wěn)定構像OHHaPhCH3NHCH3HbHaPhHOCH3NHCH3Hb( I )( II )用于判斷烯烴取代基的位置用于判斷烯烴取代基的位置烯烯 烴烴HcHaHbXJab2HzJac812HzJbc1218HzJcisJtransJcis12Hz24Hz57Hz911Hz芳環(huán)及雜芳環(huán)上芳氫的偶合芳環(huán)及雜芳環(huán)上芳氫的偶合3.3.遠程耦合（遠程耦合（long range couplinglo

33、ng range coupling）相隔相隔4 4根鍵或根鍵或4 4根以上鍵的兩質子之間發(fā)生的耦合稱根以上鍵的兩質子之間發(fā)生的耦合稱“遠程耦合遠程耦合”。與電性效應的傳遞要求的條件一樣，。與電性效應的傳遞要求的條件一樣，遠程耦合在大多數(shù)情況下都通過遠程耦合在大多數(shù)情況下都通過鍵或張力環(huán)傳遞。鍵或張力環(huán)傳遞。在烯烴、炔烴、芳烴、雜環(huán)、小環(huán)或橋環(huán)化合物中在烯烴、炔烴、芳烴、雜環(huán)、小環(huán)或橋環(huán)化合物中常常可以觀察到遠程耦合現(xiàn)象。遠程耦合常數(shù)（常?？梢杂^察到遠程耦合現(xiàn)象。遠程耦合常數(shù)（J J遠遠）大約在大約在0 03Hz3Hz芳環(huán)體系芳環(huán)體系 苯的衍生物苯的衍生物 J Jm m = = 4 4J J 2

34、Hz, 2Hz, J Jp p = = 5 5J J 0 01Hz1Hz吡啶衍生物吡啶衍生物 J2, 4 J3,5 J4, 6 = 4J 12Hz 1.5 J2. 5 J3, 6 = 5J 01HzN23456呋喃，吡咯類衍生物呋喃，吡咯類衍生物 4J = J2, 4 = J3, 5 12HzX2345烯丙基體系烯丙基體系HaHbCH3XHaHbCH2YXXHaCH2YHbHaXCH2YHb跨四個單鍵的折線型體系跨四個單鍵的折線型體系(W(W型型) )HaClCONHC(CH3)3Hb4Ja,b=7.0 W型HaClHbCONHC(CH3)34Ja,b=0 M型HbHaHbHaHbHaOHXO

35、H其它體系的遠程偶合其它體系的遠程偶合XHaXHaHbHbOXHaOHbXHbOHa其它核對其它核對1 1H H的偶合的偶合 13C - -1H 19F - -1H 31P - -1H 2H (D) - -1H 14N- -1H 13C - -1HI=1/2, I=1/2, 符合符合(n + 1)(n + 1)規(guī)律。規(guī)律。 1 1J JC-HC-H 2 2J JC-C-HC-C-H 3 3J JC-C-C-H C-C-C-H ；變化范圍大，在；變化范圍大，在1313CNMRCNMR譜中討論。譜中討論。 19F - -1HI=1/2, 符合符合(n + 1)規(guī)律。規(guī)律。 2JF- -C- -H

36、3J F- - C-C-C- -H 4JFC-C-C- -C- -H 變化范圍大變化范圍大. 在在1HNMR譜中，表現(xiàn)出譜中，表現(xiàn)出19F對對1H的的偶合裂分偶合裂分; 在在19FNMR譜中，同樣表現(xiàn)出譜中，同樣表現(xiàn)出1H對對19F的偶合裂分。的偶合裂分。 2JF- -C- -H 4590Hz 3J F- - C-C-C- -H 045Hz 4JFC-C-C- -C- -H 09Hz31P- -1H I=1/2, 符合符合(n + 1)規(guī)律。規(guī)律。 1JP- -H 2J P-C-C-H 3JPC- -C- -H 3JPO- -C- -H；變化范圍大。；變化范圍大。在在1HNMR譜中，表現(xiàn)出譜中

37、，表現(xiàn)出31P對對1H的偶合裂分的偶合裂分; 在在31PNMR譜中，同樣表現(xiàn)出譜中，同樣表現(xiàn)出1H對對31P的偶合裂分。的偶合裂分。1JP- -H P- -H 180200Hz；2J P-C-C-H 240Hz CH3P (CH3CH2)3P CH2=CHP2JP-C-C-H 2.7Hz 13.7Hz 1040Hz (CH3CH2)3P=O (CH3CH2O)3P=O CH2=CHP3JPCC- -H 11.6Hz 3JPOC- -H 8.4Hz 3Jcis 3060Hz 3Jtrans1030Hz例例 解釋下列譜圖（解釋下列譜圖（2JP-C-C-H 23Hz ；3JPO- -C- -H 7H

38、z）2H (D) - -1H I = 1, 符合符合(2n + 1)規(guī)律規(guī)律 常見氘代試劑中氘對殘存氫的偶合常見氘代試劑中氘對殘存氫的偶合 2JD-C-C-H 1HzCD3CN 2.0 五重峰五重峰CD3COCD3 2.1 五重峰五重峰CD3SOCD3 2.5 五重峰五重峰 五重峰的強度比為五重峰的強度比為1：3：4：3：1HH2DDD14N- -1HI = 1, 符合符合(2n + 1)規(guī)律。規(guī)律。14N對對1H的偶合一般不表現(xiàn)，但在酸性介質中，的偶合一般不表現(xiàn)，但在酸性介質中，可能表現(xiàn)出來。可能表現(xiàn)出來。核的等價性核的等價性化學等價化學等價（Chemical equivalenceChem

39、ical equivalence） 分子中兩個相同的原子處于相同的化學環(huán)境分子中兩個相同的原子處于相同的化學環(huán)境時稱時稱化學等價化學等價。化學等價的質子必然。化學等價的質子必然化學位化學位移相同移相同。 化學等價化學等價與否，是決定與否，是決定NMRNMR譜圖復譜圖復雜程度的重要因素。雜程度的重要因素。 在分子中，若通過快速在分子中，若通過快速旋轉或某種對稱操作，一些核可以互換旋轉或某種對稱操作，一些核可以互換（InterchangeInterchange）, ,則這些核稱之則這些核稱之化學等價核化學等價核。 鍵的快速旋轉導致的化學等價鍵的快速旋轉導致的化學等價：CHCH3 3-CH-CH2

40、2-O-O-， X-CHX-CH2 2CHCH2 2-Y-Y 對稱性導致的化學等價對稱性導致的化學等價：XYXXNXXHaHbabcdab 通過對稱軸旋轉而互換的質子稱之通過對稱軸旋轉而互換的質子稱之等位（等位（Homotopic Homotopic or Identicalor Identical）質子）質子，無論是非手性還是手性環(huán)境，無論是非手性還是手性環(huán)境。ClHcClHdHaHbClHdClHcHaHb180o對映異位質子對映異位質子 通過旋轉以外的對稱操作通過旋轉以外的對稱操作能互換的質子。在非手性溶劑中化學等價，能互換的質子。在非手性溶劑中化學等價，在手性環(huán)境中非化學等價。在手性環(huán)

41、境中非化學等價。 HaHbCB rC l分子中不能通過對稱操作進行互換的質子稱之分子中不能通過對稱操作進行互換的質子稱之 非對映異位非對映異位( (DiastereotopicDiastereotopic) )，無論是在有手，無論是在有手性中心的分子還是無手性中心的分子中。性中心的分子還是無手性中心的分子中。例如例如H3COOCCH2HaHbCH3CH3ab磁等價質子磁等價質子自旋系統(tǒng)中的一組位移等價質子，如果對系統(tǒng)自旋系統(tǒng)中的一組位移等價質子，如果對系統(tǒng)內任一耦合磁核的耦合常數(shù)都相等，那么這組內任一耦合磁核的耦合常數(shù)都相等，那么這組位移等價質子就稱磁等價質子或磁全同質子。位移等價質子就稱磁等

42、價質子或磁全同質子。例如在乙醚中，甲基上三個位移等價質子對亞例如在乙醚中，甲基上三個位移等價質子對亞甲基上任何質子的耦合常數(shù)都相等；同樣，亞甲基上任何質子的耦合常數(shù)都相等；同樣，亞甲基上兩個位移等價質子對甲基上任何質子的甲基上兩個位移等價質子對甲基上任何質子的耦合常數(shù)也相等。耦合常數(shù)也相等。根據(jù)剛才的定義，甲基上三個質子是一組磁等根據(jù)剛才的定義，甲基上三個質子是一組磁等價質子，亞甲基上兩個質子也是一組磁等價質價質子，亞甲基上兩個質子也是一組磁等價質子。子。例如：例如：化學等價，磁等價化學等價，磁等價 (鍵的快速旋轉導致鍵的快速旋轉導致) )CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3化學等價，磁

43、不等價化學等價，磁不等價XHbF1baabcHaF2Naabbc Ha Hb a aHa Hb a a,b b,b b a a a a,b b,b b單鍵帶有雙鍵的性質：酰胺化合物單鍵帶有雙鍵的性質：酰胺化合物COHNCH3CH3.COHNCH3CH3H3COOCCH2HaHbCH3CH3R1R3R2HaHbXXYHaHbHc與不對稱碳原子相連的與不對稱碳原子相連的CHCH2,2,以及不能自由旋轉的以及不能自由旋轉的CHCH2 2核磁共振氫譜譜圖的分類核磁共振氫譜譜圖的分類( (一級譜圖一級譜圖 二級譜圖二級譜圖) )自旋系統(tǒng)的分類與命名自旋系統(tǒng)的分類與命名常見的自旋系統(tǒng)常見的自旋系統(tǒng)一級譜圖

44、一級譜圖 裂分峰數(shù)目符合（裂分峰數(shù)目符合（n+1n+1）或）或(2nI+1)(2nI+1)規(guī)律。規(guī)律。 裂分峰強度符合二項展開式的系數(shù)。裂分峰強度符合二項展開式的系數(shù)。 裂距等于偶合常數(shù)。裂距等于偶合常數(shù)。二級譜圖二級譜圖譜的特征在二級譜中不表現(xiàn)出來譜的特征在二級譜中不表現(xiàn)出來。自旋系統(tǒng)的分類與命名自旋系統(tǒng)的分類與命名自旋系統(tǒng)自旋系統(tǒng)： 相互偶合的核構成一個自旋系統(tǒng)，相互偶合的核構成一個自旋系統(tǒng)， 不與系統(tǒng)外的核偶合不與系統(tǒng)外的核偶合。一個分子可由一個或一個以上的自旋系統(tǒng)組成。一個分子可由一個或一個以上的自旋系統(tǒng)組成。如如 C C6 6H H5 5CHCH2 2CHCH2 2OCOCH=CHO

45、COCH=CH2 2 由三個自旋系統(tǒng)組成由三個自旋系統(tǒng)組成自旋系統(tǒng)的分類自旋系統(tǒng)的分類二旋系統(tǒng)二旋系統(tǒng) C=CHC=CH2 2, X-CH=CH-Y, C, X-CH=CH-Y, C* *-CH-CH2 2- - 等。等。三旋系統(tǒng)三旋系統(tǒng) X-CH=CHX-CH=CH2 2 , -CH , -CH2 2-CH-CHC=CH2, X-CH=CH-Y, C*-CH2-等等）AXABABA2v1v2v3v4三旋系統(tǒng)三旋系統(tǒng) A3 AX2 AB2 AMX ABX ABC系統(tǒng)系統(tǒng)(X-CH=CH2 , -CH2-CH , 三取代苯，二取代吡啶等三取代苯，二取代吡啶等) A3 系統(tǒng)：系統(tǒng)：A3 (s 3H

46、)， CH3O-, CH3CO-, CH3-Ar AX2 系統(tǒng)：系統(tǒng)： A (t 1H) X2 (d 2H)例例 CHCl2CH2Cl的的1HNMR譜譜如下，如下，AX2系統(tǒng)系統(tǒng)AB2 系統(tǒng)系統(tǒng) ABAB2 2系統(tǒng)比較復雜，最多時出現(xiàn)系統(tǒng)比較復雜，最多時出現(xiàn)9 9條峰，其中條峰，其中A 4A 4條峰條峰, 1H, 1H； B 4B 4條峰，條峰，2H2H；1 1條綜合峰。條綜合峰。 常見的常見的ABAB2 2系統(tǒng)如下系統(tǒng)如下 （注意：雖結構不對稱，但（注意：雖結構不對稱，但 值相近）值相近） NH3CCH3ClNO2ClNO2OHCOOHCH3CH3NO2ABBBBABABBBAYYABBX

47、AMX 系統(tǒng)系統(tǒng) AMX系統(tǒng)，系統(tǒng)，12條峰條峰. A (dd, 1H, JAM, JAX)M (dd, 1H, JAM, JMX)X (dd, 1H, JAX, JMX) 在在A，M，X各各4條譜線中，條譜線中，1-2=3-4等于一等于一種偶合常數(shù)，種偶合常數(shù)，1-3=2-4等于另一種偶合常數(shù)，等于另一種偶合常數(shù)，化學位移值約等于化學位移值約等于4條譜線的中心。條譜線的中心。ABX ABX 系統(tǒng)系統(tǒng)常見的二級譜常見的二級譜 ABXABX系統(tǒng)最多出現(xiàn)系統(tǒng)最多出現(xiàn)1414條峰，條峰，AB 8AB 8條峰，條峰，X 4X 4條峰，兩條綜合峰。條峰，兩條綜合峰。 ABAB部分的部分的8 8條峰相互交

48、錯，不易歸屬，裂距不條峰相互交錯，不易歸屬，裂距不等于偶合常數(shù)。等于偶合常數(shù)。ABCABC 隨著隨著v vABAB/ /J J 值的降低，值的降低，AMXABX ABCAMXABX ABC ABC ABC系統(tǒng)更加復雜，最多出現(xiàn)系統(tǒng)更加復雜，最多出現(xiàn)1515條峰，峰的相對強條峰，峰的相對強度差別大，且相互交錯，難以解析度差別大，且相互交錯，難以解析 提高儀器的磁場強度，提高儀器的磁場強度，v vABAB / /J J 值增大，使二級值增大，使二級譜轉化為一級譜譜轉化為一級譜 ABC ABX AMXABC ABX AMX例如：例如：6060兆赫茲的譜圖兆赫茲的譜圖中屬于中屬于ABCABC系統(tǒng)，但系

49、統(tǒng)，但 220220兆赫茲的譜圖兆赫茲的譜圖可用可用AMXAMX系統(tǒng)處理系統(tǒng)處理四旋系統(tǒng)四旋系統(tǒng) 4 4個質子間的相互偶合個質子間的相互偶合, , 常見的有常見的有 AXAX3 3, A, A2 2X X2 2, A, A2 2B B2 2, AA BB , AA BB AXAX3 3 A A2 2X X2 2 一級譜一級譜 A A2 2B B2 2, AABB, AABB二級譜二級譜例如：例如：CHCH3 3CHO, CHCHO, CH3 3CHX-, -OCHCHX-, -OCH2 2CHCH2 2CO- CO- 等等 一級譜處理。一級譜處理。 A A2 2B B2 2系統(tǒng)系統(tǒng) A A2

50、2B B2 2系統(tǒng)理論上系統(tǒng)理論上1818條峰，常見條峰，常見1414條峰，條峰，A A、B B各自為各自為7 7條峰，峰形對稱。條峰，峰形對稱。v vA A = = v v5 5，v v B B = v= v5 5，J JAB AB = = 1/21-61/21-6例如：例如：- -氯乙醇氯乙醇Fri Apr 21 18:54:06 2000: (untitled)W 1: 1H Axis = ppm Sc ale = 4.59 H z/ c m4.1504.1004.0504.0003.9503.9003.8503.8003.7503.7003.6503.6003.5503.5003.45

51、0ClCH2CH2OHAABBAABB系統(tǒng)系統(tǒng)理論上出現(xiàn)理論上出現(xiàn)2828條峰，條峰，AAAA，BBBB各自各自1414條峰。條峰。例例如：如：XXABBAAABBCYO OH HO OH HC Cl lC Cl lA AA A B B B BA AA A B B B B鄰二氯苯的譜圖如下：鄰二氯苯的譜圖如下：Fri Apr 21 21:15:23 2000: (untitled)W 1: 1H Axis = ppm Sc ale = 2.96 H z/ c m7.4507.4007.3507.3007.2507.2007.1507.1007.0507.000簡化簡化1 1H-NMRH-NMR

52、譜的實驗方法譜的實驗方法使用高頻（或高場）譜儀使用高頻（或高場）譜儀例如：例如：6060兆赫茲的譜圖兆赫茲的譜圖中屬于中屬于ABCABC系統(tǒng)，但系統(tǒng)，但 220220兆赫茲的譜圖兆赫茲的譜圖可用可用AMXAMX系統(tǒng)處理。系統(tǒng)處理。16.小結小結 化合物類別特征基團結構化學位移注解烷烴CH3,CH2,CH0.9,1.0-2.01.2-1.3烯烴CH=CH2，CH2-CH=4.5-8,2.0-3.05.0-6.0炔烴-CCH， CH2-C1.5-3.5,2.0-3.01.5-2.5芳烴 Ph， CH2-Ph7.0,2.0-3.07.26醇O-CH2，O-H3.0-4.0,0.5-6.0酚 Ph,

53、Ph-OH7.0,4.5-10醚O-CH23.0-4.0酮O=C-CH22.0-3.0醛O=C-CH2，O=C-H2.0-3.0, 9.0-10.0羧酸O=C-CH2，COO-H2.0-3.0,10.0-酯O=C-CH2，O-CH22.0-3.0,3.5-4.5酰胺O=C-CH2，NH-CH22.0-3.0，5.5-8.5，2.0-3.5 胺NH2-CH2，N-H2.0-3.0,0.5-5.0鹵代烴X- CH22.0-4.0氰基化合物NC-CH22.0-3.0硝基類CH2-NO24.0-5.0四、核磁共振氫譜解析及應用四、核磁共振氫譜解析及應用1 1HNMRHNMR譜解析一般程序譜解析一般程序

54、1.1.樣品的配制和作圖樣品的配制和作圖 1).1).選擇溶劑、配制溶液選擇溶劑、配制溶液 2).2).作圖作圖2.2.解析步驟解析步驟1).1).區(qū)分出雜質峰、溶劑峰等區(qū)分出雜質峰、溶劑峰等 2).計算不飽和度計算不飽和度不飽和度對稱不飽和度對稱“環(huán)加雙鍵數(shù)環(huán)加雙鍵數(shù)”，在推測結，在推測結構時，計算不飽和度是一個必經的步驟。構時，計算不飽和度是一個必經的步驟。 一般的有機分子可用其簡式一般的有機分子可用其簡式y(tǒng) yn nz zx x表示，如表示，如C Cx xH Hy yN Nz zO On n，其中：，其中：H H、F F、ClCl、BrBr、I I、D D等任何一價原子等任何一價原子：O

55、 O、S S或任何其它二價原子或任何其它二價原子：三價：三價N N、P P或任何其它三價原子或任何其它三價原子：C C、SiSi或任何其它四價原子或任何其它四價原子 =x=xy/2y/2z/2z/21 1 若若N N為五價，則上述公式為：為五價，則上述公式為： =C=C1 1H/2H/2X/2X/23/2N3/2N例：化合物例：化合物CHCH3 3CHCH2 2NONO2 2 ，不飽和度為：不飽和度為：=C=C1 1H/2H/23/2N3/2N2 2 3). 3).確定譜圖中各峰位所對應的氫原子數(shù)目，對氫原子進行確定譜圖中各峰位所對應的氫原子數(shù)目，對氫原子進行分配分配 4).4).當分子具有對

56、稱性時，會使譜圖出現(xiàn)的峰組數(shù)減少（分當分子具有對稱性時，會使譜圖出現(xiàn)的峰組數(shù)減少（分子具有局部對稱性時也如此）此時，應考慮到若干化學等子具有局部對稱性時也如此）此時，應考慮到若干化學等價基團存在的可能性，即因分子存在對稱性，某些基團在價基團存在的可能性，即因分子存在對稱性，某些基團在同一處出峰（峰的強度則是相應增加的）。同一處出峰（峰的強度則是相應增加的）。例：例：2(CH2(CH2) 4(CH2) 4(CH2 22) 6(CH2) 6(CH3 32 2，CHCH2 23) 9(CH3) 9(CH3 33) 3) 5).5).對每個峰的對每個峰的、J J都進行分析都進行分析 6).6).組合可能的結構式組合可能的結構式 根據(jù)對各峰組化學位移和耦合關系的分析，推出若干結構根據(jù)對各峰組化學位移和耦合關系的分析，推出若干結構單元，最后組合為若干可能的結構式。每一可能的結構式單元，最后組合為若干可能的結構式。每一可能的結構式不能和譜圖有大的矛盾。不能和譜圖有大的矛盾。 7).7).對結構式進行對結構式進行“指認指認” 每個官能團均應在譜圖上找到相應的的峰組。峰組的化學每個官能團均應在譜圖上找到相應的的峰組。峰組的化學位移