核磁共振(NMR)講課

核磁共振（NMR）學(xué)習(xí)內(nèi)容核磁共振基本原理

化學(xué)位移偶合與分裂核磁共振譜的解析核磁共振儀及實驗技術(shù)學(xué)習(xí)要求

碳核磁共振（13C-NMR）概述11、了解核磁共振的基本原理。2、掌握化學(xué)位移的概念，記住常見質(zhì)子化學(xué)位移的范圍，理解影響化學(xué)位移的一些因素：電子體系----苯、乙炔，屏蔽效應(yīng)和去屏蔽效應(yīng)。3、理解自旋---自旋偶合，了解偶合常數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。4、能識別簡單有機分子的核磁共振譜圖。會辨認(rèn)和計算裂分圖像類型，能利用化學(xué)位移、積分面積來確定分子結(jié)構(gòu)。5、了解核磁共振的基本實驗技術(shù)。學(xué)習(xí)要求2

NMR是研究原子核對射頻輻射的吸收，它是對各種有機和無機物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強有力的工具之一，有時亦可進(jìn)行定量分析。在強磁場中，原子核發(fā)生能級分裂(能級極?。涸?.41T磁場中，磁能級差約為25

10-3J)，當(dāng)吸收外來電磁輻射(109-1010nm,4-900MHz)時，將發(fā)生核能級的躍遷----產(chǎn)生所謂NMR現(xiàn)象。射頻輻射─原子核(強磁場下，能級分裂)-----吸收──能級躍遷──NMR與UV-vis

和紅外光譜法類似，NMR也屬于吸收光譜，只是研究的對象是處于強磁場中的原子核對射頻輻射的吸收。概述核磁共振（NMR,NuclearMagneticResonance）31924年，Pauli預(yù)言了NMR的基本理論：有些核同時具有自旋和磁量子數(shù)，這些核在磁場中會發(fā)生分裂；1946年，Harvard大學(xué)的Purcell(珀塞爾)和Stanford大學(xué)的Bloch(布洛赫)各自首次發(fā)現(xiàn)并證實NMR現(xiàn)象，并于1952年分享了Nobel獎；斯坦福大學(xué)，Bloch,Hansen和Packord,

觀察到水中質(zhì)子信號哈佛大學(xué)，Purcell,Torrey和Pound,

觀察到了石蠟中質(zhì)子的信號發(fā)展簡史：4Bloch和Purcell于1952年獲得諾貝爾獎51953年，Varian開始商用儀器開發(fā)，并于同年做出了第一臺30MHz連續(xù)波商品核磁共振譜儀（CW-NMR）1958年及60年初,出現(xiàn)60、100MHz譜儀；1956年，Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對NMR信號有影響，而這一影響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。1951年前后，Procter、虞福春等發(fā)現(xiàn)化學(xué)位移和J偶合現(xiàn)象；1965年,Cooley和Tukey提出快速FT變換計算方法；同年，恩斯特（Ernst)發(fā)展出傅里葉變換核磁共振和二維核磁共振；1970年，經(jīng)Ernst等科學(xué)家努力，出現(xiàn)PFT-NMR商品譜儀；6RichardErnst因多維NMR技術(shù)等貢獻(xiàn)，獲1991年Nobel化學(xué)獎7

80年代初Wuthich發(fā)明了用多維NMR技術(shù)測定生物大分子溶液結(jié)構(gòu)的方法,BiomolecularNMR迅速發(fā)展；

90年代初多維異核NMR譜迅速發(fā)展，500MHz以上的譜儀已普遍使用，900MHz譜儀開始研造并逐漸商品化；

氘代技術(shù)用于BiomolecularNMR,擴展所能測定的蛋白質(zhì)分子尺寸的限制

Bax等發(fā)明在稀Lipid溶液中測量殘留偶極偶合常數(shù)以精化生物大分子溶液結(jié)構(gòu)的方法；

Wuthich小組發(fā)明了TROSY譜（TransverseRelaxation-optionizedspectroscopy）8

1.1944:I.Rabi2.1952:F.Bloch3.1952:E.M.Purcell4.1955:W.E.Lamb5.1955:P.Kusch6.1964:C.H.Townes7.1966:A.Kastler8.1977:J.H.VanVleck9.1981:N.Bloembergen10.1983:H.Taube11.1989:N.F.Ramsey12.1991:R.R.Ernst在20世紀(jì)對NMR作過貢獻(xiàn)的12位Nobel獎得主9KurtWüthrich

因提出測定生物大分子溶液結(jié)構(gòu)的技術(shù)等貢獻(xiàn)，獲2002年Nobel化學(xué)獎10

因在核磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域的突破性成就而一同分享2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。2003年，英國科學(xué)家彼得·曼斯菲爾德和美國科學(xué)家保羅·勞特布爾11核磁共振基本原理

一、原子核的自旋二、核磁共振現(xiàn)象三、核磁共振條件四、飽和與馳豫12一、原子核的自旋核象電子一樣，也有自旋現(xiàn)象，從而有自旋角動量。

核的自旋角動量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子數(shù)(I)來描述。

若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩：

自旋角動量：核磁矩：I＝0、1/2、1……13

I的取值可用下面關(guān)系判斷：

質(zhì)量數(shù)（A）

原子序數(shù)（Z）

自旋量子數(shù)（I）

奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)

半整數(shù)n+1/2。n=0,1,2,…奇數(shù)

整數(shù)

偶數(shù)0偶數(shù)

I=0，

ρ=0，無自旋，不能產(chǎn)生自旋角動量，不會產(chǎn)生共振信號。

∴只有當(dāng)I

＞

O時，才能發(fā)生共振吸收，產(chǎn)生共振信號。

14(1)

I=0的原子核16

O；12C；22S等，無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收(2)I=1或I>1的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I

這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少；(3)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機化合物的主要組成元素。15二、核磁共振現(xiàn)象自旋量子數(shù)I=1/2的原子核（氫核），可當(dāng)作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生磁場，類似一個小磁鐵。

當(dāng)置于外磁場H0中時，相對于外磁場，有（2I+1）種取向：

氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：(1)與外磁場一致，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;每一個取向都代表一個能級狀態(tài)，有一個ms

。16兩種取向不完全與外磁場平行，

＝54°24’和125°36’相互作用,產(chǎn)生進(jìn)動(拉莫進(jìn)動)進(jìn)動頻率

0；角速度

0；

0=2

0=

H0

磁旋比；H0外磁場強度；兩種進(jìn)動取向不同的氫核之間的能級差：

E=2

H0（

磁矩）17在外磁場中，原子核能級產(chǎn)生裂分，由低能級向高能級躍遷，需要吸收能量。能級量子化。射頻振蕩線圈產(chǎn)生電磁波。對于氫核，能級差：

E=2

H0（

磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E=2

H0=h

0由拉莫進(jìn)動方程：

0=2

0=

H0;共振條件：

0=

H0/(2)；E

=h

0=

hH0/(2)三、核磁共振條件18(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁場,能級裂分;(3)照射頻率與外磁場的比值

0/H0=

/(2)19

結(jié)論：

(1)ΔE∝H0；

(2)

1H受到一定頻率（ν）的電磁輻射，且提供的能量=ΔE，則發(fā)生共振吸收，產(chǎn)生共振信號。

20四、飽和與馳豫1、飽和——低能態(tài)的核數(shù)等于高能態(tài)的核數(shù)。不同能級上分布的核數(shù)目可由Boltzmann

定律計算：磁場強度1.4092T；300K時，代入上式計算，則氫核的分布為：N（+1/2）N（-1/2）=1.0000099在每1000000個氫核中，低能態(tài)僅比高能態(tài)的核多十個左右，而NMR信號就是靠這極弱的過剩的低能態(tài)的氫產(chǎn)生的。21當(dāng)?shù)湍芗壍暮宋樟松漕l輻射后，被激發(fā)至高能態(tài)，同時給出共振吸收信號。但隨實驗進(jìn)行，只占微弱多數(shù)的低能級核越來越少，最后高、低能級上的核數(shù)目相等--------飽和-----從低到高與從高到低能級的躍遷的數(shù)目相同---體系凈吸收為0-----共振信號消失！

在核磁共振實驗中，如果照射的電磁波能量過大，或掃描的時間過長，就容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。222、馳豫處于高能態(tài)的核通過非輻射途徑釋放能量而及時返回到低能態(tài)的過程稱為弛豫。由于弛豫現(xiàn)象的發(fā)生，使得處于低能態(tài)的核數(shù)目總是維持多數(shù)，從而保證共振信號不會中止。弛豫越易發(fā)生，消除“磁飽和”能力越強。據(jù)Heisenberg測不準(zhǔn)原理，激發(fā)能量

E與體系處于激發(fā)態(tài)的平均時間(壽命)成反比，與譜線變寬

成正比，即：可見，弛豫決定處于高能級核壽命。而弛豫時間長，核磁共振信號窄；反之，譜線寬。弛豫可分為縱向弛豫和橫向弛豫。

231)、自旋-晶格馳豫高能態(tài)的核，將其能量轉(zhuǎn)移到周圍分子骨架(晶格)中的其它核而轉(zhuǎn)變成熱運動，從而放出能量返回到低能態(tài)。也稱為“縱向馳豫”(1)固體樣品---分子運動困難---

1最大---譜線變窄小---弛豫最少發(fā)生；(2)晶體或高粘度液體---分子運動較易---

1下降---譜線仍變寬---部分弛豫;(3)氣體或受熱液體---分子運動容易---

1較小---譜線變寬大---弛豫明顯。樣品流動性降低(從氣態(tài)到固態(tài))，

1增加，縱向弛豫越少發(fā)生，譜線窄?？v向弛豫是保證低能級上有較多核的必要條件，也是保證有較強NMR信號的必要條件。所以

1不能太大。242)、自旋-自旋馳豫當(dāng)兩個相鄰的核處于不同能級，但進(jìn)動頻率相同時，高能級核與低能級核通過自旋狀態(tài)的交換而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移所發(fā)生的弛豫現(xiàn)象。也稱“橫向馳豫”1)固體樣品---結(jié)合緊密---自旋核間能量交換容易---

2最小---譜線變寬最大(寬譜)---縱向弛豫容易。2)受熱固體或液體---結(jié)合不很緊密---自旋核間能量交換較易---

2上升---譜線變寬較小---縱向弛豫較易；3)氣體---自旋核間能量交換不易---

2最大---譜線變寬最小—縱向弛豫最難發(fā)生。樣品流動性降低(從氣態(tài)到固態(tài))，

2下降，越多橫向弛豫發(fā)生---譜線寬。氣體

2最大，縱向弛豫最難發(fā)生。固體和粘度大的液體

2小，譜線很寬，分辨率低。25在相同狀態(tài)樣品中，兩種弛豫發(fā)生的作用剛好相反，只是在液態(tài)樣品中，二者的弛豫時間

1和

2大致相當(dāng)，在0.5-50s之間。兩種弛豫過程中，時間短者控制弛豫過程。

兩個問題：在NMR測量時，要消除順磁雜質(zhì)，為什么？在NMR測量時，要求將樣品高速旋轉(zhuǎn)，為什么？

低粘度的液體

2比固體和粘度大的液體的

2大得多，譜線窄，分辨率高。因此在測量高分辨率的NMR譜圖時，通常都將被測物質(zhì)配制成低粘度的溶液。26我們知道，大多數(shù)有機物都含有氫原子(1H核)，從前述公式

可以看出，在H0一定的磁場中，若分子中的所有1H都是一樣的性質(zhì)，即

H都相等，則共振頻率

0一致，這時只將出現(xiàn)一個吸收峰，這對NMR來說，將毫無意義。事實上，質(zhì)子的共振頻率與質(zhì)子在化合物中所處的化學(xué)環(huán)境是有關(guān)的。換句話說，處于不同化合物中的質(zhì)子或同一化合物中不同位置的質(zhì)子，其共振吸收頻率會稍有不同，或者說產(chǎn)生了化學(xué)位移-----通過測量或比較質(zhì)子的化學(xué)位移-----了解分子結(jié)構(gòu)-----這使NMR方法的存在有了意義。

0=

H0/(2)27化學(xué)位移

一.化學(xué)位移的由來——屏蔽效應(yīng)

二.化學(xué)位移的表示方法三、影響化學(xué)位移的因素四、化學(xué)位移與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系五、決定質(zhì)子數(shù)目的方法六、共振吸收峰（信號）的數(shù)目28化學(xué)位移一.化學(xué)位移的由來——屏蔽效應(yīng)

化學(xué)位移是由核外電子的屏蔽效應(yīng)引起的。

實驗證明：在相同的頻率照射下，化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子將在不同的磁場強度處出現(xiàn)吸收峰。

什么是化學(xué)位移？在一定的輻射頻率下，處于不同化學(xué)環(huán)境的有機化合物中的質(zhì)子，產(chǎn)生核磁共振的磁場強度或共振吸收頻率不同的現(xiàn)象，稱為化學(xué)位移。

化學(xué)環(huán)境:指原子核周圍的電子云密度以及鄰近化學(xué)鍵的排布情況29

H核在分子中不是完全裸露的，而是被價電子所包圍的。因此，在外加磁場作用下，由于核外電子在垂直于外加磁場的平面繞核旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生與外加磁場方向相反的感生磁場H'。這樣，H核的實際感受到的磁場強度為：

式中：σ為屏蔽常數(shù)

核外電子對H核產(chǎn)生的這種作用，稱為屏蔽效應(yīng)（又稱抗磁屏蔽效應(yīng)）。

顯然，核外電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)越強，要發(fā)生共振吸收就勢必增加外加磁場強度，共振信號將移向高場區(qū)；反之，共振信號將移向低場區(qū)。30因此，H核磁共振的條件是：二.化學(xué)位移的表示方法不同化學(xué)環(huán)境的H核，受到不同程度的屏蔽效應(yīng)的影響，因而吸收峰出現(xiàn)在核磁共振譜的不同位置上，吸收峰這種位置上的差異稱為化學(xué)位移。

31在有機化合物中，同類磁核因化學(xué)環(huán)境的不同而產(chǎn)生的共振頻率

，與它們自身的共振頻率相比是非常小的，即化學(xué)位移的變化只有百萬分之十左右。例如：選用90MHz的儀器掃場，H發(fā)生NMR的磁場范圍應(yīng)為2.1±0.000021T；若選用2.1T的儀器掃頻，則相當(dāng)于90±0.0009MHz的范圍。這一數(shù)值與總的外磁場相比顯得太小，要精確地測定其絕對值是困難的。為此化學(xué)位移采用的是相對表示法選一種化合物，以其中的磁核為標(biāo)準(zhǔn)，讓其他不同化學(xué)環(huán)境中的這類磁核與之比較，其差值就是化學(xué)位移。但同一個磁核在不同磁場強度的NMR儀器上，所測得的

值卻是不相同，數(shù)據(jù)缺乏通用性。32核磁共振儀所使用的固定頻率δ值是一個負(fù)值，為方便起見，去掉負(fù)號。因此，δ值大時表明信號在低場，δ值小時表明信號在高場。與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位移最大，但規(guī)定

TMS=0，其他種類氫核的位移為負(fù)值。這樣處理后，化學(xué)位移與所用儀器的磁場強度就無關(guān)了，而只受不同化學(xué)環(huán)境的影響?；瘜W(xué)位移的單位為ppm33(1)位移的標(biāo)準(zhǔn)沒有完全裸露的氫核，沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)。相對標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）位移常數(shù)

TMS=0(2)為什么用TMS作為基準(zhǔn)?

a.12個氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰；

b.屏蔽強烈，位移最大。與有機化合物中的質(zhì)子峰不重迭；

c.化學(xué)惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。34三、影響化學(xué)位移的因素凡影響電子云密度的因素都將影響化學(xué)位移。其中影響最大的是：誘導(dǎo)效應(yīng)和各向異性效應(yīng)。1、電負(fù)性的影響：

元素的電負(fù)性↑，通過誘導(dǎo)效應(yīng)，使H核的核外電子云密度↓，屏蔽效應(yīng)↓，共振信號→低場。例如：

-CH3，

=1.6~2.0，

小，高場；-CH2I，

=3.0~3.5,

大，低場屏蔽效應(yīng)3536電負(fù)性對化學(xué)位移的影響碳雜化軌道電負(fù)性：SP>SP2>SP3372.共軛效應(yīng)的影響使氫核周圍電子云密度增加，則磁屏蔽增加，共振吸收移向高場；反之，共振吸收移向低場。383、磁各向異性效應(yīng)：

A.雙鍵碳上的質(zhì)子

烯烴雙鍵碳上的H質(zhì)子位于π鍵環(huán)流電子產(chǎn)生的感生磁場與外加磁場方向一致的區(qū)域（稱為去屏蔽區(qū)），去屏蔽效應(yīng)的結(jié)果，使烯烴雙鍵碳上的H質(zhì)子的共振信號移向稍低的磁場區(qū)，其δ=4.5～5.7。去屏蔽效應(yīng)39同理，羰基碳上的H質(zhì)子與烯烴雙鍵碳上的H質(zhì)子相似，也是處于去屏蔽區(qū)，存在去屏蔽效應(yīng)，但因氧原子電負(fù)性的影響較大，所以，羰基碳上的H質(zhì)子的共振信號出現(xiàn)在更低的磁場區(qū)，其δ=9.4～10。

40

B.三鍵碳上的質(zhì)子：

碳碳三鍵是直線構(gòu)型，π電子云圍繞碳碳σ鍵呈筒型分布，形成環(huán)電流，它所產(chǎn)生的感生磁場與外加磁場方向相反，故三鍵上的H質(zhì)子處于屏蔽區(qū)，屏蔽效應(yīng)較強，使三鍵上H質(zhì)子的共振信號移向較高的磁場區(qū)，其δ=2～3。

41C.苯環(huán)上的6個

電子產(chǎn)生較強的誘導(dǎo)磁場，質(zhì)子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽。424.氫鍵效應(yīng)與溶劑化作用

由于形成氫鍵或溶劑化作用，使電子云密度降低（去屏蔽），因此化學(xué)位移增大。分子間形成氫鍵，其化學(xué)位移與溶劑特性及其濃度有關(guān);分子內(nèi)形成氫鍵則與溶劑濃度無關(guān)，只與分子本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。

431）活潑氫的

值與樣品的濃度、溫度及所用溶劑的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。高溫使OH、NH、SH等氫鍵程度降低，信號的共振位置移向較高場。2）識別活潑氫可采用重水交換。在δ=4.7處出現(xiàn)HDO單峰。

注意：3）溶劑選擇原則：稀溶液；不能與溶質(zhì)有強烈相互作用。44四、化學(xué)位移與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系①飽和烴-CH3:

CH3=0.791.10ppm-CH2:

CH2=0.981.54ppm-CH:

CH=CH3+(0.50.6)ppm

H=3.2~4.0ppm

H=2.2~3.2ppm

H=1.8ppm

H=2.1ppm

H=2~3ppm45②烯烴

端烯質(zhì)子：H=4.8~5.0ppm

內(nèi)烯質(zhì)子：H=5.1~5.7ppm

與烯基，芳基共軛：H=4~7ppm③芳香烴

芳烴質(zhì)子：H=6.5~8.0ppm

供電子基團取代-OR，-NR2時：H=6.5~7.0ppm

吸電子基團取代-COCH3，-CN，-NO2時：H=7.2~8.0ppm46-COOH：

H=10~13ppm-OH：（醇）H=1.0~6.0ppm

（酚）H=4~12ppm-NH2：（脂肪）H=0.4~3.5ppm

（芳香）H=2.9~4.8ppm

（酰胺）H=9.0~10.2ppm-CHO：

H=9~10ppm47五、決定質(zhì)子數(shù)目的方法吸收峰的峰面積，可用自動積分儀對峰面積進(jìn)行自動積分，畫出一個階梯式的積分曲線。

峰面積的大小與質(zhì)子數(shù)目成正比。

峰面積高度之比=質(zhì)子個數(shù)之比。

48一個化合物究竟有幾組吸收峰，取決于分子中H核的化學(xué)環(huán)境。

有幾種不同類型的H核，就有幾組吸收峰。

例如：

低分辨率譜圖

六、共振吸收峰（信號）的數(shù)目49自旋偶合與自旋裂分一、質(zhì)子與質(zhì)子之間的相互關(guān)系

二、自旋偶合與自旋裂分三、偶合常數(shù)六、簡化譜圖的方法四、自旋系統(tǒng)五、譜圖分類50一、質(zhì)子與質(zhì)子之間的相互關(guān)系：

化學(xué)等價核：同一分子中化學(xué)位移相同的質(zhì)子。化學(xué)等價質(zhì)子具有相同的化學(xué)環(huán)境?；瘜W(xué)不等價例子：

⑴對映異構(gòu)體在手性溶劑中：兩個CH3化學(xué)不等價在非手性溶劑中：兩個CH3化學(xué)等價51⑵構(gòu)象固定在環(huán)上CH2的兩個氫化學(xué)不等價。⑶單鍵不能快速旋轉(zhuǎn)，連于同一原子上的兩個相同基化學(xué)不等價。⑷與手性碳相連的CH2的兩個氫化學(xué)不等價。52磁等價：如果有一組化學(xué)等價質(zhì)子，當(dāng)它與組外的任一磁核偶合時，其偶合常數(shù)相等，該組質(zhì)子稱為磁等價質(zhì)子。磁等價包含兩層意思：磁等同例子：三個H核化學(xué)等同磁等同二個H核化學(xué)等同，磁等同；二個F核化學(xué)等同，磁等同。六個H核化學(xué)等同磁等同①化學(xué)等價（化學(xué)位移相同）②對組外任一個核具有相同的偶合常數(shù)（數(shù)值和鍵數(shù)）53Ha，Hb化學(xué)等價，磁不等同。JHaFa≠J

Hb

FaFa，F(xiàn)b化學(xué)等價，磁不等同。磁不同等例子：

二者間關(guān)系：化學(xué)等價，不一定磁等價；但磁等價的一定是化學(xué)等價的。54二、自旋偶合與自旋裂分在高分辨率核磁共振譜儀測定CH3CH2―I或CH3CH2OH時CH3―和―CH2―的共振吸收峰都不是單峰，而是多重峰。因質(zhì)子的自旋取向不同，相鄰的質(zhì)子之間相互干擾，從而使原有的譜線發(fā)生分裂，即產(chǎn)生了自旋-自旋耦合，自旋耦合所產(chǎn)生的分裂稱之為自旋-自旋分裂，如下圖。其大小以自旋耦合常數(shù)J表示。

偶合表示核的相互作用，裂分表示譜線增多的現(xiàn)象。55現(xiàn)以CH3CH2―I為例，討論自旋偶合與自旋裂分作用：

首先，分析―CH3上的氫（以Ha表示）：

它的鄰近―CH2―上有兩個H核（以Hb表示），Hb對Ha的影響可表示如下：

∵

H核的自旋量子數(shù)I=1/2，在磁場中可以有兩種取向，即：

+1/2（以↑表示）和－1/2（以↓表示）

這樣，Hb的自旋取向的排布方式就有以下幾種情況：56同理，也可畫出Ha對Hb的影響。57由此可見，裂分峰的數(shù)目有如下規(guī)律：

峰的數(shù)目=n+1n：為相鄰H核的數(shù)目58自旋偶合的限度（條件）1.磁等性質(zhì)子之間不發(fā)生偶合。2.兩個磁不等性質(zhì)子相隔三個σ鍵以上時，則不發(fā)生偶合。

3.同碳上的磁不等性質(zhì)子可偶合裂分。

59三、偶合常數(shù)每組吸收峰內(nèi)各峰之間的距離，稱為偶合常數(shù)，以Jab表示。下標(biāo)ab表示相互偶合的磁不等性H核的種類。

偶合常數(shù)的單位用Hz表示。偶合常數(shù)的大小與外加磁場強度、使用儀器的頻率無關(guān)。

偶合常數(shù)與化學(xué)位移都用

表示。但與化學(xué)位移不同的是，偶合常數(shù)J或自旋分裂程度的大小與場強無關(guān)。因此可以通過改變H0，看

是否變化來判斷是何種位移。偶合常數(shù)的大小,表示偶合作用的強弱。它與兩個作用核之間的相對位置、核上的電荷密度、鍵角、原子序數(shù)以及核的磁旋比等因素有關(guān)。60A與B是相互偶合的核，n為A與B之間相隔的化學(xué)鍵數(shù)目。相互偶合的兩組質(zhì)子，彼此間作用相同，其偶合常數(shù)相同。1）同碳偶合同一碳原子上的化學(xué)環(huán)境不同的兩個氫的偶合。2JH-HJ很大；Jab=10-16Hz612）鄰碳偶合兩個相鄰碳上的質(zhì)子間的偶合。3JH-C-C-H磁等同相鄰氫不發(fā)生偶合。3）遠(yuǎn)程偶合間隔四個化學(xué)鍵以上的偶合。常為二級譜圖。（一個單峰）核之間的作用較小，很少觀察到分裂，出現(xiàn)復(fù)雜的多重峰。

化學(xué)位移之差（Δυ）與偶合常數(shù)（Jab）之比大于6

或Jab=5-9Hz這種偶合也稱為一級偶合，所得NMR譜圖為一級譜圖Δυ接近或小于Jab或Jab<5Hz通常分子中被

鍵隔開。62四、自旋系統(tǒng)相互耦合的核組成自旋體系1）化學(xué)位移相同的核構(gòu)成一個核組。用A,B，M,X,……標(biāo)注；2）化學(xué)位移相差較大，用AM,AX,AMX,……標(biāo)注；化學(xué)位移相差較小，用AB,ABC,XY,……標(biāo)注；3）核組內(nèi)的核若磁等價，用A3,A2B,X2,……標(biāo)注；4）若核組內(nèi)的核磁不等價，用AA′A′′,……標(biāo)注。A3MM′XX′ABXA3631、AX系統(tǒng)（表現(xiàn)為一級譜圖）HF;HCCl2F;4條譜線，

A、X各占兩條，兩線高度相等。2、AX2系統(tǒng)（表現(xiàn)為一級譜圖）如：1，2，2-三氯乙烷3、A2X2系統(tǒng)（表現(xiàn)為一級譜圖）ab4、A3M2X2系統(tǒng)（表現(xiàn)為一級譜圖）5

、AMX系統(tǒng)共十二條譜線，各4條646、AB系統(tǒng)（高級譜）環(huán)上孤立CH2，二取代乙烯，四取代苯等。譜線關(guān)系：4條譜線高度不等，內(nèi)側(cè)兩線高于外側(cè)兩線65AB體系的理論計算值，設(shè)：討論：1）當(dāng)JAB<<

AB時，AX體系，當(dāng)JAB/

AB

時，A2體系（單線）。2）從NMR譜中只能求出JAB

和

AB的絕對值，而不能確定它們的符號。667、AA’BB’（高級譜）

對位取代苯環(huán)屬于該體系，其譜圖左右對稱，粗看似AB體系。671）一個(組)磁等價質(zhì)子與相鄰碳上的n個磁等價質(zhì)子偶合，將產(chǎn)生n+1重峰。如，CH3CH2OH2）一個(組)質(zhì)子與相鄰碳上的兩組質(zhì)子(分別為m個和n個質(zhì)子)偶合，如果該兩組碳上的質(zhì)子性質(zhì)類似的，則將產(chǎn)生m+n+1重峰，如CH3CH2CH3；如果性質(zhì)不類似，則將產(chǎn)生(m+1)(n+1)重峰，如CH3CH2CH2NO2；3）裂分峰的強度比符合(a+b)n展開式各項系數(shù)之比；

4）磁全同質(zhì)子之間觀察不到自旋偶合分裂，ClCH2CH2Cl，只有單重峰。1.一級譜（鄰碳質(zhì)子偶合）5）從譜圖中可直接讀出

和J，化學(xué)位移

在裂分峰的對稱中心（左右對稱），裂分峰之間的距離為偶合常數(shù)J五、譜圖分類68鄰近質(zhì)子數(shù)與裂分峰數(shù)和峰強度的關(guān)系：n+1的情況

鄰近氫數(shù)

裂分峰數(shù)

裂分峰強度011121：1231：2：1341：3：3：1451：4：6：4：1561：5：10：10：5：1(m+1)(n+1)的情況

（1+1）（1+1）的情況：四重峰，具有同樣的強度。

（2+1）（2+1）的情況：強度比為1：2：1：2：4：2：1：2：1，特征不明顯，通常不易分辨出來。6970五、高級譜（二級譜）一般情況下，譜峰數(shù)目超過n+1規(guī)律所計算的數(shù)目組內(nèi)各峰之間強度關(guān)系復(fù)雜一般情況下，

和J不能從譜圖中可直接讀出7871六、簡化譜圖的方法1.采用高場強儀器60MHz100MHz220MHzHCHBHA722.活潑氫D2O交換反應(yīng)氘代氫氧化鈉可以交換羰基碳上的α氫，與其偶合的質(zhì)子的峰形也隨之變化。AB733.介質(zhì)效應(yīng)OH>NH>SH12CDCl3溶液12氘代吡啶溶液744.去偶法（雙照射）第二射頻場H2υ2Xn（共振）AmXn系統(tǒng)消除了Xn對的Am偶合照射Haabc755.位移試劑稀土元素的離子與孤對電子配位后，相鄰元素上質(zhì)子的化學(xué)位移發(fā)生顯著移動。常用：Eu（DPM）3[三—（2,2,6,6—四甲基）庚二酮—3,5]銪OHOH76譜圖解析

一、譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息二、譜圖解析步驟三、譜圖解析四、聯(lián)合譜圖解析771.由吸收峰的組數(shù)，可以判斷有幾種不同類型的H核；

2.由峰的強度（峰面積或積分曲線高度），可以判斷各類H的相對數(shù)目；

3.由峰的裂分?jǐn)?shù)目，可以判斷相鄰H核的數(shù)目；

4.由峰的化學(xué)位移（δ值），可以判斷各類型H所屬的化學(xué)結(jié)構(gòu)；

5.由裂分峰的外型或偶合常數(shù)，可以判斷哪種類型H是相鄰的。

一、譜圖中化合物的結(jié)構(gòu)信息78二、譜圖解析步驟由分子式求不飽合度由積分曲線求1H核的相對數(shù)目解析各基團首先解析：再解析：(低場信號)

最后解析：芳烴質(zhì)子和其它質(zhì)子活潑氫D2O交換，解析消失的信號化學(xué)位移，偶合常數(shù)和峰數(shù)目用一級譜解析參考IR，UV，MS和其它數(shù)據(jù)推斷解構(gòu)得出結(jié)論，驗證解構(gòu)796個質(zhì)子處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，單峰。沒有直接與吸電子基團（或元素）相連，在高場出現(xiàn)。1.譜圖解析（1）三、譜圖解析80譜圖解析（2）質(zhì)子a與質(zhì)子b所處的化學(xué)環(huán)境不同，兩個單峰。單峰：沒有相鄰碳原子（或相鄰碳原子無質(zhì)子）質(zhì)子b直接與吸電子元素相連，產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng)，峰在低場（相對與質(zhì)子a）出現(xiàn)。質(zhì)子b也受其影響，峰也向低場位移。81譜圖解析（3）裂分與位移82譜圖解析（4）苯環(huán)上的質(zhì)子在低場出現(xiàn)。為什么？為什么1H比6H的化學(xué)位移大？832.譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定5223(1)化合物C10H12O287654321084譜圖解析與結(jié)構(gòu)確定步驟正確結(jié)構(gòu)：

=1+10+1/2(-12)=5δ2.1單峰三個氫，—CH3峰結(jié)構(gòu)中有氧原子，可能具有：δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰

O—CH2CH2—相互偶合峰

859δ5.30δ3.38δ1.37（2）、C7H16O3，推斷其結(jié)構(gòu)686結(jié)構(gòu)(2)確定過程C7H16O3，

=1+7+1/2(-16)=0a.δ3.38和δ1.37四重峰和三重峰—CH2CH3相互偶合峰b.δ3.38含有—O—CH2—結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中有三個氧原子，可能具有(—O—CH2—)3c.δ5.3CH上氫吸收峰，低場與電負(fù)性大的基團相連正確結(jié)構(gòu)：87（3）化合物C10H12O2，推斷結(jié)構(gòu)δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H88結(jié)構(gòu)(3)確定過程化合物C10H12O2，

=1+10+1/2(-12)=51.δ

2.32和δ1.2—CH2CH3相互偶合峰2.δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代3.δ5.21—CH2上氫，低場與電負(fù)性大的基團相連哪個正確?正確：B為什么?89（4）化合物C8H8O2，推斷其結(jié)構(gòu)98765431090結(jié)構(gòu)(4)確定過程化合物C8H8O2，

=1+8+1/2(-8)=5δ=7-8芳環(huán)上氫，四個峰對位取代δδ=9.87—醛基上氫，低δ=3.87CH3上氫，低場移動，與電負(fù)性強的元素相連：—O—CH3正確結(jié)構(gòu)：91四、聯(lián)合譜圖解析（1）C6H12O

1700cm-1,C=0,

醛,酮<3000cm-1,-C-H

飽和烴兩種質(zhì)子1：3或3：9-CH3：-C(CH3)3無裂分，無相鄰質(zhì)子92譜圖解析（2）C8H14O4

1700cm-1,C=0,

醛,酮，排除羧酸，醇，酚<3000cm-1,-C-H

飽和烴，無芳環(huán)

1．三種質(zhì)子4：4：６２．裂分，有相鄰質(zhì)子；３．

=1.3(6H)兩個CH3裂分為3,相鄰C有2H;CH3-CH2-4.

=2.5(4H),單峰,

CO-CH2CH2-CO-5.

=4.1(4H)低場(吸電子),兩個-O-CH2-93

譜圖解析（3）某分子式為C5H12O的化合物，含有五組不等性質(zhì)子，從NMR譜圖中見到：

a在δ=0.9處有一個二重峰(6H)b在δ=1.6處有一個多重峰(1H)(6+1)(1+1)=14重峰

c在δ=4.6處有一個八重峰(1H)(3+1)(1+1)=8重峰

d在δ=3.6處有一個單峰(1H)e在δ=1.1處有一個二重峰(3H)解析得其結(jié)構(gòu)為：

94譜圖解析（4）化合物C9H10O在UV中260nm、285nm有吸收；IR譜中于1720cm-1有吸收；NMR譜在δ7.2處（5H）單峰，δ3.6處（2H）單峰，δ2.1處（3H）單峰。試由上述光譜資料推測化合物的結(jié)構(gòu)。UV譜中

260nm為苯環(huán)中碳碳雙鍵的ππ*

285nm為

中的

nπ*

IR譜中1720cm-1的吸收峰為

伸縮振動吸收峰，

NMR譜中

δ7.2（5H）單峰，為苯環(huán)上的H，

δ2.1（3H）單峰，為與相連的甲基氫，

δ3.6（2H）單峰，為與苯環(huán)和相連的-CH2-上的氫，都為單峰，說明未發(fā)生偶合。解：化合物的不飽和度為5，可能含有苯環(huán)。95故該化合物的結(jié)構(gòu)為：

96核磁共振儀及實驗技術(shù)一、樣品的制備：二、NMR儀器三、二維核磁共振譜簡介97一、樣品的制備：試樣濃度：5-10%；需要純樣品15-30mg；傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1mg；試樣中若含有灰塵或順磁性雜質(zhì)，會導(dǎo)致局部磁場的不均勻，使譜線加寬或使信號譜線消失。對含氧的樣品應(yīng)進(jìn)行脫氣處理；固體樣品應(yīng)配成溶液測定。標(biāo)樣濃度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶劑：1H譜四氯化碳，二硫化碳；（不含質(zhì)子，沸點低，與樣品不發(fā)生締合、溶解性好、價格便宜）氘代溶劑：氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物；為避免溶劑中H的干擾。水溶性物質(zhì)常用D2O作為溶劑98二、NMR儀器一、分類：按磁場來源：永久磁鐵、電磁鐵、超導(dǎo)磁鐵按照射頻率：60MHz、90MHz、200MHz…………..按掃描方式：連續(xù)波NMR儀（CW-NMR）和脈沖傅立葉變換NMR儀（PFT-NMR）二、儀器組成：

1、磁鐵

0=

H0/(2)991）永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。提供0.7046T(30MHz)或1.4092T(60MHz)的場強。特點是穩(wěn)定，耗電少，不需冷卻，但對室溫的變化敏感，因此必須將其置于恒溫槽內(nèi)，再置于金屬箱內(nèi)進(jìn)行磁屏蔽。恒溫槽不能斷電，否則要將溫度升到規(guī)定指標(biāo)要2~3天！

2）電磁鐵：提供2.3T的場強，由軟磁鐵外繞上激磁線圈做成，通電產(chǎn)生磁場。它對外界溫度不敏感，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)快，但耗電量大，須要水冷，日常維護(hù)難。

3）超導(dǎo)磁鐵：提供5.8T的場強，最高可達(dá)12T，由金屬(如Nb、Ta合金)絲在低溫下(液氮)的超導(dǎo)特性而形成的。在極低溫度下，導(dǎo)線電阻降為零，通電閉合后，電流可循環(huán)不止，產(chǎn)生強磁場。特點是場強大、穩(wěn)定性好，但儀器價格昂貴，日常維護(hù)費用極高。1002．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。60MHz或100MHz。4．樣品管：外徑5mm的玻璃管,測量過程中旋轉(zhuǎn),磁場作用均勻。3．射頻信號接受器（檢測器）：當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生毫伏級信號。

0/H0=h

/(2)101核磁共振波譜儀102傅立葉變換核磁共振波譜儀不是通過掃場或掃頻產(chǎn)生共振；恒定磁場，施加全頻脈沖，產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號，經(jīng)過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺多道儀）103超導(dǎo)核磁共振波譜儀：

永久磁鐵和電磁鐵：

磁場強度<25kGs超導(dǎo)磁體：鈮鈦或鈮錫合金等超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)線圈；在低溫4K，處于超導(dǎo)狀態(tài)；磁場強度>100kGs開始時，大電流一次性勵磁后，閉合線圈，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，長年保持不變；溫度升高，“失超”；重新勵磁。超導(dǎo)核磁共振波譜儀：

200-400HMz；可高達(dá)600-700HMz；104NMR譜儀400MHz600MHz750MHz900MHz105Two-dimentionalNMRspectra1971年J.Jeener首次提出了二維核磁共振的概念Ernst教授進(jìn)行了大量卓有成效的研究，推動了二維核磁共振的發(fā)展，再加上他對脈沖-傅立葉變換核磁共振的貢獻(xiàn)，獲1991年諾貝爾化學(xué)獎——提供相互偶合的觀察核之間的相關(guān)關(guān)系信息——確定復(fù)雜分子（如生物分子）的結(jié)構(gòu)——研究分子與分子之間相互作用——了解生物分子在溶液狀態(tài)時的空間結(jié)構(gòu)（X-單晶衍射無法做到）三、二維核磁共振譜簡介106二維NMR譜二維譜實驗在時間域以兩個獨立的時間變量進(jìn)行一系列實驗，得到信號S（t1，t2）。

第二個時間變量t2表示采樣時間，第一個時間變量t1則是與t2無關(guān)的獨立變量，是2D脈沖序列中某個按一定規(guī)律變化的時間間隔。經(jīng)兩次Fourier變換得到兩個獨立的頻率變量的信號函數(shù)S（

1，

2）.107最常用的屬COSY——位移相關(guān)譜含有兩個頻率軸和一個強度軸H，HCOSY，C，HCOSY108一維譜中譜峰往往嚴(yán)重重疊，造成譜線裂分不能清楚分辨，耦合常數(shù)不易讀出。在二維J分解譜中，只要化學(xué)位移

略有差別，峰組的重疊就有可能避免，從而解決一維譜譜峰重疊的問題。109110111112113NMR的三個方向：液體高分辨核磁共振生物大分子固體高分辨核磁共振材料核磁共振成象（MRI）醫(yī)學(xué)114115

碳核磁共振（13C-NMR）

一、概述

由于碳原子構(gòu)成了有機化合物分子的基本骨架，因此，

13C-NMR波譜提供的分子結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息比1H-NMR波譜更多、更重要、更直接。

自然界存在的碳同位素中，

12C雖然豐度比最大，但因I=0，沒有磁性而無法測定，

13C雖有磁性，但因觀測靈敏度只有1H的1/64，且豐度比甚小，僅1.1%；故總的信號靈敏度僅約為1H的1/6000，致使13C-NMR長期不能投入實際應(yīng)用。近年來由于PFT（脈沖傅里葉變換法）核磁共振裝置的出現(xiàn)及計算機的引入，

13C-NMR波譜法才得到真正的應(yīng)用。11513C峰度僅1.11％，比1H信號弱得多，約1/6400化學(xué)位移范圍：0～220ppm提供各種類型碳（伯、仲、叔、季碳）的信息。不能用積分曲線獲取碳的數(shù)目信息鄰近有吸電子基團，信號移向低場（δ變大）碳周圍電子密度增加，信號移向高場（δ變?。┏Ｒ?guī)13CNMR譜為全去偶譜，因而所有的碳信號均為單峰。116碳的類型d(ppm)碳的類型d(ppm)sp3TMS0sp2=C100-150RCH38-35ArC110-170RCH2R15-50RCONH2165-175R3CH20-60RCOOR165-175R4C30-40RCOOH175-185C-I0-40RCHO190-200C-Br25-65RCOR205-220C-Cl35-80C-N40-60C-O50-80