第九章 核磁共振.ppt

1、第八章核磁共振波譜法,(Nuclear Magnetic Resonance Spectrum, NMR ),發(fā)展歷史： 1924年P(guān)auli預(yù)言了NMR的基本理論：有些核同時(shí)具有自旋和磁量子數(shù)，這些核在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生分裂； 1946年，Harvard 大學(xué)的Purcel和Stanford大學(xué)的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)到核磁共振的現(xiàn)象，并于1952年分享了Nobel獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)； 1953年Varian開始商用儀器開發(fā)，并于1956年做出了第一臺(tái)高分辨核磁共振商品儀器。 1956年，Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對(duì)核磁共振信號(hào)有影響，而這一影響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。,核磁共振波譜法的應(yīng)用： 在有機(jī)

2、物結(jié)構(gòu)研究方面 氫譜主要可給出三方面結(jié)構(gòu)信息：質(zhì)子類型、氫分布、核間關(guān)系 在物理化學(xué)研究方面 在定量方面 醫(yī)療和藥理研究,第一節(jié) 基本原理,一、一般認(rèn)識(shí),在強(qiáng)磁場(chǎng)中，有些核發(fā)生能吸收射頻輻射（約4900MHz）-產(chǎn)生所謂NMR現(xiàn)象。 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(duì)象是處于強(qiáng)磁場(chǎng)中的原子核對(duì)射頻輻射的吸收。 說明該核具有一定的能級(jí)。,二、原子核的自旋,核的自旋角動(dòng)量P是量子化的，不能任意取數(shù)，可用核的自旋量子數(shù)I表示,核自旋可按的數(shù)值分為3類,自旋量子數(shù)I0的原子核有自旋現(xiàn)象和自旋角動(dòng)量。當(dāng) I= 時(shí)，核電荷呈球形分布于核表面，它們的核磁共振現(xiàn)象較為簡(jiǎn)單，屬于

3、這一類的主要原子核有1H1、13C6、19F9、31P15。其中研究最多、應(yīng)用最多的是1H和13C核磁共振譜。,核磁矩： 原子核為帶電的粒子，自旋時(shí)將產(chǎn)生磁矩。 空間量子化：,m = P,按照量子理論，磁性核在外加磁場(chǎng)中的自旋取向不是任意的，并可按下式計(jì)算： 自旋取向數(shù)=2I+1 以磁量子數(shù)m表示每一種取向,m=I, I-1,I-2,-I,磁旋比,共振條件 (1)核有自旋(磁性核) (2)外磁場(chǎng),能級(jí)裂分; (3)照射頻率與外磁場(chǎng)的比值 0 / H0 = / (2 ),三、弛豫歷程,第二節(jié) 氫核磁共振,一、化學(xué)位移,HN=H0 (1-)h=2H0 (1-)H0 = h / 2H0 (1-),屏

4、蔽效應(yīng)越強(qiáng)，值越大，共振信號(hào)越在高磁場(chǎng)出現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)品：常用TMS 含水介質(zhì)改用3-三甲基硅丙烷磺酸鈉 高溫下測(cè)定時(shí)使用六甲基二硅醚（HMDS),2、影響化學(xué)位移的因素,1）電負(fù)性 2）磁性各向異性效應(yīng) 3）氫鍵締合 4）氫鍵交換,解決的方法： 加入重水,3、化學(xué)位移與官能團(tuán)類型,二、峰面積與氫核數(shù)目,其高度代表其下方所對(duì)應(yīng)的峰面積，因此用直尺即可量出各峰組面積之比。各峰組的面積之比反映各官能團(tuán)的氫原子數(shù)之比。,圖中從左到右的三組峰，分別為鄰位二取代苯環(huán)、CH2和CH3的譜峰。積分曲線位于這些峰組的上方，呈現(xiàn)若干水平階梯狀的曲線。,三、峰的分裂及偶合常數(shù),1、n+1規(guī)律,與某一質(zhì)子鄰近的質(zhì)子數(shù)為n

5、時(shí),核磁共振信號(hào)裂分為n+1重峰,其強(qiáng)度如下:,2、磁等同氫核,雙鍵末端的兩個(gè)氫核,單鍵帶有雙鍵性質(zhì)時(shí),與不對(duì)稱碳相連的亞甲基,譜線裂分所產(chǎn)生的裂距是相等的，它反映了核之間耦合作用的強(qiáng)弱，稱為耦合常數(shù)J，以Hz為單位。,3、耦合常數(shù),4、低級(jí)偶合和高級(jí)偶合,低級(jí)偶合：系統(tǒng)中兩組相互干擾的氫核化學(xué)位移差值比耦合常數(shù)大得多，干擾作用較弱。 高級(jí)偶合：自旋核和相互干擾作用比較嚴(yán)重，峰分裂不符合n+1規(guī)律。,五、NMR儀器,四、1H-NMR譜測(cè)定技術(shù),1、去偶試驗(yàn) 1H-NMR中采用的是同核去偶試驗(yàn)，通過選擇照射偶合體系中某個(gè)(組）質(zhì)子，使之飽和，則由該質(zhì)子造成的偶合影響將會(huì)消除，原先受其影響而裂分的

6、質(zhì)子信號(hào)將會(huì)變成單峰。,2、位移試劑 在含氧或含氮化合物中，某些質(zhì)子信號(hào)，如醇、胺、酮、醚、酯等的信號(hào)，可因加入特殊的化學(xué)試劑而發(fā)生位移，這類試劑叫做位移試劑。 如： 在含氧或含氮化合物中，向其溶液中加入鑭系元素的順式-二酮配合物，可使待測(cè)物分子的質(zhì)子NMR譜大大拉開，從而簡(jiǎn)化圖譜。 常用的位移試劑有Eu（低場(chǎng)位移）及Pr（高場(chǎng)位移）的2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮（DPM)及氟化烷基-二酮（FOD）配合物。,3、核的NOE效應(yīng),兩組不同類型質(zhì)子位于相近的空間距離時(shí)，照射其中一個(gè)（組）質(zhì)子會(huì)使另一個(gè)（組）質(zhì)子的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，這種效應(yīng)簡(jiǎn)稱為NOE效應(yīng)。 通常以照射后信號(hào)增強(qiáng)的百分率表示。

7、 NOE與距離的6次方成反比，故其數(shù)值大小直接反映了相關(guān)質(zhì)子的空間距離，可以據(jù)此確定分子中某些基團(tuán)的空間相對(duì)位置、立體構(gòu)象及優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，對(duì)研究分子的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)有重要的意義。,NOE差光譜,六、樣品制備,樣品純度需預(yù)先進(jìn)行確認(rèn)，選擇適當(dāng)氘代溶劑做成15%-20%（W/V）濃度的溶液，濾入樣品管中，至液層高約35-40mm，加入TMS等基準(zhǔn)物質(zhì)后待用。 1）在測(cè)試樣品時(shí)，選擇合適的溶劑配制樣品溶液，樣品的溶液應(yīng)有較低的粘度，否則會(huì)降低譜峰的分辨率。 2）對(duì)于核磁共振氫譜的測(cè)量，應(yīng)采用氘代試劑以便不產(chǎn)生干擾信號(hào)。對(duì)低、中極性的樣品，最常采用氘代氯仿作溶劑，極性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。 3）

8、基準(zhǔn)物質(zhì)不能加在樣品溶液中，可將液態(tài)基準(zhǔn)物質(zhì)（或固態(tài)基準(zhǔn)物質(zhì)的溶液）封入毛細(xì)管再插到樣品管中，稱之為外標(biāo)。 4）標(biāo)準(zhǔn)參考物的用量應(yīng)視試樣量而定，控制在使其峰高度高于噪音峰值的幾倍，但不應(yīng)超過被測(cè)物中最高峰高度為宜。,第三節(jié) 碳核磁共振,一、基本原理,在C的同位素中，只有13C有自旋現(xiàn)象，其自旋量子數(shù)I=1/2，存在核磁共振吸收。由于c= H /4，且13C的天然豐度只有1.1%，因此13C核的測(cè)定靈敏度很低，大約是H核的1/6000，測(cè)定困難。 直到PFT-NMR出現(xiàn),在NMR測(cè)定裝置中，在y軸的檢測(cè)器上接收的信號(hào)為自由感應(yīng)衰減信號(hào)（free induction decay, FID）信號(hào)。

9、FID 信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間t變化的函數(shù)，故又稱為時(shí)疇函數(shù)，用f（t）表示。而NMR信號(hào)則是隨頻率而變化的函數(shù)，又稱頻疇函數(shù)。兩者均包括核躍遷的化學(xué)位移及耦合常數(shù)等信息，且正好是一對(duì)傅里葉變化對(duì)，故由測(cè)得的FID信號(hào)經(jīng)傅里葉變換過程即可得我們熟悉的NMR圖。 單次FID信號(hào)弱，采用多次脈沖，F(xiàn)ID信號(hào)多次累加。,13C NMR的優(yōu)點(diǎn)： 值范圍很寬，一般為0250，化學(xué)環(huán)境相差很小的C，在碳譜上都能分開出峰。 13C NMR的問題： 碳與氫核的偶合作用很強(qiáng)，偶合常數(shù)較大。 直接相連的1H的偶合影響： 13C的信號(hào)表現(xiàn)為 q(CH3)、t(CH2)、d（CH)及s（C)。除此之外，還可能同時(shí)存在遠(yuǎn)程偶

10、合的影響，形成更為復(fù)雜的圖譜，給圖譜的測(cè)定與解析造成很大的困難。因此，碳譜的測(cè)定技術(shù)較為復(fù)雜，識(shí)譜時(shí)一定要注意譜圖的制作方法及條件。,二、常見13C NMR譜的類型及其特征,1、質(zhì)子寬帶去偶譜 又稱質(zhì)子噪音去偶譜 制作方法：在掃描時(shí)，同時(shí)用一強(qiáng)的去偶射頻對(duì)可使全部質(zhì)子共振的射頻區(qū)進(jìn)行照射，使全部質(zhì)子飽和，從而消除碳核和氫核間的偶合，得到簡(jiǎn)化的譜圖。,COM譜特點(diǎn)： 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。 無法區(qū)分碳的類型（伯碳、仲碳、叔碳、季碳）。,COM譜上信號(hào)強(qiáng)度與碳的數(shù)目不完全呈定量相關(guān)， 而與各個(gè)碳的縱向弛豫時(shí)間T1有關(guān)。T1越小，信號(hào)越強(qiáng)。

11、羰基碳和雙鍵季碳因T1值很大，故吸收信號(hào)非常弱。,2、偏共振去偶(OFR) 用途：識(shí)別伯、仲、叔、季不同類型的碳。,采用一個(gè)頻率范圍很小、比質(zhì)子寬帶去偶功率弱很多的射頻場(chǎng)（H2），其頻率略高于待測(cè)樣品所有氫核的共振吸收位置的頻率（如在TMS的高場(chǎng)1001000Hz范圍），使1H與13C之間在一定程度上去偶，不僅消除了2J4J的弱偶合，而且使1J減小到J的1/10左右。,基團(tuán)： CH3 CH2 CH C 峰數(shù): q t d s,3、選擇性氫核去偶譜（SEL）及遠(yuǎn)程選擇性氫核去偶譜（LSPD）,在氫核信號(hào)歸屬已經(jīng)明確的前提下，用弱或很弱的能量選擇性的照射某種（組）（單照射）或某幾種（組）（雙照射或

12、三重照射）特定的氫核，以分別消除它們對(duì)相關(guān)碳的偶合影響。 此時(shí)圖譜上峰形發(fā)生變化的信號(hào)只是與之有偶合相關(guān)或遠(yuǎn)程偶合相關(guān)的13C信號(hào)。,4、無畸變極化轉(zhuǎn)移增強(qiáng)技術(shù)（DEPT）,采用兩種特殊的脈沖系列分別作用于高靈敏度的lH核及低靈敏度的13C核，將靈敏度高的lH核磁化轉(zhuǎn)移至靈敏度低的13C核上,從而大大提高13C核的觀測(cè)靈敏度。,用途：識(shí)別伯、仲、叔、季碳。,季碳消失,A-C,A+C-B,三、化學(xué)位移 13C-NMR化學(xué)位移的幅度較寬，通常為0230ppm。 在COM譜中，信號(hào)均為單峰，彼此之間很少重疊，識(shí)別起來比較容易。 化學(xué)位移的影響因素： 碳原子的雜化狀態(tài)、碳核的電子云密度、誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛

13、效應(yīng)、立體效應(yīng)、其它因素。,四、13CNMR的解析實(shí)例 1.已知化合物：對(duì)照法。 2.未知化合物：解析法。 一般碳譜解析主要程序是： （1）通過分子式計(jì)算不飽和度。 （2）由寬帶去偶的峰數(shù)（l）與分子式中碳原子數(shù)（m）比較，判斷分子的對(duì)稱性。若lm，表示分子沒有對(duì)稱性；若lm，表示分子有一定的對(duì)稱性，l值越小，分子的對(duì)稱性越高。,（3）標(biāo)出各譜線的化學(xué)位移，辨別碳核的類型和可能的官能團(tuán)。 根據(jù)COM測(cè)定化學(xué)位移，DEPT(OFR)譜確定碳的類型，以及峰高和對(duì)稱狀況，對(duì)各峰作大體歸屬。,（4）決定結(jié)構(gòu)單元；再連接各個(gè)結(jié)構(gòu)單元，組成若干個(gè)可能結(jié)構(gòu)，尋找論據(jù)來排除非正確的結(jié)構(gòu)式。,（5）對(duì)推斷的結(jié)構(gòu)

14、進(jìn)行確認(rèn)、對(duì)圖譜上出現(xiàn)的信號(hào)一一進(jìn)行歸屬。,例、化合物的分子式為C5H8O2，13CNMR圖譜如圖，求化合物的結(jié)構(gòu)式。,解： 1）計(jì)算U2，說明可能有雙鍵。l=m,2）峰E（S），166.81，說明是COOH或COOR的結(jié)構(gòu)，而不是醇或醚。,3）峰D（d），144.59和峰C（d），122.83均為SP2碳，說明有-CHCH-結(jié)構(gòu)。,4）峰B（q），51.22而且沒有微細(xì)裂分（即沒有遠(yuǎn)程偶合），說明是甲醇酯中的甲基。,綜上所述，化合物3的結(jié)構(gòu)為：,5）峰A（q）是甲基。在高磁場(chǎng)，所以只能是與CHCH上相連接的甲基。,第四節(jié) 二維核磁共振簡(jiǎn)介,二維傅立葉變換核磁共振譜是八十年代發(fā)展起來的核磁共振

15、新技術(shù)，是NMR軟件開發(fā)和應(yīng)用最新技術(shù)的成果。 二維譜是將NMR提供的信息，如化學(xué)位移和偶合常數(shù)等，用二維座標(biāo)系繪制成的圖譜。 包括2D-J分解譜、2D-相關(guān)譜、NOE相關(guān)譜。其中2D-相關(guān)譜是應(yīng)用最普遍的二維譜。,1、同核位移相關(guān)譜 最常用的同核位移相關(guān)譜稱為COSY(correlated spectrosopy）。,CH3-CHCl-CH2-CH3,該圖的上方有一氫譜與之對(duì)應(yīng)，圖的側(cè)面也可能有一氫譜與之對(duì)應(yīng)。COSY譜中有一條對(duì)角線，常見的為左低右高。對(duì)角線上有若干峰組，它們和氫譜的峰組一一對(duì)應(yīng)。這些峰稱為對(duì)角線峰或自動(dòng)相關(guān)峰，它們不提供耦合信息。對(duì)角線外的峰組稱為交叉峰或相關(guān)峰，它反映兩峰組之間的耦合關(guān)系。通過任一交叉峰組作垂線，會(huì)與(一對(duì)角線峰組)及上方氫譜中的一個(gè)峰組相交，此峰組是參與耦合的一個(gè)峰組。仍通過該交叉峰作水平線，會(huì)與一對(duì)角線峰組相交，通過后者作垂線，會(huì)與氫譜中的另一峰組相交，此峰組則是參與耦合的另一峰組。因此從任一交叉峰即可確定相應(yīng)的兩峰組之間的耦合關(guān)系，我們完全不用管（一維）氫譜中的峰形。 COSY主要反映相距三根鍵的氫（鄰碳?xì)洌┑鸟詈详P(guān)