儀器分析第十五章核磁共振波譜法

1、2024年3月20日3時17分,第十五章 核磁共振波譜法(NMR),(nuclear magnetic resonance),核磁共振,在強(qiáng)磁場的誘導(dǎo)下，一些原子核能產(chǎn)生核自旋能級分裂，當(dāng)用一定頻率的無線電波照射分子時，便能引起原子核自旋能級的躍遷。這種原子核在磁場中吸收一定頻率的無線電波而發(fā)生自旋能級躍遷的現(xiàn)象，稱為核磁共振。,核磁共振波譜與核磁共振波譜法,以核磁共振信號強(qiáng)度對照射頻率（或磁場強(qiáng)度）作圖，所得圖譜稱為核磁共振波譜。

2、利用核磁共振波譜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)（包括構(gòu)形和構(gòu)象）測定、定性及定量分析的方法稱為核磁共振波譜法或稱核磁共振光譜法。,乙苯的核磁共振譜,,發(fā)展簡史,1946年美國斯坦福大學(xué)的F. Bloch和哈佛大學(xué) E M Purcell領(lǐng)導(dǎo)的兩個研究組首次獨(dú)立觀察到核磁共振信號，由于該重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，他們兩人共同榮獲1952年諾貝爾物理獎。初期應(yīng)用僅限于物理學(xué)領(lǐng)域。1950年前后，W.G Proctor等發(fā)現(xiàn)化學(xué)位移和自旋偶合現(xiàn)象，開拓了NMR在化學(xué)領(lǐng)

3、域中的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使脈沖傅立葉變換核磁共振方法和儀器得以實現(xiàn)和推廣，引起該領(lǐng)域的革命性進(jìn)步。,應(yīng)用,應(yīng)用最多的是 1H-NMR，又稱質(zhì)子核磁共振譜（PMR）。提供的信息：質(zhì)子類型及其化學(xué)環(huán)境；氫的分布；核間關(guān)系。不足：不能提供無氫基團(tuán)的信息。13C-NMR提供的信息：碳骨架及相關(guān)結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動。不足：靈敏度低；峰面積與碳數(shù)一般不成比例。,原子核的自旋,核磁共振的研究對象為具有磁矩的原子核。,自旋量

4、子數(shù) I ≠ 0 的原子核具有核磁矩。,各種核的自旋量子數(shù)和核磁共振,無外磁場時，核磁矩的取向是任意的，若將原子核置于磁場中，則核磁矩可有不同的排列，共有2I+1 個取向，原來簡并的能級分裂成個2I+1個磁能級。氫原子核I =1/2，則裂分成2個磁能級。,核的能級分裂,在垂直于H0的方向施加頻率為射頻區(qū)域的電磁波，作用于1H，而其能量正好等于能級差ΔE，1H就能吸收電磁波的能量，從低能級躍遷到高能級，這就是核磁共振現(xiàn)象。外加電磁波的頻率

5、? 為：,核磁共振的條件,若欲觀察核磁共振信號，只需調(diào)節(jié)電磁波的頻率ν(即射頻)或外磁場強(qiáng)度H0，使之滿足共振條件式，即可產(chǎn)生核磁共振。具體做法有兩種： 一種是固定射頻ν，不斷改變外磁場強(qiáng)度H0(磁場掃描)，這種方法稱為掃場；另一種是固定H0，不斷改變ν (頻率掃描)，這種方法稱為掃頻。一般儀器多采用掃場的方法。,屏蔽效應(yīng)（shielding）,在外磁場H0的作用下，氫核外電子云產(chǎn)生一個方向與H0相反，大小與H0成正比的感應(yīng)磁場。

6、該感應(yīng)磁場對原子核起屏蔽作用，使原子核實際所受到的外磁場強(qiáng)度減小。,化學(xué)位移(chemical shift),分子中不同位置質(zhì)子(化學(xué)環(huán)境不同)的核外電子云密度有差別，實際受到H0的作用不同。屏蔽作用大小可用屏蔽常數(shù)(shielding constant)? 表示：,核外電子云密度增加，? 值增大，核實際受到的外磁場作用減小，核的共振頻率下降。因1H所處化學(xué)環(huán)境不同而造成的共振頻率的變化稱為化學(xué)位移。,化學(xué)位移的表示方法,沒有完全裸露的

7、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,,低場高頻,高場低頻,影響化學(xué)位移的因素1.局部屏蔽（local shielding),相鄰基團(tuán)或原子的電負(fù)性增大，屏蔽效應(yīng)減弱，氫核δ值增大。,影響化學(xué)位移的因素2.磁各向異性（magnetic anisotropy）,化學(xué)鍵，尤其是π鍵在外磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，在周圍空間

8、各個方向上的磁性并不完全相同，因此對鄰近的不同方向上的氫核的化學(xué)位移將產(chǎn)生不同的影響，使δ值升高或降低。這種現(xiàn)象稱為磁各向異性效應(yīng)。,苯環(huán)的磁各向異性,δ≈7.3ppm,雙鍵和叁鍵的磁各向異性,δ=5.25ppm,δ=2.88ppm,氫鍵的去屏蔽效應(yīng),氫鍵的形成能使羥基或其它基團(tuán)上的氫核的δ值明顯增大，氫鍵起到了相當(dāng)于去屏蔽的作用。由于影響氫鍵形成的因素很多，所以羥基和氨基上的氫核δ值都有一個較大的變化范圍。,常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍,

9、,甲基氫、亞甲基氫與次甲基氫δ值計算,,,,O,C,H,3,,－,,C,H,2,－,,C,,－,O,,－,,C,H,,－,,C,H,2,,－,,C,H,3,a,b,c,d,e,C,H,3,,f,CH3：δa =0.87+0=0.87 (0.90)δb =0.87+0.18（β-COR）=1.05 (1.16)δc =0.87+0.38（β-OCOR）=1.25

10、 (1.21),每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，有時多重峰。,原因：相鄰兩個氫核之間的自旋偶合（自旋干擾）,自旋偶合和自旋分裂,磁核之間的相互作用稱為自旋-自旋偶合(spin-spin coupling)，吸收峰產(chǎn)生裂分的現(xiàn)象稱為自旋分裂。裂分峰之間的裂距表示磁核之間相互作用的程度，稱作偶合常數(shù)(coupling constant)，用 J 表示。偶合常數(shù)是一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。,峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積,n+1規(guī)律,某基團(tuán)的H與n個相鄰H偶合時，將被分

11、裂成（n+1）峰，各峰的高度比為二項式展開式的系數(shù)比。若有不同組磁核，H數(shù)分別為n和n’，且偶合常數(shù)相同，則峰的裂分?jǐn)?shù)為（n + n’+1）。若有不同組磁核，數(shù)目分別為n和n’，但偶合常數(shù)不同，則峰的裂分?jǐn)?shù)為(n+1)(n’+1)。 n+1規(guī)律只適用于I=1/2，且△ν/J >10 的初級譜。對于其它I≠1/2，該規(guī)律可改為2nI+1。,n+1規(guī)律示例,2-溴丙烷的NMR譜,偶合常數(shù)－偶合類型,偕偶（genminal cou

12、pling）： 同碳偶合，常用2J表示。烷烴2J大，但在譜圖上常見不到峰分裂。烯烴2J小，但能見到分裂。鄰偶（vicinal coupling） 相隔三個單鍵的偶合。最常見。遠(yuǎn)程偶合（long range coupling） 相隔四個或四個鍵以上的偶合。小，不重要。,偶合常數(shù)－影響因素,偶合核間距角度電子云密度與外磁場強(qiáng)度無關(guān)。（表15－5）,NMR解析的一般步驟,1. 求不飽和度U。2.據(jù)峰面積積分曲線

13、，求出H數(shù)比例，再由分子式，求出各組峰的質(zhì)子數(shù)。3.先解析孤立的峰（如CH3-O-, CH3-N-, CH3-Ar-,等）；再解析特征峰（主要是醛基、羧基、羥基等）。4.據(jù)△ν/J 確定一級偶合與高級偶合。,NMR解析的一般步驟,5.一級偶合根據(jù)δ值、（n+1）規(guī)律及質(zhì)子數(shù)，確定偶合系統(tǒng)，推測結(jié)構(gòu)。6.高級偶合則需采取其他方法 擴(kuò)展縱坐標(biāo)、運(yùn)用更高頻率的儀器、或使用位移試劑使譜線的化學(xué)位移拉開。也可根據(jù)高級偶合的特征譜

14、形確定偶合系統(tǒng)，推測結(jié)構(gòu)。 7.其他輔助手段 重水交換活潑氫；參考UV、IR、MS等數(shù)據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照，計算數(shù)據(jù)核查。,譜圖解析示例1,,,,,,,,,,,5,2,2,3,,,化合物 C10H12O2,8 7 6 5 4 3 2 1 0,正確結(jié)構(gòu)：,解：U=1+

15、10-12÷2=5,δ 2.1單峰三個氫，—CH3峰 結(jié)構(gòu)中有氧原子，可能具有：,δ 7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代,δ 3.0和δ 4.30三重峰和三重峰 O—CH2CH2—相互偶合峰,,,NMR解析示例2分子式為C4H7BrO2，δa1.78(d), δb2.95(d), δc4.43(sex), δd10.70(s), Jac=6.8Hz, Jbc=6.

16、8Hz,解：U=（2＋2×4－8）/2=1，只有一個雙鍵。 各峰的氫核數(shù)目： a=1.6×7/(2+1+0.5+0.6) ≈ 3H b=1×7/(2+1+0.5+0.6) ≈ 2H c=0.5×7/(2+1+0.5+0.6) ≈ 1H d=0.6×7/(2+1+0.5+0.6) ≈ 1H據(jù)n+1

17、律，又因Jac≈Jbc，推測應(yīng)該含有 -CH2-CH-CH3,C4H7BrO2,可能的結(jié)構(gòu)為：,計算δCH： 結(jié)構(gòu)(1) δCH=1.55+1.05+0.25=2.85 結(jié)構(gòu)(2) δCH=1.55+2.68+0= 4.23,由此推測該化合物的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)（2）,譜圖解析示例3,化合物 C8H8O2，推斷其結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,9,8,7,6,5,4,3,10,解：,化合物 C8H8O2，,U=（2＋2×

18、8－8）/2=5,7-8芳環(huán)上氫，四個峰對位取代δ 9.87—醛基上氫，低場,正確結(jié)構(gòu)：,δ 3.87 CH3峰，向低場位移,與電負(fù)性基團(tuán)相連,練習(xí)：,,,9,δ 5.30,δ 3.38,δ 1.37,C7H16O3，推斷其結(jié)構(gòu),6,1,解：,C7H16O3， U=（2＋2×7－16）/2=0,a. δ3.38和δ 1.37 四重峰和三重峰 —CH2CH3相互偶合峰,b. δ 3.38含有

19、—O—CH2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中有三個氧原子，可能具有(—O—CH2)3,c. δ 5.3CH上氫吸收峰，低場與電負(fù)性基團(tuán)相連,正確結(jié)構(gòu)：,核磁共振碳譜(Carbon-13 nuclear magnetic resonance spectroscopy),核磁共振碳譜全稱13C核磁共振波譜法，簡稱13C-NMR13C-NMR信號1957年發(fā)現(xiàn)，1970年才開始直接應(yīng)用。沒有得到及時應(yīng)用的原因：13C豐度低1.108%；磁旋比為1H的1/4。

20、靈敏度低。脈沖Fourier NMR儀器出現(xiàn)，使13C-NMR信號測定成為可能。,13C-NMR主要優(yōu)缺點,寬的化學(xué)位移（0~250）能給出有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)信息：分子中有多少碳原子；它們各屬于哪些基團(tuán)；伯、仲、叔、季碳原子各有多少等。弛豫時間T1較長，能準(zhǔn)確測定，推測結(jié)構(gòu)可以直接觀測不帶氫的各碳官能團(tuán)的信息，如羰基、氰基等。靈敏度低，信號需累加，速度慢。峰面積與碳數(shù)不成正比。,碳譜的化學(xué)位移雜化效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)磁各向異性效

21、應(yīng),去偶方法質(zhì)子寬帶去偶法偏共振去偶法選擇性質(zhì)子去偶法DEPT譜,化學(xué)位移相關(guān)譜（COSY譜）,1.氫-氫位移相關(guān)譜(1H- 1H COSY譜）2.碳-氫位移相關(guān)譜(13C- 1H COSY譜）,Bruker 600M核磁共振譜儀屬Bruker Avance系列核磁共振譜儀，配備Bruker 600MHz UltraShield 超導(dǎo)磁體和帶XYZ三軸梯度場的5mm反相3共振