清华核磁共振讲义.ppt

,第三章 核磁共振,*1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自独立观察到核磁共振现象,1952年获得诺贝尔物理奖;*瑞士的Ernst由于在PFT-NMR及2D-NMR二方面的贡献而获得1991年诺贝尔化学奖;*瑞士的Wthrich第一个用NMR方法解析出蛋白质的空间结构,获得2002年诺贝尔化学奖;*美国的Paul Lauterbur和英国的Peter Mansfield在现代医用核磁共振扫描仪的发展过程中起主要作用获得2003年度诺贝尔医学奖。,核磁共振与诺贝尔奖:,3.1 核磁共振氢谱3.1.1 核磁共振基本原理,核磁共振波谱学(Nuclear Magnetic Resonance(NMR)Spectroscopy)是近几十年发展起来的一门新学科。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。研究对象:原子核的磁矩在磁场中对电磁波的吸收和发射.信息:分子的静态结构,化学交换等.,3.1.1.1 原子核的自旋与自旋角动量 原子核是由质子和中子组成,原子核具有自旋运动,因而具有自旋角动量.其大小为:式中h为普朗克常数.I为自旋量子数.I与原子核的质量数(A),核电荷数(Z)有关.电子的量子数只能是1/2;核的自旋量子数随核而异,可为0,半整数或整数.它与原子核的质量和电荷数的奇偶有关.,其它例子(AAZ):A为奇数、Z为奇数或偶数时，I为半整数。1H1，13C6，15N7，19F9，31P15 I=1/2；11B5，33S16，35C117，37C117，81Br35 I=3/2；17O8，25Mg12,27Al13 I5/2。3.1.2 原子核的磁矩 自旋量子数(I)不为0的原子核在作自旋运动时产生磁矩.式中rN为核的磁旋比,可由实验测定.gN为核的朗德因子(5.58454),N为核磁子(5.050810-24).,3.1.1.2 原子核在外加磁场作用下的行为 原子核的磁矩（I0）在外加磁场（H0）中的取向不是任意的,而是沿着H0方向采取一定的量子化取向(见图),核磁矩在磁场中的取向数可用磁量子数 m 来表示;m 的取值为I,(I-1),(I-2),，-I，(核磁矩可有(2I+1)个取向)因此,原来简并的能级会分裂成(2I+1)个能级.每个能级的能量可由下式确定：E-HH0 H0是外加磁场强度；H为磁矩在外磁场方向的分量.,磁矩在外磁场中的分量H 可表示为：m 的取值为I,(I-1),(I-2),，-I,共计(2I+1)个.因此磁矩在外磁场中量子化能级能量可表示为分裂能级的能级差E可用下式表示：,对于1H1，13C6，15N7，19F9，31P15核,I1/2,m1/2,分裂成两个能级:分裂的能级差与外加磁场强度有关,当I1/2时,如所示。,3.1.1.3 核磁共振定义,1H核在外加磁场H0中发生能级分裂,处在两种能级状态.如果外加一个射频场(电磁波）,设射频场的频率为射，如果h射与1H核量子态间的能级相等时，就会发生共振现象。即：低能态的核(核磁矩)吸收射频场的能量跃迁到高能态。这就是核磁共振。,1H1核磁矩,能量,电磁波,定义:用电磁波照射处于强磁场中的待测物质(原子核)所得到的波谱称NMR.与红外,紫外光谱一样,都是吸收光谱.NMR的电磁波波长位于无线电波范围(10m100 m),能量小仅引起核在其自旋态能阶之间的跃迁.电磁波照射分子,不会引起分子振动能级或转动能级及电子能级跃迁.但电磁波能与暴露在强磁场中的某些特定的原子核作用,并在某些特定磁场强度处产生强弱不同的吸收信号,以这种原理建立起来的分析方法称核磁共振波谱法.,3.1.1.4 弛豫过程 在外磁场中,由于核的取向,处于低能态的核占优势.但在室温时,热能要比核磁能级差高几个数量级.这会抵消外磁场效应,使处于低能态的核仅仅过量少许(约为10ppm).因此测得的核磁共振信号是很弱的.当核吸收电磁波能量跃迁到高能态后,如果不能回复到低能态,这样处于低能态的核逐渐减小.吸收信号逐渐衰减，直到最后核磁共振不能再进行了这种情况称为饱和。使核磁共振继续进行,高能态的核必须回复到低能态,这一过程可以通过自发辐射实现.自发辐射的几率和两个能级能量之差成正比.但在核磁共振波谱中,通过自发辐射途径使高能态的核回复到低能态的几率很低,只有通过一定的无辐射的途径使高能态的核回复到低能态,这一过程称为弛豫,自旋-晶格弛豫(纵向弛豫);自旋-自旋弛豫(横向).,前3部分装置在组成上是相互垂直的,3.1.2 核磁共振仪器,依照核磁共振原理，仪器包括以下几部分:(1).电磁铁是核磁共振仪中最贵重的部件,能形成高的场强,同时要求磁场均匀性和稳定件好,其性能决定仪器的灵敏度和分辨率.(2).射频源通过射频发射线圈,把射频电磁波加到样品上.(3).接收装置测量核磁共振信号,由接收线圈接收,再经过一系列检波放大,最后显示出谱图.(4).样品管和样品探头样品探头使样品管能固定在磁场中的某一位置,包括扫描线圈和检测线圈.,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)和脉冲傅立叶变换波谱仪(PFT-NMR).例如对于1H核,设H014092G（高斯）,所需射频源的频率射,CW-NMR目前有60MHz、90 MHz等通用型仪器.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.,1.41T和2.36T;1TG=104高斯,H0相同,不同的自旋核因 N 值不同,其共振频率亦不同.如 H0=2.3 TG时,1H（100 MHz）,19F（94 MHz）,31P（40.5 MHz）,13C（25MHz）.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.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有很大的累加信号的能力.,3.1.3 电子屏蔽效应,为孤立质子在外磁场H0中的共振吸收条件.在实际分子中,原子核都不是孤立的裸核,核外电子在外磁场作用下发生循环流动，又产生一个感应磁场H.即在外磁场H0中,不同的氢核所感受到H0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感应磁场H.感应磁场H对外加磁场H0的屏蔽作用称为电子屏蔽效应.感应磁场的大小与外磁场的强度H0有关,用H0表示，称屏蔽常数。,(1)抗磁屏蔽效应若H方向和H0方向相反,此时1H核能感应到的实际磁场强度H实际 H实际H0HH0H0（1）H0这时核能感应到的磁场强度比H0小一点,产生抗磁屏蔽效应.(2)顺磁去屏蔽效应 若H方向和H0方向相同 H实际H0+H（1+）H0这时核能感应到的磁场强度比H0多一点,产生顺磁去屏蔽效应.注意：差别仅百万分之十几。,3.1.4 化学位移,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,H0大,共振吸收出现在高场;CH3-O,氢核外围电子云密度小,H0亦小;共振吸收出现在低场.,横坐标表示磁场强度（1）H0,如果H0不同,同一个样品测出的图谱（横坐标）不一样,不好比较.,3.1.4.1 化学位移,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（标）,测出样品中各共振吸收峰（样）与标样的差值（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。对于1H-NMR，值为0-20 ppm,60 MHz的仪器,1ppm 60 Hz,100 MHz的仪器,1ppm 100 Hz,标准样品：质子共振谱中,常选用四甲基硅烷(TMS)作标准样品,它只有一个峰,其屏蔽常数比大多数有机化合物中质子的屏蔽常数大,故其谱线位置在高磁场端,以它作内标不影响其它基团中质子的共振吸收.,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，还具有与大多数有机溶剂混溶的特点。,化学位移的表示方法,化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。,零点,-1,-2,-3,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,TMS,低场,高场,同种核由于化学环境不同，不同，实际感应到的磁场也略有不同，因此在同一个外磁场中，它们共振的位置也有差异，这种由于分子内核外电子的屏蔽作用而引起的核磁共振峰位置的移动则称为化学位移。,1H-NMR谱图的组成,氢谱有四部分组成：化学位移 一组组的峰 积分曲线（或积分值）偶合常数,1,0,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,C3CH C2CH2 C-CH3环烷烃,0.21.5,CH2Ar CH2NR2 CH2S CCH CH2C=O CH2=CH-CH3,1.73,CH2F CH2Cl CH2Br CH2I CH2O CH2NO2,24.7,0.5(1)5.5,68.5,10.512,CHCl3(7.27),4.65.9,910,OH NH2 NH,CR2=CH-R,RCOOH,RCHO,常用溶剂的质子的化学位移值,D,特征质子的化学位移值,3.1.4.2 影响化学位移因素,化学位移是由核外电子的屏蔽作用引起的，因此任何影响核外电子密度的因素均会影响化学位移。(1)诱导效应 电负性大的取代基（如卤素、硝基、氨基、羰基、羟基等）的诱导效应会降低核外电子的密度,从而产生了去屏蔽作用,共振吸收移向低场,值增大.,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 CH3CH2Br CH3CH2CH2Br 2.68 1.65 1.04,(2)化学键的各向异性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.它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.,a.叁键 炔氢与烯氢相比,值应处于较低场,但事实相反.这是因为炔的电子云以圆柱形分布,构成筒状电子云,绕碳-碳键而成环流.产生的感生磁场沿键轴方向为屏蔽区,炔氢在碳-碳键的轴线正好位于屏蔽区,移向高场.如乙炔：1.80 ppm。,b.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：5.25 ppm.,c.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(7.27 ppm).,单键：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.(3)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.(4)浓度、温度、溶剂对值的影响浓度：与O、N相连的氢,由于分子间氢键的存在,浓度增大,缔合程度增大，值增大.如 OH(醇)0.5-5 ppm,COOH 10-13 ppm,CONH2 5-8 ppm.温度：温度可能引起化合物分子结构的变化.溶剂：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.,(1)自旋偶合和自旋裂分,3.1.4.3 偶合常数,分子内部相邻碳原子上氢核自旋也会相互干扰，通过成键电子之间的传递，形成相邻质子之间的自旋自旋耦合，而导致自旋自旋分裂。谱线发生分裂，这种现象称为自旋自旋分裂。,原子核之间的这种相互作用称为自旋偶合。因自旋偶合而引起谱线增多的现象称为自旋裂分。,（2）自旋偶合的起因,分子中的质子（氢核）,分子中的质子（氢核）,（3）偶合常数的表示,自旋偶合的量度称为自旋的偶合常数，用符号J表示，单位是Hz。J值的大小表示了偶合作用的强弱。,3JH-C-C-H 2JH-C-H Jab 4J,质子a被质子b裂分。,邻碳偶合,同碳偶合,远程偶合,*1 CH3CH2Br J a b=J b a,b,a,*2 偶合常数不随外磁场的改变而改变。,J=Kppm裂分峰间距 仪器兆数=常数,（4）化学等价、磁等价、磁不等价性,（a）化学等价和化学位移等价,分子中两个核（质子）具有严格相同的化学位移值，则称它们是化学位移等价的,分子中两个相同的原子处于相同的化学环境称为化学等价,（b）怎样判别两个质子是否化学等价,通过对称轴旋转而能互换的质子叫等位质子。（等位质子在任何环境中都是化学等价的）,通过镜面对称操作能互换的质子叫对映异位质子。（对映异位质子在非手性环境中是化学等价的。在手性环境中是非化学等价的。）,不能通过对称操作或快速运动进行互换的质子叫做非对映异位质子。（非对映异位质子在任何环境中都是化学不等价的。）,（3）磁等价核,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。,（4）介绍几种难以识别的化学位移不等价质子,1 与不对称碳原子相连的CH2上的两个质子是非对映异位的，因此是化学不等价的。,Ha与Hb是化学不等价的,与不对称碳相连的CH2(称前手性氢)中，两个氢核为不等价质子。化合物中Ha与Hb不等价。无论碳碳键旋转多么快，它们的化学环境还是不同的。,2 双键碳上的情况分析,CH3,CH3,Ha,Hb,CH3,C2H5,Ha,Ha,Ha,Ha,Ha,Ha,Hb,Hb,Hb,Hb,Hb,Hb,C2H5,O,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,C2H5,C2H5,Ha Hb不等价,Ha Hb等价,Ha Hb等价,Ha Hb等价,Ha Hb不等价,Ha Hb不等价,与温度有关，温度高，Ha Hb等价温度低，Ha Hb不等价,自旋偶合的条件：（1）质子必须是不等性的。（2）两个质子间要少于或等于三个单键（中间插入双键或三键可以发生远程偶合）。,CH3-CH2-C-CH3,=,O,CH2=CH-CH3,c,a,a,b,b,c,Ha、H b能互相自旋偶合裂分,Ha、H b不能与H c互相自旋偶合裂分。,Ha、H b能互相自旋偶合裂分,Ha能与H c发生远程自旋偶合裂分。,（5）偶合裂分的规律,偶合裂分的规律,一级氢谱必须满足：（1）两组质子的化学位移差和偶合常数J满足/J6（2）化学位移相等的同一核组的核均为磁等价的。,在一级氢谱中，偶合裂分的规律可以归纳为：*1 自旋裂分的峰数目符合(n+1)规律。*2 自旋裂分的峰高度比与二项展开式的各项系数比一致。*3 Jab=J ba*4 偶合常数不随外磁场强度的改变而改变。,（1）若质子a与n个等性质子b邻接，则质子a的吸收峰将被n个等性质子b自旋裂分为(n+1)个峰，各峰的高度比与二项展开式(a+b)n的各项系数比一致。,CH3-CH2-Br,b,a,Ha 呈四重峰，峰高度比为1:3:3:1(A+B)3=A3+3A2B+3AB2+B3H b 呈三重峰，峰高度比为1:2:1(A+B)2=A2+2AB+B2,例如：,对上述规律的具体分析,CH3,（2）若质子a被质子b、c两组等性质子自旋裂分，b组有n个等性质子，c组有n个等性质子，则质子a的吸收峰将被自旋裂分为(n+1)(n+1)个峰，各峰的高度比每组的情况都符合二项展开式的系数比。综合结果要做具体分析。,例如:,Ha有(3+1)(1+1)=8重峰Hb有(3+1)(1+1)=8重峰Hc有(1+1)(1+1)=4重峰,（3）质子a被质子b裂分的偶合常数为Ja b，质子b被质子a裂分的偶合常数为Jb a，则 Ja b=Jb a。,3.1.4.4 偶合常数与分子结构的关系,同碳上质子间的偶合(HaCHb)称同碳偶合，偶合常数用 2J 或 J同 表示。邻位碳上质子间的偶合（Ha-CC-Hb）称邻位偶合，偶合常数用 3J 或 J邻表示。远离3个键的偶合称远程偶合。偶合常数用 4J 表示。,同碳质子间的偶合(2J 或 J同)2J一般为负值,变化范围较大,与结构有密切关系.例如环氧丙酸(+6.3 Hz);环戊烯-3,5-二酮(-21.5 Hz);邻碳质子间的偶合(3J或J邻)常见偶合系统邻碳质子间的偶合常数参照表.饱和型化合物 J 值范围在 0-16 Hz。,烯烃 单取代烯有三种偶合常数J同、Jcis、Jtrans分别表示同碳质子、顺式质子和反式质子间的偶合。J同 0-3 Hz，Jcis 8-12 Hz，Jtrans 12-18 Hz 双键上取代基电负性增大，3J减小。Jac=16.8 Hz,Jbc=10 Hz;Jac=12.7 Hz,Jbc=4.7 Hz,芳环及杂芳环上芳氢的偶合 取代苯 Jo 6-9 Hz(邻位偶合);Jm 1-3 Hz(间位偶合);Jp 0-1 Hz(对位偶合);Jp 常因仪器分辨不够而表现不出来,取代苯由于 Jo、Jm、Jp 的存在而产生复杂的多重峰.,Anisole,乙醇核磁共振谱的特点,特点一 高纯度乙醇的核磁共振图谱，羟基氢被邻近的CH2 上的氢裂分成三重峰，而亚甲基上的氢由于既被 CH3上的H裂分，又被 OH上的氢裂分，得到一个不太易于分辨的双四重峰。,醇的核磁共振,特点四 羟基上的氢如与重水中的D发生交换，则它的共振信号消失。,特点三 羟基上的氢的吸收峰呈宽峰。,特点二 乙醇的浓度对CH3、CH2 的化学位移影响不大，而对羟基氢的化学位移影响很大，随着乙醇浓度的升高，羟基氢的共振信号向低场移动。（氢键的作用）,积分曲线和峰面积,在核磁共振谱中，共振峰下面的面积与产生峰的质子数成正比，因此，峰面积比即为不同类型质子数目的相对比值。（计算机会自动完成此项工作，将各组峰的质子数目直接显示在图谱中）,1H-NMR的图谱分析,1 标识杂质峰，最主要的杂质峰是溶剂峰。,常用溶剂的化学位移值,*1 数值随测定条件而有变化,2 根据积分曲线计算各组峰的相应质子数（图谱上已自动标出）。3 根据峰的化学位移确定它们的归属。4 根据峰的形状和偶合常数确定基团之间的互相关系。采用重水交换的方法识别 OH、NH2、COOH上的活 泼氢。6 综合各种分析，推断分子的结构并对结论进行核对。,3.1.5 各类质子的化学位移及经验计算,（1）甲基与次甲基的经验公式 一般来说，甲基计算误差在0.1以内,个别情况很少超出0.3.次甲基计算误差较大,多的超出1.0.各种取代基的屏蔽常数i值有表可查.ArCH2OR0.23+2.36+1.85 4.44（实测值4.41）,(有相应软件估算),(2)烯烃 取代基对烯氢值的影响见表.表中的数值是相对于乙烯(5.25 ppm)的位移参数值.利用表中的数值和下式可以计算烯氢的值.由于双键上的取代基都处于同一平面上,它们对于烯氢的影响比较单纯,计算值与实测值误差在0.3 ppm以内.,查表：Z同 Z顺 Z反-R 0.45-0.22-0.28-Ph 1.38 0.36-0.07(a)=5.25+0.45+0.36=6.06(6.08)(b)=5.25+1.38+(-0.22)=6.41(6.28),（3）芳氢 取代基对苯环氢 值的影响见表.S邻、S间、S对分别为邻位、间位、对位取代基对于苯环氢化学位移(以7.30为基数)的影响.利用表中的数据和下式可计算取代苯中苯氢的值.通过计算,可预计苯环上取代基的位置,计算实例（括号内为实测值）：查表：S邻 S间 S对-OR 0.45 0.10 0.40CHR=CH-0.10 0.00-0.10(a)=7.30(0.45+0)=6.85(6.80)(b)=7.30 0.10+(-0.10)=7.30(7.30),查表：S邻 S间 S对-OH 0.45 0.10 0.40-COR-0.70-0.25-0.10(a)=7.30 0.45+(-0.25)+0.10=7.00(6.76)(b)=7.300.45+(-0.10)+0.10=6.85(6.98)(c)=7.300.45+(-0.70)+0.10=7.45(7.21),3.1.5 1H-NMR的应用,3.1.5.1 1H-NMR在有机结构鉴定的应用,3.1.5.2 NMR在高分子研究中的应用,1.高分子的鉴别聚丙烯酸乙酯(I)和聚丙酸乙烯酯(II)用FTIR难区别，但NMR很容易就可以鉴别。,Ha=4.12 ppm(四重峰)Hb=1.21 ppm(三重峰),Ha=2.25 ppmHb=1.11 ppm,2.共聚物组成测定,优点：1H-NMR可以直接测定质子数之比而得到各基团之定量结果,不用依靠已知标样就可以直接测定共聚物组成比。e.g.丁苯共聚物=5 ppm 为 C=C上的氢,=7 ppm 为苯环上的氢;设7 ppm处峰面积为A，其它吸收峰面积之和为R，其中每个氢的相应的峰面积为a，则:共聚物中芳基氢个数为A/a个;烷烃氢为 R/a个 苯乙烯的单元数为 A/5a个 丁二烯的氢个数为 R/a3A/5a1/a（R3A/5）丁二烯的单元数为 1/6a(R-3A/5)因此共聚物组成:,3.高聚物立构规整性测定 PMMACH3（a）等规PMMA:1.33 ppm间规PMMA:1.10 ppm无规PMMA:1.21 ppm CH2（b）i-PMMA:1.5-2.2 ppm,四重峰 Ha和Hb不等价;Ha受Hb的自旋-自旋耦合 影响，分裂成两个峰，Hb亦如此;s-PMMA:单峰;a-PMMA:既有全同又有间同结构，会出现五重峰。定量计算CH3（a）3个峰的强度比，就可以确定聚合物中三种立构的比例.,4.共聚物序列结构的研究e.g.偏氯乙烯异丁烯共聚物PVDC:4 ppm（CH2）PIB:1.3 ppm（CH2）,1.0 ppm(CH3)二元组（二单元组）M1M1 3.6ppmM2M2 1.4ppmM1M2 3.0，2.2ppm 根据峰强度可以计算共聚组成。四元组以及三元组,5.高聚物分子运动的研究 依照测不准原理,弛豫时间越短谱峰越宽.在一般横向弛豫(自旋-自旋弛豫)中,气体、液体弛豫时间约为1s,固体高聚物的是10-5-10-3s,所以使用固态或粘稠液态的高聚物样品时测得的谱线很宽,甚至几个峰会叠加在一起.随着温度升高,高分子运动逐渐加剧,弛豫时间增加,谱线型状会发生变化.若用谱线的半峰宽H表征峰的宽度,测定H随温度的变化曲线,就可以研究高聚物的分子运动.例如用1H-NMR测定聚异丁烯,观察到H随温度变化的曲线呈阶梯状,在-90,-30和30-40 3 个温度区H值骤降即谱线变窄,表明在T-90时甲基开始转动,到-30时主链上链段开始运动,而较大链段运动则在30-40.,6.研究高聚物反应,G3-G3,L,f,b,d,g,M,D,G,e,c,a,J,e,K,E,B,C,F,H,I,h,i,j,A,13C NMR spectrum of G3-G3 in CDCl3,1H NMR spectra of G3-G3(A)and cross-linked G3-G3(B)in CDCl3.,a1H,b2H,c,d,f,g,i,j21H,e,h12H,n16H,m8H,k16H,l16H,b2H,G3-OH,Hb,4.6 ppmG3-Br,Hb,4.4 ppmG3-N3,Hb,4.2 ppm,j4H,l16H,k16H,h8H,n16H,m8H,e4H,c,6.57,2Hi,6.56,8Hg,6.54,2Hd,6.53,1H,f4H,3.2 核磁共振碳谱(13C-NMR),3.2.1 核磁共振碳谱的优点 1)碳原子构成有机化合物的骨架，掌据有关碳原子的信息在有机物结构鉴定中具有重要意义。从这个角度来看，碳谱的重要性大于氢谱。例如:苯环六取代，乙烯和饱和碳原子的四取代等，从氢谱不能得到直接的信息，碳谱则不受影响。,有些官能团不含氢,但含碳，如下述结构化合物从碳谱也能得到直接信息。,2)常见有机化合物氢谱的 值很少超过10ppm由于化学位移差距小，加之偶合作用产生的谱线分裂，经常出现谱线的重叠.而其碳谱的变化范围则可超过200 ppm.由于碳谱的化学位移变化范围比氢谱大十几倍，化合物结构上的细微变化可在碳谱上得到反映。3)碳谱有多种多重共振方法，近年来又发展了几种区别碳原子级数(伯、季)的方法，较之于氢谱信息丰富、结论清楚。4)碳原子的弛豫时间较长能被准确测定，由此可帮助对碳原子进行指认，从而有助于推断结构.,3.2.2 测定碳谱的困难 由于13C核的仅约为1H的14，13C核的天然丰度也仅约为1H的1100，因而灵敏度很低.早期13C核磁共振的研究，都采用富集13C的样品。在脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪问市之后，碳谱才能用于常规分析 由于测定碳谱所需的样品较氢谱多得多积累碳谱数据的速度较氢谱仍慢不少,一般一个碳谱样品需累计扫描 500 次以上,用时1048小时。,3.2.3 碳谱谱图 最常见的碳谱采用全去耦方法，每一种化学等价的碳原子只有一条谱线。原来被氢耦合分裂的几条谱线并为一条，谱线强度增加。在全去耦的碳谱中峰高不能定量地反映碳原个数量(采用一定的脉冲序列也可以对碳原子定量).,3.2.4 化学位移 不像氢原子处于分子的“外围”碳原子构成了有机化合物的骨架，因此分子结构的变化在碳谱中可得到较好的反映。以烷基为例，氢谱中 的变化范围大约只有3ppm,而碳谱可达8090ppm,3.2.4.1 值的近似计算 今有结构单元：k碳原子的化学位移可用下式计算：现以下列化合物中C5为例计算:,3.2.4.2 影响烷烃及其衍生物 的因素 1)取代基的电负性 电负性基团的取代对a-碳原子产生明显的低场位移，对-碳原子亦稍有低场位移作用;当脂肪链的碳原于不连杂原子时,一般情况下 在55ppm以内，当连杂原子时，值可达80ppm或更大.2)空间效应 当脂肪链碳原子上的氢被烷基取代后,其 值也就相应增大，如:,当取代的烷基越大,被取代碳原子的 也越大,如下从左至右 逐渐增大.,如由杂原于(N、O、F)取代，使 r-碳原于的高场位移比烷基取代更为明显:C-X键短(X表示上述杂原子)，杂原子的孤电子对与Ca 的 电子部分重叠最后导致Cr 的电子密度有所增加。,3)超共轭效应,4)重原子效应 重原子效应有时也称作重卤素效应.碳原子上面的氢被电负性基团取代之后，将增大，但若被碘取代后，反而减小溴也可表现这种性质；当卤素原子与碳原子连接后，它们众多的电子对碳原于有抗磁屏蔽作用，从而碳原子共振移向高场.,下面是某些脂环烷烃的 数据,可以看到，大基团的取代使被取代碳原子的 值有较大的增加，这表明碳谱 值对立体化学很敏感。,1)乙烯的 值为123.3ppm,取代烯烃一般为100150ppm.2)对于取代烯，大致有 端烯CH2的 值比有取代基的烯碳原子的 小1040ppm.3)对比烯和对应的烷，烯的 碳原子和对应烷 的碳原子的 一般相差在l ppm之内，a-碳原子往低场位移也 只有45ppm.4)共扼效应 形成共轭双键时，中间的碳原子因键级减小，共振移向高场。,-、-、-、-,3.2.4.3 影响烯烃及其衍生物 的因素,3.2.4.4 影响苯环取代苯环 的因素,1)苯的 值为128.5ppm.若苯环上的氢被其它基团所取代,取代基电负性对值的影响规律如右图：2)取代烷基的分枝加多，使被取代C的 值增加较多：,3)重原子效应可产生高场位移，碘的取代会对C的共振产生很大的 高场位移，溴的取代也使C原子向高场位移。,4)中介效应 中介效应即共振效应，与氢谱类似苯环的第二类取代基使邻、对位碳原子共振移向高场；第三类取代基使邻、对位碳原子共振位移向低场。这可用下图表明：,注意:第三类取代基的作用较小,向低场位移也小,1）氢键 氢键包括分子内氢键和分子间氢键。碳基化台物分子内氢键的形成，使氧原子的孤对电子移向氢原子，故共振移向低场：分子间的氢键的作用与上述类似。2）介质 溶液的稀释及溶剂的变更都可以引起溶质分子,3.2.4.5 氢键及介质的影响,值的改变，个别情况下可10ppm。,D A M Egbe,et al,Macromoleculaes,2004,37,8863,3.2.5 碳谱中的耦合现象及各种去耦方法1）碳谱中的耦合现象 因为13C的天然丰度仅为1.1，13C-13C的耦合可以忽略。另一方面，1H的天然丰度为99.98，因此，若不对1H去耦，13C谱线总会被1H分裂。13C与1H最重要的耦合作用是1J（13C与1H 的偶合常数），决定1J的最重要因素是C-H键的s电子成分。除了s电子的成分以外，取代基电负性对1J也有所影响。随取代基电负性的增加1J相应增加。由于1J很大造成碳谱谱线相互重叠，因此记录碳谱时必须对1H去耦。,可见,s电子成分越多,1J越大,2)宽带去耦（broadband decoupling)宽带去耦也称作质子噪声去耦，这是测定碳谱时最常采用的去耦方式。在测碳谱时，如果以一相当宽的频带照射样品，则13C和1H间的耦合被全部去除，每个碳原子仅出现一条共振谱线。采用宽带去耦时，与氢核相连的碳原于的信号被增强。,3）偏共振去耦（off-resonance decoupling)宽带去耦的谱图简单、清晰、但缺乏有关碳原子级数(即碳原子上相连氢原子的数目)的信息偏共振去耦是降低1J，改善因耦合产生的谱线重叠而保留上述信息的方法。偏共振去耦的实验目前已常由确定碳原子级数的DEPT(见二维核磁)等实验所代替。,4）选择性去耦与低功率选择性去耦 选择性去耦是偏共振去耦的特例。当调节去耦频率V2正好等于某种氢的共振频率，与该种氢相连的碳原子被完全去耦，产生一单峰(因1J=0)，其它碳原子则被偏共振去耦。,左图是化合物(C3-4)的选择性去耦谱。在作图时，去耦频率对准甲基碳原子上氢的共振频率，因此，该碳原子成为锐利单峰。距它愈远的谱线，Jr愈大，谱线分裂愈宽。,宽带去耦、偏共振去耦、选择性去耦的氢谱和碳谱的比较：,3.2.6 核磁共振碳谱的实验,3.2.6.1 样品的制备 碳谱样品的制备和氢谱很类似需配制成适当浓度的、粘度小的溶液,需注意碳谱的灵敏度是远低于氢谱的。具体用量与核磁谱仪的频率、样品分子量、结构特点、累加时间有关。虽然碳谱不受溶剂中氢的干扰，但为兼顾氢谱的测定及锁场需要，仍需采用氘代试剂作溶剂。3.2.6.2 制图 碳谱都采用博里叶变换核磁谱仪，作图涉及的参数多(脉冲倾倒角、脉冲间隔、扫描谱宽等)；也涉及采样、数据处理及累加的问题。常规碳谱为全去耦谱图。,3.2.7 核磁共振碳谱的解析1)溶剂峰 氘代试剂中的碳原子均有相应的峰，这和氢谱中的溶剂峰是不一样的(氢谱中的溶剂峰仅由氘代不完全引起)，因此应熟悉氘代试剂峰组的形状相位置。,表中s,d,t,q分别表示单峰、二重峰、三重峰、四重峰，7表示7重峰。,2）谱图解析举例 有一未知物分了式为C11H14O2(由元素分析确定)，其核磁共振氢谱、碳谱及确定碳原子级数的DFPT谱如下：,解：从DEPT可区分碳原子的级数，结合全去耦碳谱，最低场的信号(137.8ppm)为季碳(DEPT不出峰),最高场的三个信号为CH2,，其余为CH.计算该化合物不饱和度为5，碳谱苯环双键区共六条谱线。从两条较高的谱线及一个季碳的谱线可以推测该未知物含一个单取代苯环及一个CHCH.这个推测可由氢谱得到证实。氢谱5.74左右的峰组说明有两个烯氢。氢谱4.044.14ppm的两组双峰及4.50ppm的独立单峰分别对应两个被CH裂分的CH2及一个孤立的CH2。再结合氢谱和碳谱的 值，我们可以得到未知物结构，并作出指认。,c,3.3 二维核磁(Two-dimensional NMR spectra),3.3.1 二维核磁共振谱概述 二维核磁共振谱是有两个时间变量，经两次傅里叶变换得到的两个独立的频率变量的谱图。脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪的问世使低同位素丰度、低灵敏度的同位素的核磁共振测定得以实现，其后由于解决了测定碳原子级数(伯、仲、叔、季)的方法.如“不失真地极化转移增强”(Distortionless enhancement by polarization transfer,简称DEPT)。二维核磁共振谱的出现和发展，特别是Ernst教授荣获l 991年诺贝尔化学奖,是近代核磁共振谱学的最重要里程碑.二维核磁共振谱对鉴定有机化合物结构,解决问题更客观、可靠。,3.3.2 二维核磁共振谱分类 J分辨谱(J resolved spectroscopy)J分辨谱亦称J谱，或称为-J谱，它把化学位移和自旋耦合的作用分辨开来.J谱包括异核J谱及同核J谱.,例如:拓普霉素的结构如右,核磁共振氢谱和同核J谱如后.同核J谱的水平轴反映 值,纵轴反映耦合裂分和J值.,3.3.2.2 化学位移相关谱同核位移相关谱 COSY 是correlated spectroscopy的缩写.H-H-COSY的横轴和纵轴均为该化合物的氢谱,对角线上的峰称为自动相关峰,对角线外的峰称为交叉峰或相关峰,每个交叉峰或相关峰反映两个峰组间的耦合关系.,2)异核位移相关谱 H,C-COSY是1H和13C核之间的位移相关谱,它把直接相连的1H和13C关联起来.,维生素E,多量子二维核磁共振谱 采用特定的脉冲序列可以检出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱.2D INADEQUATE(incredible natural abundance double quantum transfer experiment)确定碳原子连接顺序的实验.HMQC(1H-detected heteronuclear multiple-quantum coherence)检出1H的异核多量子相干.HSQC(1H-detected heteronuclear single-quantum coherence)检出1H的异核单量子相干.HMBC(1H-detected heteronuclear multiple-bond correlation)检出1H的异核多键相关,把1H核和远程耦合的13C关联起来,它的作用相应于长程H,C-COSY.,二维核磁的三维图像,三维核磁共振对于有机化合物,二维核磁已够,但对于蛋白质、氨基酸等生物大分子，峰多且重叠，需要三维核磁共振,3.4 固体核磁,3.4.1 为什么要研究固体NMR?有的样品于今没有找到合适的溶剂；有的样品在溶解或熔化过程中分子结构会发生变化，不是原来的分子了；需要研究样品的固体结构,因为固体和液体之间存在着明显的差别，固体的分子在刚性晶格里相对静止，而液体却存在着分子的高速运动。而液体NMR中出于分子高速旋转，化学位移最终退化成只有一个数字的标量，相比之下，所得到的信息要少得多，所以我们要研究固体NMR.,1.4.2 固体宽谱 大多数固体样品按常规NMR方法测得的谱图由于各种相互作用的存在，使谱线宽化，呈难以解析的大宽包(只有作高速运动的分子除外，例如C60在室温下作快速旋转)。1.2.3 固体高分辨NMR 虽然固体宽线NMR实验(即一般的固体NMR)有的也能提供一些有价值的信息，但在固体中,由于所研究的核与它邻近的磁性核之间的强偶极相互作用，NMR谱线可能相当宽,有时要求化学上不同的环境的核能被区分，然而这些位移差在正常情况下比静态线宽小很多.所以希望用谱线窄化技术,以产生类似于液体的高分辨谱。,用各种技术获得的金刚烷13C固体核磁谱(a)静态13C谱;(b)1H去耦+13C 交叉极化(