第一章核磁共振波谱分析法课件.ppt

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1、第一章磁共振波谱技术,nuclear magnetic resonance spectroscopy(NMR),生物用核磁共振仪,台式核磁共振仪,The Winner of The Nobel Prize in Physics(1952),R.R.Ernst 恩斯特,The Winner of The Nobel Prize in Chemistry(1991),K.Wthrich(维特里希因）,The Winner of The Nobel Prize in biomacromolecule(2002),核磁共振领域诺贝尔奖获得者,E.M.Purcell 珀赛尔,F.Bloch 布洛赫,19

2、46年发现核磁共振现象,FT-NMR and 2DNMR,发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法,S.P.Mansfield(彼得曼斯菲尔德),University of Nottingham,英国,P.C.Lauterbur(保罗劳特布尔),University of Illinois,美国,2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者,核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。,核磁共振基本原理图谱解析与结构鉴定核磁共振波谱仪,第一节核磁共振基本原理 principle of NMR,原子核的自旋 核磁共振条件 弛豫过程,一、概述(introduction)

3、,核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（10-1102MHz数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收谱（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究纯化合物结构、混合物成分及定量分析等。,特点：与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于 原子核自旋跃迁所得吸收谱；应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、定量等；不需要标准样品，可直接进行定量；不破坏样品；只能研究磁性核。,核磁共振现象产生的条件？,一、原子核的自旋 ato

4、mic nuclear spin,原子核的自旋特性，在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态。而自旋量子数I的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。,若原子核存在自旋，产生自旋角动量：,原子核的基本属性：质量和电荷数。,自旋量子数（I）与质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：,=,核 磁 矩：（:磁旋比）,原子核的磁性,质量数 质子数 中子数 自旋量子数 核磁性 实例（A）（Z）（N）（I）偶数 偶数 偶数 0 无 12C,16O,32S偶数 奇数 奇数 1，2，3.有 2H,14N奇数 奇数或偶数 偶数或奇数 1/2；3/2；5/2.有 1H,13C,

5、17O,19F,31P,讨论:,(1)I=0 的原子核 16 O；12 C；22 S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(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,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；,(3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。,磁性核在外磁场中的行为,拉莫尔进动,当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以

6、有（2I+1）种自旋取向：I=1/2的核，两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2,根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核磁场作用能E，即各能级的能量为,I=1/2的核自旋能级裂分与H0的关系,I=1/2的核在磁场中，由低能级(E1)向高能级(E2)跃迁时，所需的能量(E)为,E与核的磁旋比和外磁场强度成正比。,二、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance,在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。,当发生核磁共振时，原子核磁能级的能级差必然等

7、于电磁波的能量，则：,共振条件,(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2),共振条件：0=H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比 为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振。也可固定，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz 磁场强度 H0 的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）,三、弛豫过程,不同能级上分布的核数目

8、可由Boltzmann 定律计算：,磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：,两能级上核数目差：1.610-5；,弛豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,饱和(saturated)低能态的核等于高能态的核。,在NMR中，弛豫过程有两种方式，即 自旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋晶格弛豫，又称纵向弛豫，用T1表示；自旋自旋弛豫，又称横向弛豫，用T2表示。,第二节核磁共振与化学位移 NMR and chemical shift,核磁共振与化学位移 影响化学位移的因素,一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic resonance and che

9、mical shift,推导条件：理想化的、裸露的氢核,产生单一的吸收峰；,(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2),共振条件,目前，常用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。,H=（1-）H0：屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。0=/(2)（1-）H0 屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。,屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：,1.化学位移（chemical shift）,0=/(2)（1-）H0,在有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，

10、这种现象称为化学位移，用表示。,2.化学位移的表示方法,(1)位移的标准没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。,相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（内标）位移常数 TMS=0(2)为什么用TMS作为基准?a.12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；b.屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,位移的表示方法,与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定 TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。,=（样-TMS)/0 1060影响的测量值。,小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；大，屏蔽弱，共振需

11、要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；,二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift,（1）电负性、氢键-去屏蔽效应 与H核相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离H核，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。,-CH3，=1.62.0，高场；-CH2I，=3.0 3.5,-O-H，-C-H，大 小低场 高场,（2）溶剂效应 最理想的溶剂：CCl4,CS2,常用的溶剂：氯仿（CHCl3）、丙酮（CH3COCH3)一般采用氘代衍生物。,第三节自旋耦合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting,自旋偶合与自旋裂分 峰裂分

12、数与峰面积 磁等同与磁不等同,一、自旋偶合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting,每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。,原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；,峰的裂分,峰的裂分原因:自旋偶合相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；多重峰的峰间距：偶合常数（J），用来衡量偶合作用的大小。,二、峰裂分数与峰面积 number of pear splitting and pear areas,峰裂分数：n+1 规律；n:相邻碳原子上的状态相同的H核数；相对强度比符合二项式（a+b)n展开式的系数比。,峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对

13、比例。,峰裂分数(一）,1:1,1:3:3:1,1:1,1:2:1,1:6:15:20:15:6:1,1:1,1H核与n个等价1H核相邻时，裂分峰数：(n+1),峰裂分数（二）,1H核与n个不等价1H核相邻时，裂分峰数：（n1+1)(n2+1)个；,(nb+1)(nc+1)(nd+1)=22 2=8,Ha裂分为8重峰,Ha裂分为多少重峰？,Ha裂分峰:(3+1)(2+1)=12,实际Ha裂分峰:(5+1)=6,强度比近似为：1:5:10:10:5:1,三、化学等价和磁等同 magnetically equivalent,1.化学等价（化学位移等价）若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同

14、的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。,分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核称为磁等同的核。,2.磁等同,磁等同例子：,三个H核化学等同磁等同,二个H核化学等同，磁等同二个F核化学等同，磁等同,六个H核化学等同磁等同,两核（或基团）磁等同条件,化学等价（化学位移相同）对组外任一个核具有相同的偶合常数（数值和键数）,第四节谱图解析与化合物结构确定analysis of spectrograph and structure determination,谱图中化合物的结构信息 简化谱图的方法 谱图解析 谱

15、图联合解析,一、谱图中化合物的结构信息structure information of compound in spectrograph,（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类,多少种；（2）峰的面积(积分线)：每类质子的数目(相对),多少个；（3）峰的位移()：每类质子所处的化学环境，化合物中 位置；（4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；（5）偶合常数(J)：确定化合物构型。,邻苯二甲酸二乙酯的NMR谱图,CAS：84-66-2分子式：C12H14O4分子量：222.24,一级谱的特点,裂分峰数符和n+1规律，相邻的核为磁等价即只有一个偶合常数J；若相邻n个核，n1个核偶合常数为J1，

16、n2个核偶合常数为J2，n=n1+n2则裂分峰数为（n1+1)(n2+1)峰组内各裂分峰强度比(a+b)n的展开系数从谱图中可直接读出和J，化学位移在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数J,非一级谱（二级谱）,一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数目组内各峰之间强度关系复杂一般情况下，和J不能从谱图中直接读出,二、简化谱图的方法 methods of simpling spectrograph,1.采用高场强仪器,2.溶剂效应及活泼氢D2O交换反应,核磁共振谱的测定，一般使用氘代溶剂（如CDCl3），以避免普通溶剂分子中H的干扰。同一质子在不同的溶剂中，所测得的值往往不同

17、。这种由于溶剂的影响而引起化学位移发生变化的现象称为溶剂效应。一般含有OH、SH、NH等活泼质子的样品，溶剂效应更明显。因此核磁共振图谱都标出测定时所使用的溶剂。对于含有活泼氢的样品，可先用一般方法测定图谱，然后加入几滴重水(D2O)，再测定图谱，在后一张图谱中信号消失的质子便是活泼质子，同时在=4.7ppm处出现HDO单峰。,常用溶剂及其化学位移,名 称,氯仿-d1,二甲基亚砜-d6,分子式,丙酮-d6,重水,化学位移/ppm,1H,13C,CHCl3-d1,(CH3)2CO-d6,H2O-d2,(CH3)2SO-d6,苯-d6,甲醇-d4,吡啶-d5,C6H6-d6,CH3OH-d4,C6

18、H5N-d5,7.27 76.9,2.05 206,29.1,4.0,2.5 39.6,7.20 128.0,3.34,4.11 49.0,7.18,7.57,149.9,135.5 8.57 123.5,三、谱图解析,步骤,由分子式求不饱合度由积分曲线求1H核的相对数目解析各基团,再解析：,(低场信号),最后解析：芳烃质子和其它质子,首先解析：,spectrum unscrambling,活泼氢D2O交换，解析消失的信号 由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析 参考 IR，UV，MS和其它数据推断结构 得出结论，验证结构,6个质子处于完全相同的化学环境，单峰。没有直接与强吸电子基团（或元素

19、）相连，在高场出现。,1.谱图解析（1）,质子a与质子b所处的化学环境不同，两个单峰。单峰：没有相邻碳原子（或相邻碳原子无质子）,质子b直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，峰在低场（相对于质子a）出现。质子b也受其影响，峰也向低场位移。,谱图解析（2）,第五节核磁共振波谱仪,nuclear magnetic resonance spectrometer,连续波核磁共振波谱仪,1永久磁铁或电磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2 射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。,3 射频信号接受器（检测器）：当质子的进动

20、频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。,4样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。,核磁共振波谱仪,傅立叶变换核磁共振波谱仪,不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）,超导核磁共振波谱仪：,永久磁铁和电磁铁：磁场强度100 kG 开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：200-600MHz；可高达800-900MHz；,样品的制备：,试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg；标样浓度（四甲基硅烷 TMS）：1%；溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物等。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,