二维NMR谱原理及解析

一、二维核磁共振基础与核磁共振综合解析一、核磁共振简介二、七个主要特性参数三、一、二维核磁共振实验及原理四、核磁共振综合解析内容B0yxz宏观磁化强度矢量600MHzB0yxzM具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩.在磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁场方向的进动使XY平面上的投影相互抵消.由于沿磁场方向能量较低,故原子分布较多一些而造成一个沿Z-轴的非零合磁矩矢量.虽然在理论上经常讨论单一原子的情形,但在实际上,单一原子的核磁信号非常小而无法观测.故此我们定义单位体积内原子核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量其方向与外磁场方向相同.以此矢量来描述宏观样品的核磁特性.核磁共振:简介2011年12月16日3Larmor频率核磁矩沿外磁场方向进动的频率称为Larmor频率w或共振频率.此频率的大小取决于原子核的种类及外磁场的大小.0~Bnucleussymbolabundance(%)frequency(MHz)at2.35Tproton(hydrogen)1H99.98100deuterium2H0.01515.35phosphorous31P10040.48carbon13C1.125.14nitrogen15N0.3710.13nitrogen14N99.637.22fluorine19F10094.08oxygen17O0.0413.56aluminum27Al10026.06γ是磁旋比.它是原子核本身的属性并只能通过实验获取.在BRUKER仪器上,原子核的频率是通过参数BFn(MHz)设臵.如BF1代表第一通道.更精细的频率调节可用参数On来完成.On叫频率偏差频率或偏臵频,所以总频率为SFOn:SFO1=BF1+O1核磁共振:简介在磁场中,原来简并的能级分裂成不同的能级状态.如果用适当频率的电磁辐射照射就可观察到核自旋能级的跃迁.原子核能级的变化不仅取决于外部磁场强度的大小及不同种类的原子核,而且取决于原子核外部电子环境.这样我们就可获得原子核外电子环境的信息.宏观上讲,当用适当频率的电磁辐射(RF)照射样品,宏观磁化强度矢量从Z-轴转到X或Y轴上.通过接受器,傅立叶转换就得到核磁共振谱图.核磁共振:简介B0MB0MRF脉冲接收器ReceiverFTS(t)S()Information:Larmor频率原子核化学位移:结构测定(功能团)J-偶合:结构测定(原子的相关性)偶极偶合:结构测定(空间位臵关系)弛豫:动力学（t1,t2)1H13CCH3C=CH-HHCCCHHHHDJHHHCJCHCC=CCH3核磁共振:简介七个主要特性参数化学位移偶合常数谱峰强度核Overhauser效应(NOE)纵向驰豫时间(T1)横向驰豫时间(T2)线宽在磁场中,由于原子核外电子的运动而产生一个小的磁场Be(localfield).此小磁场与外加磁场(B0)方向相反.从而使原子核感受到一个比外加磁场小的磁场(B0+Blo).此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用.B0Be原子核实际感受到的磁场:B=(1-s)B0S：化学位移常数化学位移化学位移分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率.0BELarmor频率化学位移自旋-自旋偶合e.g.B0=11.7T,w(1H)=500MHzw(13C)=125MHz化学位移~B0»kHz自旋-自旋偶合»Hz-kHz即使使用不同的仪器或在不同的场强下,相同的官能团具有相同的ppm值.不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移,从而使结构鉴定成为可能.HC=OHC=CH2CH3由于化学位移是与外加磁场成正比,所以在不同的磁场下所的化学位移数值也不同.也会引起许多麻烦.引入ppm并使用同一参照样品,就是光谱独立于外加磁场.0Hz15003000450060000ppm48120Hz15003000450060000ppm4812参照样品峰ppmsamplereferencereference300MHz500MHz300MHz500MHz1ppm=300Hz1ppm=500Hz偶合常数相邻的原子核可以通过中间媒介(电子云)而发生作用.此中间媒介就是所谓的化学键.这一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合).特点是通过化学键的间接作用.CHCHHC异核J-coupling同核J-couplingJCHJHH自旋-自旋偶合引起共振线的分裂而形成多重峰.多重峰实际代表了相互作用的原子核彼此间能够出现的空间取向组合.CHJCHCHJCH原始频率-J/2+J/2JCH多重峰出现的规则:1.某一原子核与N个相邻的核相互偶合将给出(n+1)重峰.2.等价组合具有相同的共振频率.其强度与等价组合数有关.3.磁等价的核之间偶合作用不出现在谱图中.4.偶合具有相加性.例如:HaHbCCabJABHBHBHAHAJABobservedspincoupledspinintensityAB1B1BA1A1HaHbCCHcBB,C是磁等价的核JAB=JACAB,CBCAAHaHbCCHcB,C是磁不等价的核JAC=10HzJAB=4HzJBC=7HzABCAJACJAB*CH*CH2*CH3CH1H2H3CH1H2CH1*CC由于一些核的自然丰度并非100%.顾此谱图中可能出现偶合分裂的峰和无偶合的峰.氯仿中的氢谱是一个典型的例子.x100H-13CH-13C105HzH-12C谱峰强度核Overhauser效应(NOE)NOE是不同核之间通过空间距离的六次方成反比。若以一维谱双共振法照射核a，则其谱峰被抑制，而与其空间靠近的另一核b的谱峰的强度会略有增强，其强度的分数，即为NOE强弱的量度。由于NOE强弱直接与核a，b之间间距有关，因此它是分子结构测定中重要参数。纵向驰豫时间(T1)纵向驰豫时间，有时又称自旋晶格驰豫，是高能级原子核将其能级交给周围介质，以热能形式耗散，而返回低能态的过程。T1与分子的内部运动有关。900脉冲弛豫1800脉冲弛豫可点击图片观看动画Alt-F4退出动画令t=0,Mz=0令t=0,Mz=-M01ozzMMdMdtT1/(1)tTzoMMe1/(12)tTzoMMe横向驰豫时间(T2)横向驰豫时间，又称自旋-自旋驰豫，指的是宏观磁化矢量M在x,y平面(横向)的分量Mx，My。由于核自旋之间的相互作用而消失过程。可点击图片观看动画Alt-F4退出动画2dMxyMxydtT脉冲前宏观磁化矢量的位置（b）90ox后宏观磁化矢量的位置（c）—（f）由于纵向迟豫核横向迟豫，宏观磁化矢量离开X´Y´平面恢复平衡弛豫效应(Relaxation)NMR信号是一个以常数为T2的指数方式衰减的涵数.T2就是横向弛豫过程的时间常数.此外,在XY平面的磁化矢量需要一定的时间回到Z-轴上.这一过程需要的时间就叫纵向弛豫时间.其时间常数是T1.T1和T2与原子核的种类,样品的特性及状态,温度以及外加磁场的大小有关.信号平均方法成功的关键就是要正确设定参数D1.D1必须是五倍的T1以保证在下次扫描时磁化矢量完全回到Z-轴.有时为节省时间,使用小角度的脉冲,重复扫描以达到增强信号的目的.T1=30s,4scansa.D1=150s;90opulse;600s;b.D1=15s;90opulse;60s;c.D1=15s;30opulse;60s.abc线宽即共振峰的半高宽，若不考虑静磁场的不均匀性，线宽可当作T2的倒数。一、二维核磁共振实验及原理一维谱1.1H-NMR谱2.NOE差谱3.13C谱4.DEPT谱二维谱1.COSY2.TOCSY3.NOESY4.HMQC,HSQC5.HMBC1.21.41.61.82.02.22.4ppmppm1.01.21.41.61.82.02.22.4ppm1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.6分辨率可通过提高外磁场强度和增加谱图的维数而提高.nDNMR(n=2,3,4)1D谱2D(轮廓图)一维核磁共振氢谱1DNMR--脉冲序列和原理示意图D1核磁共振氢谱1HNMR是应用最为广泛的核磁共振波谱。典型的谱图中，横坐标为化学位移，其数值代表谱峰的位臵，即质子的化学环境。谱峰的面积与其质子数成正比。核磁共振氢谱--影响化学位移的因素相连碳原子的杂化态影响各向异性效应范德华效应氢键的影响溶剂效应交换反应核磁共振氢谱--各类1H的化学位移0核磁共振氢谱--各类1H的化学位移核磁共振氢谱--耦合作用的一般规则核的等价性•化学等价：化学位移等价。•磁等价核：δ值相同，而且组内任一核对组外某一磁性核的偶合常数也相同。•磁不等价核：化学等价，但对组外磁性核的偶合常数不同。核磁共振氢谱解析1）已知化合物1HNMR谱图的指认综合利用化学位移、耦合及积分曲线等信息，找出1HNMR谱图中每个峰的归属。g1）区别杂质与溶剂2）计算不饱和度3）求出各组峰所对应的质子数4）对每组峰的位移(δ)、偶合常数(J)进行分析5）推导出若干结构单元进行优化组合6）对推导出的分子结构进行确认（可以辅助其他方法）（2）未知化合物1HNMR谱图解析步骤及实例C14H22O2212699H，单峰，叔丁基6H，单峰，两个化学环境相同的甲基单峰，孤立的CH2两个两重峰，对位取代的苯环单峰可能是孤立的CH或OH，应该为OH不饱和度：f=1+14+1/2×(0-22)＝4不饱和度：f=1+14+1/2×(0-22)＝4＝0.9，9H，单峰，叔丁基＝1.3，6H，单峰，两个化学环境相同的甲基＝1.6，2H，单峰，孤立的CH2在7附近两个两重峰，对位取代的苯环。为5左右的单峰可能是孤立的CH或OH，应该为OH。杂质峰和溶剂峰活泼氢不符合一级谱图的情况（3）1HNMR谱图解析时的注意事项核磁共振碳谱13C谱特点：（1）研究C骨架，结构信息丰富；（2）化学位移范围大；0～250；（3）13C-13C偶合的概率很小，13C天然丰度1.1%；（4）可直接获得C=O、CN、季碳原子等信息；（5）13C-H偶合可消除，谱图简化；（6）信号强度与碳原子数不存在严格线性关系。核磁矩：1H=2.79270β；13C=0.70216β；磁旋比γ为质子的1/4；相对灵敏度为质子的1/5600；H0EI=21I=21HsplittingCsplitting碳谱与氢谱的对比氢谱不足不能测定不含氢的官能团碳谱补充对于含碳较多的有机物，烷氢的化学环境类似，而无法区别给出各种含碳官能团的信息，几乎可分辨每一个碳核，光谱简单易辨认碳谱不足氢谱峰面积的积分高度与氢数成比例去耦谱峰高常不与碳数成比例氢谱补充核磁共振碳谱的解析区分谱图中的溶剂峰和杂质峰;分析化合物结构的对称性;按化学位移值区分确定碳原子的类型;碳原子级数的确定;对碳谱各谱线进行归属。碳谱去耦如果峰数不多，偶合的方式仍可分析出．但当很多锋出现时，偶合方式的分析就不是那么容易．*CH3-CH2-未去偶氢去偶13C谱标识技术(1)质子噪声去偶或宽带去偶宽频带照射，使1H饱和；去偶使峰合并，强度增加。(2)质子偏共振去偶弛豫：13C的弛豫比1H慢，达数分钟；PFT-NMR可测定，提供空间位阻、各向异性、分子大小、形状等信息。(3)选择去偶选择某一个1H核的频率作为第二射频场，与该1H核偶合的13C，的1JCH＝0，为单峰，而其他裂分峰变为峰簇。氢去偶除简化碳谱还因为有核的Overhauser效应而增加信噪比.decoupledcoupledC-HC-H2*CH3-CH2-00.10.20.40.60.81.01.55去偶与脉冲强度的关系去偶与脉冲强度的关系ProtonresonanceoffsetProto