核磁共振原理及图谱分析技巧

核磁共振氢谱1.核磁共振的基本原理2.核磁共振仪3.氢的化学位移4.影响化学位移的因素5.各类质子的化学位移6.自旋偶合和自旋裂分7.偶合常数与分子结构的关系8.常见的自旋系统9.简化1H1NMR谱的实验方法10.核磁共振氢谱解析一.核磁共振的基本原理•NMR：磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。是研究分子结构、构型构象等的重要方法。核磁共振的研究对象：磁性核磁性核：具有磁矩的原子核。磁矩是由于核的自旋运动产生的。并非所有同位素的原子核都具有自旋运动。原子核的自旋运动与自旋量子数（I）有关。自旋量子数I值与原子核的质量数A和核电荷数Z（质子数或原子序数）有关。质量数核电荷数INMR信号电荷分布偶数偶数0无均匀偶数奇数1,2,3,…有不均匀奇数奇数或偶数1/23/2,5/2,…有有均匀不均匀P=)1(II2h=·P磁矩（）磁旋比（）：核的特征常数自旋角动量（P）自旋量子数(I)•I=0:P=0，无自旋，不产生共振信号。I=0:12C616O832S16•I≠0:P≠0，具有自旋现象。I＝1/2，核电荷在核表面均匀分布。核磁共振谱线窄，有利于核磁共振检测。I=1/2:1H113C615N719F931P152、自旋核在磁场中的取向和能级•无外磁场（B0）时，磁矩的取向是任意的。•在B0中，I0的自旋核，磁矩的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I+1）种取向。可用磁量子数m表示：m：I，I-1，I-2,1,-I.I=1/2I=1I=2m=1/2m=+1/2m=1m=+1m=m=2m=1m=m=m=zzzB0对于1H1原子核：I=1/2共有2种取向：（+1/2，-1/2）磁诱导产生自旋核的能级分裂：m=－1/2m=1/2自旋核在B0场中的进动当自旋核处在外磁场B0中时，除自旋外(自旋轴的方向与一致)，还会绕B0进动,称Larmor进动，类似于陀螺在重力场中的进动。H0旋进轨道自旋轴自旋的质子BO核磁距B0B0回旋轴自旋轴自旋轴回旋轴I=1/2I=1/2核磁距自旋核在BO场中的进动h⊿E=——B02πEE1E2B03、核磁共振B0n射=——2πh⊿E=——B02π•磁场强度与射频频率成正比。•仪器的射频频率越大，磁场强度越大，谱图分辨率越高。在垂直于B0的方向加一个射频场B1，其频率为n射，当E射=hn射=⊿E时，自旋核会吸收射频的能量，由低能态跃迁到高能态（核自旋发生反转）。产生NMR条件（1）I0的自旋核（2）外磁场B0（3）与B0相互垂直的射频场B1B0n射=——2π0H0低场高场吸收能量信号要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：扫频—固定磁场强度，改变射电频率对样品扫描扫场—固定射电频率，改变磁场强度对样品扫描实际上多用后者。对于1H核，不同的频率对应的磁场强度：射频（MHZ）磁场强度（特斯拉）601.40921002.35002004.70003007.100050011.7500饱和与弛豫饱和：在外磁场作用下，1H倾向于与外磁场相同取向的排列。处于低能态的核数目多，由于能级差很小，只占微弱的优势。1H-NMR的讯号依靠这些微弱过剩，低能态核吸收电磁辐射跃迁到高能级而产生信号。如果高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，处于低能态的1H核数目与处于高能态1H核数目相等，与此同步，NMR的讯号也会逐渐减弱直至最后消失。上述这种现象称为饱和。核弛豫：1H核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态。只有当激发和辐射的几率相等时，才能维持Boltzmann分布，不会出现饱和现象，可以连续观测到光谱信号。N+----低能态的核数N-----高能态的核数k-----Boltzmann常数T-----绝对温度N-/N+=1-E/KT=1–(γh/2)B0/KTBoltzmann分布（低能态的核数＞高能态的核数）：B0越大，N-/N+越大，即低能态的核数越多。弛豫方式：1、自旋－晶格弛豫（纵向弛豫）：反映了体系和环境的能量交换。“晶格”泛指“环境”。高能态的自旋核将能量转移至周围的分子(固体的晶格、液体中同类分子或溶剂分子)而转变为热运动，结果是高能态的核数目有所下降。2、自旋－自旋弛豫（横向弛豫）：反映核磁矩之间的相互作用。高能态的自旋核把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋态的核数目不变，总能量不变。N+NRelaxationhn二、核磁共振仪磁体：永久磁体、电磁体(低频谱仪)超导磁体（高频谱仪）射频频率：60，80，100，300，400，600MHz射频源：连续波波谱仪，脉冲傅立叶变换波谱仪脉冲傅立叶变换核磁共振仪—固定磁场：超导磁体（含铌合金在液氮温度下的超导性质。—脉冲方波(强而短的频带，一个脉冲中同时包含了一定范围的各种射频的电磁波)可将样品中所有的核激发。—自由感应衰减信号（FID信号）—经傅立叶变换得到NMR图谱。脉冲自旋核FID谱图照射共振傅立叶变换•在核磁共振实验中，由于原子核所处的电子环境不同，而具有不同的共振频率。NMR信号包含许多共振频率的复合信号,分析困难。•傅立叶转换(FT)：将时域信号转换成频域信号。在频域信号的图谱中,峰高包含原子核数目的信息,位置则揭示原子核周围电子环境的信息。timefrequencyFT•在PFT-NMR中，增设脉冲程序控制器和数据采集及处理系统。•脉冲发射时，待测核同时被激发，脉冲终止时，启动接收系统，被激发的核通过弛豫过程返回。•有很强的累加信号的能力，信噪比高（600：1），灵敏度高，分辨率好（0.45Hz)。3.1化学位移的定义：氢核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场强度下显示吸收峰，称为化学位移。三、氢的化学位移3.2化学位移的由来：核外电子的屏蔽效应在外加磁场作用下，由于核外电子在垂直于外加磁场的平面绕核旋转，从而产生与外加磁场方向相反的感生磁场B’。H核的实际感受到的磁场强度为：核的共振频率为：n=·B0(1-σ)2σ为屏蔽常数Beff=B0-σ·B0=Bo(1-σ)•核外电子云密度高，屏蔽作用大(σ值大)，核的共振吸收向高场（或低频）移动，化学位移减小。•核外电子云密度低，屏蔽作用小(σ值小)，核的共振吸收向低场（或高频）移动，化学位移增大。3.3化学位移的表示方法：化学位移的差别很小，精确测量十分困难，并因仪器不同（Bo）而不同，现采用相对数值。规定：以四甲基硅（TMS）为标准物质，其化学位移为零，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定化学位移值。6010nnnTMS试样化学位移感生磁场H'非常小，只有外加磁场的百万分之几，为方便起见，故×106试样的共振频率TMS的共振频率单位：ppm仪器的射频频率选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质的原因?(1)屏蔽效应强，共振信号在高场区,绝大多数吸收峰均出现在它的左边。(2)结构对称，是一个单峰。(3)容易回收(b.p低)，与样品不反应、不缔合。化学位移用表示，以前也用表示，与的关系为：=10-零点-1-2-31234566789TMS低场高场例：在60MHz的仪器上，测得CHCl3与TMS间吸收频率之差为437Hz，则CHCl3中1H的化学位移为：28.7101060437106660＝＝－标样样品nnn3.4核磁共振波谱的测定样品：纯度高，固体样品和粘度大的液体样品必须溶解。溶剂：氘代试剂。标准：四甲基硅烷（内标法，外标法）记录纸：化学位移偶合常数积分高度3.5NMR谱的结构信息化学位移积分高度偶合常数氘代溶剂的干扰峰CDCl37.27(s)CD3CN2.0CD3OD3.3（5）,4.5(OH)CD3COCD32.1（5）,2.7(水)CD3SOCD32.5（5）,3.1(水)D2O4.7(s)C6D67.3(s)1HNMR谱中的峰面积(peakarea)正比于等价质子的数目用积分曲线表示峰面积。积分曲线的高度与峰面积成正比关系。例：乙醇CH3CH2OH3组质子的积分曲线高度比为3：2：1积分曲线(integrationline)积分曲线(integrationline)甲基与苯环质子的积分曲线高度比为3：2图3-5乙醚CH3CH2OCH2CH3的氢核磁共振谱四、影响化学位移的因素氢核受到的屏蔽作用越大，峰越在高场出现，δ越小。诱导效应共轭效应各向异性效应VanderWaals效应氢键效应和溶剂效应拉电子基团：去屏蔽效应，化学位移增大推电子基团：屏蔽效应，化学位移减小4.1诱导效应：Y－H中Y的电负性越大，1H周围电子云密度越低，屏蔽效应越小，越靠近低场出峰，δ值越大。化合物CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4TMS电负性4.03.53.02.82.52.11.8δ4.263.143.052.682.160.230化合物CH4CH3ClCH2Cl2CHCl3δ0.233.055.337.27化合物C－CH3N－CH3O－CH3电负性C:2.52.5N:3.0O:3.5δ0.7～1.92.1～3.13.2～4.2试比较下面化合物分子中HaHbHc值的大小。CH3-O-CH2-C-CH3CH3ClabcCH3—CH2—CH2—Xγβα0.931.533.49—OH1.061.813.47—ClbacORNH2NO2COR7.277.277.278.217.457.666.817.116.864.2共轭效应•供电子共轭效应，苯环电子云密度增大。•氢核电子云密度增大，屏蔽作用增大，向高场移动，δ值减小。C=CHHHHC=CHHOCH3HC=CHHC=OHCH35.254.036.27HHOHHC=OH7.276.737.81HaOCH3HbOCH3Ha1Ha2HbCOCH3OABC7.788.586.708.087.94各向异性效应：氢核与某功能基因空间位置不同，受到屏蔽作用不同，导致其化学位移不同。原因：在外磁场的作用下，由电子构成的化学键会产生一个各向异性的附加磁场,使得某些位置的核受到屏蔽,而另一些位置上的核则为去屏蔽。4.3化学键的各向异性效应例如：CH3CH3CH2=CH2HC≡CHδ(ppm):0.865.251.80化学键的各向异性，导致与其相连的氢核的化学位移不同。sp杂化碳原子上的质子：叁键碳碳碳叁键:直线构型，π电子云呈圆筒型分布，形成环电流，产生的感应磁场与外加磁场方向相反。H质子处于屏蔽区，屏蔽效应强，共振信号移向高场，δ减小。δ=1.8～3H-C≡C-H:1.8＋：屏蔽区；－：去屏蔽区去屏蔽效应：核外电子产生的感应磁场与外加磁场方向相同，核所感受到的实际磁场B有效大于外磁场。spsp2杂化碳原子上的质子：双键、苯环苯：7.27；乙烯：5.25；醛氢：9－10HHHHHHHHHHHHHHHHH2.999.2818轮烯对番烷CH2H2CCH2CH2CH2CH2CH2CH2H2C3.812.701.300.900.30sp3杂化原子上的质子：单键C-C单键的σ电子产生的各向异性较小。△δHa=0.76ppm,△δHb=1.15ppmHaHbHcOHHaHbHcHOa4.68b2.40c1.10a3.92b3.55c0.88VanderWaals效应•两核靠得很近时，带负电荷的核外电子云就会相互排斥，使核裸露，屏蔽减小，δ增大。•靠近的基团越大，该效应越明显。4.3.2VanderWaals效应•随样品浓度的增加，缔合程度增大，分子间氢键增强，羟基氢δ值增大。4.3.3氢键的影响•氢键的形成降低了核外电子云密度，有去屏蔽效应，使质子的δ值显著增大。δ值会在很宽的范围内变化。PhOH中酚羟基H的化学位移与浓度的关系：浓度100%20%10%5%2%1%δ/ppm7.456.86.45.94.94.35分子间氢键：受环境影响较大，样品浓度、温度影响氢键质子的化学位