第4章-核磁共振波谱法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4-1 核磁共振基本原理,4-2 化学位移,4-3 影响化学位移的因素,4-4 简单自旋偶合与自旋裂分,4-1 核磁共振基本原理,1.NMR简介,一、概述,将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生,原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振,利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR,在有机化合物中，经常研究的是,1,H,和,13,C,的共振吸收谱，重点介绍一维核磁共振氢谱的原理及应用,NMR,是研究处于磁场中的,原子核,对,射频辐射,(Radio-frequency Radiation),的,吸收,，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。,在,强磁场,中，原子核发生,自旋能级分裂,(,能级极小：在,1.41T,磁场中，磁能级差约为,25,10,-3,J),，,当吸收外来电磁辐射,(10,9,-10,10,nm,4-900MHz),时，将发生,核,自旋,能级的跃迁,-,产生所谓,NMR,现象。,射频辐射,原子核,(,强磁场下能级分裂,),吸收,能级跃迁,NMR,测定有机化合物的结构，,1,H,NMR氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）,3、NMR谱所能提供的主要信息,吸收峰的数目,多重峰的数目,化学位移,耦合常数J,吸收峰的面积（比）,需指出的是：化学位移、自旋耦合（包括多重峰的数目及强度比，J值）及吸收峰峰面积是NMR进行定性及结构分析的依据，吸收峰的峰面积也是进行定量分析的基础。,4、,NMR,法的特点,来源于原子核磁能间的跃迁,应用范围广,不需要标准样品，可直接进行定量分析,不破坏样品,只能研究磁性原子核，灵敏度低，不适用于痕量分析,二、核磁共振的产生,1、原子的核磁矩在外磁场空间的量子化,I,：自旋量子数；,I,不为零的核都具有磁矩。,h,：普朗克常数；,根据,量子力学的原理,，,原子核磁矩的大小取决于核的自旋角动量(,p,):,实践证明,核自旋与,核的质量数,质子数和中子数有关,质量数为偶数,原子序数为偶数,自旋量子数为0,无自旋,12,C,6,32,S,16,16,O,8,质量数为偶数,原子序数为奇数,自旋量子数为1,2,3,有自旋,14,N,7,质量数为奇数,原子序数为奇或偶数,自旋量子数为1/2,3/2,5/2,有自旋,1,H,1,13,C,6,19,F,9,31,P,15,具有自旋角动量(,p,)的核在自旋式会产生核磁矩(,):,=P,右手定则,为磁旋比，不同的核有不同的磁旋比。,当将自旋核置于,外加磁场,H,0,中时，根据量子力学原理，由于,磁矩与磁场相互作用,。磁矩相对于外加磁场有不同的取向，它们,在外磁场方向的投影是量子化的,，可以用磁量子数(,m,)描述：,对于具有,I,、,m,的核量子化能级的能量为：,H,0,：外加磁场强度(G-高斯);,：,核磁子(5.04910,-31,J.G,-1,);,：以,为单位的,磁旋比.,m=I,I,-1,I,-2,.,-,I,2,I,=1个取向,对于具有,I,=1/2,m=+,1/2、-1/2,的,核:,对于具有,I,=1,m=,1,0,-1,的,核:,Z,m=,0,H,0,Z,m=+,1/2,H,0,Z,m=-,1/2,H,0,Z,m=+,1,H,0,Z,m,=-1,H,0,E,=-,H,0,E,=+,H,0,E,=2,H,0,E,=-,H,0,E,=+,H,0,E,=,H,0,E,=,H,0,对于任何自旋角量子数为,I,的核，其相邻两个能级的能量差：,注意:,(,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,0的原子核,I,=1：,2,H，,14,N,I,=3/2：,11,B，,35,Cl，,79,Br，,81,Br,I,=5/2：,17,O，,127,I,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,1,H，,13,C，,19,F，,31,P,原子核可看作核电荷均匀分布的球体，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。,拉莫尔进动(,Larmor Precession),当将自旋核置于外加磁场,H,0,中时，根据,经典力学模型,会产生拉莫尔进动：,拉莫尔进动频率,0,与角速度,0,的关系为,；,两种进动取向不同的氢核之间的能级差：,0,=,B,0,=2,0,-,磁旋比,B,0,-,外磁场强度,0,=,B,0,/(2,),0,H,0,H,0,E,=,H,0,(,磁矩),4-2 化学位移,一、屏蔽常数,1、屏蔽效应：理想化的、裸露的氢核，当满足共振条件时，产生单一的吸收峰；,H,0,H,0,在外磁场作用下，氢核外运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：,：屏蔽常数，与质子所处的化学环境有关；,核外电子云密度越大，,越大，表明受到的屏蔽效应越大。,链接：屏蔽作用,H,=,（,1-,）,H,0,但这只是在理想情况下，实际上并不存在裸露的氢核。在有机化合物中，氢核不但受周围不断运动着的价电子影响，还受到相邻原子的影响。,由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要更大的外磁场强度(相对于裸露的氢核)来抵消屏蔽用作用的影响。,固定,H,0,：,大，,v,小,固定,v,：,大，,H,0,大,2、化学位移,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，,这种现象称为化学位移,。,二、化学位移的表示方法,1化学位移的标准物质,没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。,相对标准：四甲基硅烷,Si(CH,3,),4,(,TMS,)-,内标物,规定其位移常数,TMS,=0,核磁共振测量化学位移选用的标准物质是,四甲基硅烷,(CH,3,),4,Si,TMS,它具有下列优点：,TMS,分子中有,12个氢核,所处的化学环境完全相同，在谱图上是一个尖峰。,TMS,的氢核所受的屏蔽效应比大多数化合物中氢核大，共振频率最小，,吸收峰在磁场强度高场,TMS,对大多数有机化合物氢核吸收峰不产生干扰。规定,TMS,氢核的,=0，,其它氢核的,一般在TMS的一侧。,TMS,具有,化学惰性,。,TMS,易溶于大多数有机溶剂中。采用,TMS,标准,测量化学位移，对于给定核磁共振吸收峰，不管使用多少MHz的仪器,值都是相同的。,大多数质子峰的,在112之间。,3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。,小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现；,大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现；,有机化合物由于电子 屏蔽效应产生的化学位移只有百万分之十。,固定,v,=60 MHZ,H,0,：,14092,0.142G,10,-6,固定,H,0,=14092,G,v,：60 MHZ,600,HZ,10,-6,三、核磁共振波谱,1、核磁共振波谱,/ppm,v,H,0,TMS,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,-CH,3,-CH,2,I,CH,3,CH,2,I,2、核磁共振波谱图提供物质的结构信息,峰 的 数 目,:,标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；,峰的强度,(,面积,),比,:,每类质子的数目,(,相对,),，多少个,；,峰 的 位 移 值,(,):,每类质子所处的化学环境、化合物中位置；,峰 的 裂 分 数,:,相邻碳原子上质子数；,偶 合 常 数,(J):,确定化合物构型。,仅能确定质子（氢谱）；与红外谱图联合解析。,4-3 影响化学位移的因素,一、电负性（诱导效应）,与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，NMR吸收峰在低场、高化学位移处。,例1：碘乙烷,例2：甲醇,7.24,5.33,4.26,3.40,3.05,2.68,2.16,0.23,0,电负性,例3：CH,3,X的-CH,3Cl,2Cl,F,O,Cl,Br,I,H,Si,4.0,3.5,3.1,2.8,2.5,2.1,1.8,CHCl,3,CH,2,Cl,2,CH,3,F,CH,3,OH,CH,3,Cl,CH,3,Br,CH,3,I,CH,4,Si(CH,3,),4,/,ppm,=1.6,2.0,=3.03.5,9,低场,=3.5,=0.23,二、磁各向异性效应,=0.23,=5.28,=1.83.0,=7.3,小,大,H,0,低,大,小,H,0,高,小,大,H,0,低,四、氢键效应,小,大,H,0,低,正丁烯-2-醇 1%纯液体,1 5,=5.28,三、共扼效应,=3.57,=3.99,=5.87,=5.50,.,=0.23,乙烯醚,p,-,共轭,乙烯酮,-,共轭,酚-OH,醇-OH,硫醇-SH,氨-NH,2,羧酸-OH,醛,杂环,芳香,烯,醇、醚,炔,五、各种环境中质子的化学位移,X-CH,3,-CH,2,-,环丙基,M-CH,3,/,ppm 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,/,ppm 4 3 2 1 0,/,ppm 4 3 2 1 0,一、自旋偶合与自旋裂分现象,为什么每类氢核不总表现为单峰、有时出现多重峰？,TMS,-CH,3,-CH,2,I,CH,3,CH,2,I,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,1、自旋-自旋偶合与裂分,4-4 简单自旋偶合与自旋裂分,TMS,-CH,3,-CH,2,-OH,低分辨率NMR仪器,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,高分辨率NMR仪器,-CH,3,-CH,2,-OH,TMS,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,原因：相邻两个氢核核磁距之间的自旋偶合（自旋干扰）,甲基3个H,化学等价、磁等价,，在外加磁场下核磁距有8个取向；,对,H,的影响：,顺磁场为 +,反磁场为 -,H,0,几 率 1/8 3/8 3/8 1/8,-CH,2,H,0,+,+3,-,-3,面积比 1 ：3 ：3 ：1,偶合能量 -3,-,+,+3,2、自旋偶合与裂分规律,1)裂分数目,2,nI,+1,I,=1/2：质子,裂分数目,n,+1,2)裂分峰呈对称关系,距离相等、峰形相似、强度相等,3)裂分峰的强度比：(,a,+,b,),n,展开的各项系数,例：,CH,3,O,CH,2,CH,3,裂分峰数目：,1,4,3,强 度 比：1:3:3:1,1:2:1,例：,CH,3,CH,2,CH,3,裂分峰数目：7,3,强 度 比：1:6:15:20:15:6:1,1:2:1,例：,NH,3,14,N,7,I,=1,2,n,I,+1=3,H的裂分峰数目：3,强度比：,1:2:1,n=0 1,n=1 1:1,n=2 1:2:1,n=3 1:3:3:1,n=4 1:4:6:4:1,n=5 1:5:10:10:5:1,n=6 1:6:15:20:15:6:1,3、偶合常数（J）,自旋偶合等间距裂分峰之间的距离成为偶合常数（,J,），反映了核之间的偶合作用的强弱。,与化学位移不同，偶合常数（,J,）与,H,0,、,v,无关，受化学环境的影响也很小。,偶合作用是通过成键电子传递，偶合常数（,J,）的大小与传递的键数有关-用,n,J,表示，,n,表示传递的键数。,例：,CH,3,O-CO-CH,2,CH,2,CH,3,a b,裂分峰数目：1 3,12,3,(,n,a,+1)(,n,b,+1),-CH,2,H,0,+,+3,-,-3,J,J,J,同碳偶合,-,-,2,J,数值变化范围大，与分子结构有关；,根据传递的键数偶合可以分为：,3,J,=68 HZ,2,J,=42 HZ,邻碳偶合,-,3,J,=016HZ，广泛应用与立体化学研究，是NMR的主要研究对象。,3,J,=612 HZ,3,J,=410HZ,2,J,=2.3HZ,同碳偶合、邻碳偶合:,2,J、,3,J,称为近程偶合，是NMR的主要研究对象。,远程偶合,：,n,J,n 大于3，此时,n,J,小于1 HZ，,一般不考虑,。,n,J,邻：610HZ 间：13 HZ 对：01 HZ,二、核的化学等价与磁等价,1.化学等价：具有相同位移值的核称为化学等价核，具有相同的化学环境。,2.磁 等 价：具有相同位移值、并且对组外的其他核的偶合常数也相同。磁等价的核不产生裂分。,4个,H,化学等价,磁等价,6个,H,化学等价,磁等价,CH,3,-CH,2,-,CH,3,6个,H,化学等价,磁等价,H,与,H,化学等价,磁不等价,19,F,9,=,1/2,J,H,1,F,1,=,J,H,2,F,1,J,H,1,F,2,=,J,H,2,F,2,H,1,H,2,化学等价,磁等价,J,H,1,F,1,J,H,1,F,2,J,H,2,F,1,J,H,2,F,2,H,1,H,2,化学等价,磁不等价,三、自旋体系的分类,强偶合：,/,J,小于10 高级NMR图谱,表示方式：,ABC,、,KLM,等连续的字母表示。,Ha、Ha,化学等价,磁不等等价,Hb、Hb,同样,属于:,AABB,2个,Hb,化学等价,磁等价,属于：,AB,2,弱偶合：,/,J,大于10 一级NMR图谱,表示方式：,AMX,等不连续的字母表示。,磁等价的核,表示方式：,A,2,、B,3,连续的字母表示。,磁不等价、而化学等价的核,表示方式：,AA,、BB、AABB,。,4-5 核磁共振波谱仪,一.主要组成及部件的功能,工作原理基仪器结构框图（,连续波核磁共振波谱仪,）,射频和磁场,扫描单元,射频发射,单元,射频监测,单元,数据处理,仪器控制,磁场,磁场,仪器组成部分：,磁场、,探头、,射频发射单元、射频和磁场扫描单元、射频监测单元、,数据处理仪器控制六个部分。,探头,二.磁场,要求：磁场强度均匀，高分辨率的仪器要求磁场强度均匀度在10,-8,磁场强度稳定,探头是核磁共振波谱仪的心脏部分。,种类：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁,电磁铁：通过强大的电流产生磁场，电磁铁要发出热量，因此要有水冷装置，报磁温度在2035,0,C范围，变化不超过0.1,0,C/时；开机后34小时即可达到稳定状态。,超导磁铁:磁场强度高达100KG，磁场强度均匀、稳定；用与200600MHz的核磁共振波谱仪；价格昂贵。,三.探头,在电磁铁的两极上绕上一对磁场扫描线圈，当线圈中通过直流电时，所产生的磁场叠加在原有的磁场上，使有效的磁场在10,2,mG范围内变化，而且不影响磁场的均匀性。,磁场强度小于25KG.用于60MHz的核磁共振波谱仪。,探头包括：试样管、射频发射线圈、射频接收线圈、气动涡轮旋转装置。,试样管：内径5mm，容纳0.4ml液体样品,探头上绕有射频发射线圈、射频接收线圈,气动涡轮旋转装置：使样品管在探头中，沿纵轴向快速旋转，目的是使磁场强度的不均匀性对测定样品的影响均匀化，使谱峰的宽度减少。10,2,r/min.,四.射频发射单元,1H1常用60、200、300、500MHz射频振荡器，要求射频的稳定性在10-8，需要扫描频率时，发射出随时呈线性变化的频率。,五.射频和磁场扫描单元,扫频：,固定磁场强度扫描射频,扫场：,固定射频扫描磁场强度,固定,v,=60 MHZ,H,0,：,14092,0.142G,10,-6,固定,H,0,=14092,G,v,：60 MHZ,600,HZ,10,-6,六.射频接收单元,射频接收线圈、检波器、放大器,七.,数据处理仪器控制(略)）,八.脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪（PFT-NMR),(略),4-6 核磁共振谱法的应用,一、NMR一级谱图,1.弱偶合：,/,J,大于10,NMR一级谱图中吸收峰数目、相对强度与排列方式遵守如下规则：,2.磁等价的核不产生裂分,3.近程偶合：,n,J,，,n,大于3时可以不考虑偶合现象,4.裂分峰的数目：,2,nI,+1,质子,I,=1/2,裂分数目,n,+1,同时受到两组质子的耦合裂分峰的数目：,-CHa,2,-,CH,2,-CHb,3,裂分峰数目：,(,n,a,+1)(,n,a,+1),6.裂分峰的强度(面积)之比：,(,a,+,b,),n,展开的各项系数,7.与化学位移不同，偶合常数（J）与H、v无关，受化学环境的影响也很小。,1）区别杂质与溶剂峰,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,(,),、,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,二、谱图解析的步骤,1.核磁共振谱图提供的化合物结构信息,2.谱图解析的一般步骤,6）对推导出的分子结构进行确认（可以辅助其他方法）,1）峰的数目 2）峰的强度(面积)比,3）峰的位移()4）峰的裂分数,5）偶合常数(J),1.峰的数目：3,2.峰的强度(面积)比：5：1：6,3.峰的位移：=1.2,（-CH,3,）,=3.1,（-CH）,=7.2,（苯环上的H）,4.峰的裂分数：1；7；2,例.已知某有机化合物的化学式为:C,9,H,12,，其质子的NMR波谱图如下：,6H,1H,5H,TMS,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,不饱和度：U=4,例.已知某有机化合物的化学式为:C,9,H,12,，其质子的核磁共振波谱图如下：,试回答：,(1)计算该分子的不饱和度；,(2)简要指出各个核磁共振吸收峰的基团归属以及产生不同化学位移值的原因；,(3)判断出该分子的结构式。,/ppm,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0,TMS,1,3,解答：,1.峰的数目：2,2.峰的强度(面积)比：3：1=9：3,3.峰的位移：=2.3 （-CH,3,）,=7.2 （苯环上的H）,4.峰的裂分数：1；1,不饱和度：U=4,例.,某有机化合物的元素分析结果表明其分子式为：C,4,H,8,O,2,，经核磁共振波谱分析得到如下数据：,化学位移,(ppm)1.2 2.4 11.6,裂 分 峰 双重峰 七重峰 单重峰,积分面积 6 1 1,请分别指出各波谱峰的归属并判断该有机化合物的结构。,解答：,1.峰的数目：3 不饱和度：U=1,2.峰的强度(面积)比：6：1：1,3.峰的位移：=1.2 （-CH,3,）,=2.4 （-CH）,=11.6 （-OH）,4.峰的裂分数：6:1:1,四、13C谱简介,自然丰度低：,13,C/,12,C=1.1%,磁旋比小：,r,C13,/r,H1,=1/4,灵敏度低：,1,H的1/5600 FIT-NMR可以解决此问题,1.,13,C谱的弱点,2.13C谱的特点,除了,1,H外，还有,13,C、,19,F、,31,P、,15,N,获得分子的骨架信息：,C=O、C,N,13,C谱的化学位移值：300ppm、,1,H：20 ppm,13,C谱的分辨率高、重叠峰较少，物质信息独立,