仪分核磁共振波谱法药学培训课件.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,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,有机化合物定性的四大谱,紫外光谱,UV,红外光谱,IR,核磁共振谱,NMR,质谱,MS,光谱法,UVIRNMR,的基本原理,电磁波（波长）,能级,(,量子,),UV,IR,NMR,*,n*,?,核自旋,200-400nm,2.5-50m,(,中红外区,),波长,0.610m,频率为兆赫数量级,概述,分类,应用,原子核：,氢谱,、碳谱,谱图：,一维谱图,、二维谱图,定性：,有机化合物的结构鉴定,（纯样品）,定量：,有机化合物含量测定,（灵敏度低）,问题,:,1.,该谱图如何产生,?,2.,乙醇中的几个质子为何会出现在不同位置,?,3.,为什么甲基氢和亚甲基氢峰会出现分裂,?,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,核磁共振波谱法：,将自旋核放入磁场中，用适当频率的电磁波照射，,它们,会吸收能量，发生原子核自旋能级的跃迁，同时产生核磁共振信号。以核磁共振信号对照射频率（或,磁场强度,）作图，即为核磁共振波谱。,9-1,核磁共振基本原理,9-1,核磁共振基本原理,一、原子核的自旋,原子核,原子核由,质子和中子,组成，质子和中子都有确定的自旋角动量。这些角动量的总和就是原子核的,自旋角动量,(P),。,I,：自旋量子数,h,：普朗克常数,一、原子核的自旋,原子核的自旋特征用,自旋量子数,(I),表示。,I=0,无自旋现象,I,0,有自旋现象。,=P,I,不为零的核都具有磁矩（,），核磁距是,矢量,。,：,磁旋比,：,磁矩,原子核磁矩,(,),原子核的自旋特征用,自旋量子数,(I),表示。,I=0,无自旋现象,I,0,有自旋现象。,原子核的自旋特征用,自旋量子数,(I),表示。,I=0,无自旋现象,I,0,有自旋现象。,B,0,核的自旋量子数,(I),与核磁共振关系,质量数 原子序数,自旋量子数,I,NMR,信号,偶数 偶数,0,无,16,O,；,12,C,；,32,S,奇数 奇数或偶数,1/2,；,3/2,；,5/2,有,(3),1,H,，,13,C,19,F,偶数 奇数,1,，,2,，,3.,有,(2),2,H,，,14,N,二、原子核的自旋能级和共振吸收,当将自旋核置于,外加磁场,B,0,中时，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：,m=,I,I-1,I-2,.-I 2I+1,个取向,B,0,如,1,H,，,I=1/2,，,m=2I+1,，磁量子数有,2,个取向。,1.,量子力学模型,对,1,H,而言,其核在外加磁场中有,两个自旋,取向，即,m=,+,1/2,，,-,1/2,Z,m=-,1/2,B,0,Z,m=+,1/2,B,0,m=,+,1/2,与外加磁场方向相同,m=,-,1/2,与外加磁场方向相反,E,m=+,1/2,m=-,1/2,B,0,=0,E,B,0,0,E=,h,0,自旋能级裂分,E,与,B,0,及共振频率,o,的关系,B0,E,2,E,E,1,0,=,:,磁旋比,B,0,:,外磁场强度,当将自旋核置于外加磁场,B,0,中时，根据,经典力学模型,会产生拉莫尔进动,(,Larmor Precession),：,2.,经典力学模型,拉莫尔进动,(,Larmor Precession)B,0,拉莫尔进动频率,与,B,0,关系,:,:,磁旋比,B,0,:,外磁场强度,3.,拉莫尔进动,与共振吸收,氢核的两种进动取向,:,能级差：,E=,h,+E,B,0,B,0,-E,当照射频率,(,0,),=,核进动频率,(,),即产生自旋能级跃迁,因发生能级跃迁时,0,=,故称,核磁共振的吸收,;,当,0,=,讨论,:,产生共振条件：,0,=,=,（,1,）对于同一种核，磁旋比,为定值，,B,0,变，,射频频率,0,变。,氢核（,1,H,）：,1.409 T,共振频率,60 MHz,2.305 T,共振频率,100 MHz,（,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,B,0,和射频频率,0,不同。,（,3,）,若,固定磁场强度,B,0,，改变照射频率,来满足共振条,件，这种方法叫,扫频,.,若,固定照射频率,0,，改变磁场强度,来满足共振条,件，这种方法叫,扫场,.,扫场方式应用较多。,讨论,:,低场,吸收强度,磁场强度,高场,0,=,=,例：,外磁场,B,0,=4.69T,（特斯拉，法定计量单位）,1,H,的共振频率为,放在外磁场,B,0,=2.35T,=100MHz,三、能级分布与驰豫过程,核自旋能级分布：,低能态的核数仅比高能态核数多十万分之一，而,NMR,信号就是靠这极少的低能态核产生。,饱和,强辐射下，,n,低能态,=,n,高能态,驰豫高能态,（经非辐射途径）,回到低能态,自旋,-,自旋驰豫；自旋,-,晶格驰豫。,紫外、红外低能态为基态,9-2,核磁共振波谱仪,9-2,核磁共振波谱仪,1,永久磁铁,：提供外磁场，要求稳定性好。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。,3,射频信号接受器,（检测器）：当质子的进动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。,9-2,核磁共振波谱仪,小结：,原子核的自旋：自旋量子数，磁距,氢核的自旋能级分裂,磁量子数：,m=-1/2;m=+1/2,。拉莫尔进动,3.,核磁共振的产生,0,=,=,B,0,/(2),E=,h,作业,:P214 9.2 9.3 9.4 9.5,问题,:,1.,该谱图如何产生,?,2.,乙醇中的几个质子为何化学位移会不同,?,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,9-3,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,),，,质子屏蔽效应不同，,导致共振吸收峰的位移，,这种现象称为化学位移。,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,一、屏蔽效应与化学位移,1,、屏蔽效应：,0,=,B,0,/(2),在外磁场作用下，氢核外运动着的电子,产生与外磁场方向相反的感应磁场,，使,氢核实际受到的外磁场作用减小,，这种作用称为屏蔽效应。,B,=,B,0,-,B,0,=,(1-,),B,0,：屏蔽常数，与核外电子云密度有关；,越大，表明受到的屏蔽效应越大。,B,0,B,0,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；实际情况,不存在裸露的氢核,。,因此，屏蔽存在下的核磁共振条件：,1.,当,B,0,一定时，,0,;,0,裸露核的共振条件,2.,当,0,一定时，,B,0,;,B,0低,场,、高频,屏蔽作用大,屏蔽作用小,高,场,、低频,1.,当,0,一定时，,B,0,;,B,0,2.,当,B,0,一定时，,0,;,0,-OH,二、化学位移,-CH,3,=CH,2,TMS,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,低场,高场,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,是以百万分之一,(ppm),为单位。,1.,化学位移的单位,1.4T,60M Hz,0,600 Hz,2.,化学位移的计算,B,0,1.4092T,TMS,=60MHz,CH3,=60MHz,162Hz,例如：,CH,3,Br,=,1626010,6,2.70(ppm),10,6,B,0,2.3487T,TMS,=100MHz,CH3,=100MHz,270Hz,=,270,10010,6,2.70(ppm),10,6,TMS,是标准品,3.,化学位移的标准物质,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,为什么用,TMS,作为基准,?,(1)12,个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；,(2),屏蔽强烈，共振峰在高场。与有机化合物中的质子峰不重迭；,(3),化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,三、,影响化学位移的因素,1.,诱导效应,与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，,使氢核周围电子云密度降低，,屏蔽作用减弱，,NMR,吸收峰在低场、化学位移增大。,例,1,：碘乙烷,例,2,：甲醇,=1.6,2.0,=3.03.5,=4.2,=3.5,=0.23,=4.2,=3.2,元素的,电负性,，通过诱导效应，使,H,核的,核外电子云密度，屏蔽效应，,共振信号低场。,试比较下面化合物分子中,H,a,H,b,H,c,值的大小。,b a c,2.,共轭效应,使氢核周围电子云密度增加，则磁屏蔽增加，共振吸收移向高场；反之，共振吸收移向低场。,3.,磁各向异性,=7.3,(1),苯环,=0.23,=9.69,3.,磁各向异性,(2),双键,=5.28,=1.83.0,3.,磁各向异性,(3),叁键,碳碳三键,电子云呈筒型分布，形成环电流，感应磁场与外加磁场方向相反，三键上的,H,质子处于屏蔽区，屏蔽效应较强，使三键上,H,质子的共振信号移向较高的磁场区，其,=2,3,。,4.,氢键效应,形成氢键后,1,H,核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应,正丁烯,-2-,醇,1%,纯液体,1 4,5,4.,氢键效应,形成氢键后,1,H,核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应,随样品浓度的增加，羟基氢信号移向低场。,屏蔽作用与化学位移的关系,屏蔽强，,小，吸收峰在高场,屏蔽弱，,大，吸收峰在低场,屏蔽强高场,小,屏蔽弱低场,大,四、,几类质子的化学位移,烷烃,0.9,1.5ppm,烯烃,4.5,5.7ppm,炔烃,1.7,2.5ppm,芳烃,7.6,8.0ppm,醛基,9.0,10.0ppm,羧基,9.0,12.0ppm,最常见的几类化学物的化学位移,要求：,了解,P202,图,9-3,1,、化学位移,值随着其邻近原子（或基团）的电负性增强而增大。,2,、烃基氢的,值为芳环上氢,烯基氢,炔基氢,饱和碳原子上的氢。,3,、饱和碳原子上的氢的,值为,3,2 1,4,、,-OH,、,-COOH,、,-NH,2,、,-SH,等活泼氢，由于氢键的形成使,值向低场位移。,化学位移规律及小结,问题,:,1.,该谱图如何产生,?,2.,乙醇中的几个质子为何会出现在不同位置,?,3.,为什么甲基和亚甲基质子峰会出现分裂,?,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,9-4,自旋偶合与自旋分裂,为什么每类氢核有时为单峰、有时为多重峰？,偶合,表示核的相互作用，,分裂,表示谱峰增多的现象。,1.,自旋分裂的产生,峰的分裂原因：自旋偶合,距离：相邻,(2,至,3,个键,),两个氢核,顺磁性,向低场移,逆磁性,向高场移,顺磁性,向低场移,逆磁性,向高场移,碘乙烷的偶合情况,(1).,CH,3,上的氢（以,Ha,表示）：,受到,H,b,形成的三种局部磁场的作用,分别为,:,表示顺磁性,表示逆磁性,同理，可画出,H,a,对,H,b,的影响,(2).,CH,2,上的氢（以,H,b,表示）：,亚,(1).,峰裂分的数目为,(n+1),(,n,为相邻氢质子的数目,),。,(2).,裂分强度等于二项式,(a+b),n,的展开式中的各项系数。,2.,自旋分裂的规律,(2).,裂分强度：裂分峰的强度之比恰好等于二项式,(a+b),n,的展开式中的各项的系数和。,s(single):,单,d(doublet):,双重峰,t(triplet):,三重峰,q(quarte):,四重峰,quintet,：,五重峰,sextet,：,六重峰,m(multi):,多重峰,NMR,谱中分裂峰的表示方法,3,、偶合常数,偶合常数的单位用,Hz,表示。,J,值越大,自旋偶合作用越强,偶合常数的大小与外加磁场强度、使用仪器的频率无关,。,J,a,b,J,a,b,自旋,-,自旋偶合分裂后，两峰之间的距离，,即是偶合常数。,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,=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,J,值趋于零,，,一般不考虑,。,4.,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，即是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,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,(1).,产生自旋偶合，相隔单键数,3,；,(2).,峰裂分的数目,(n+1),强度,(a+b),n,的系数；,(3).,磁等性,H,核之间不发生自旋裂分。如,CH,3,-CH,3,只有一个单峰。,小 结,5,、,二维谱图（相关谱）,9-5,核磁共振氢谱的解析,一、核磁共振氢谱提供的分子结构信息,标志分子中磁不等性质子的种类,每类质子的数目,(,相对,),，多少个,每类质子所处的化学环境,相邻碳原子上质子数,确定化合物构型,峰 的 数 目,:,峰的强度,(,面积,),比,:,峰 的 位 移 值,(,):,峰 的 裂 分 数,:偶 合 常 数,(J):,二,.,计算不饱和度,U=,2,2C,N,H(,X,),2,峰面积的大小与质子数目成正比。,峰面积高度之比,=,质子个数之比。,三、峰面积与质子数目的关系,4,c,m,(,2,H,),8,c,m,(,4,H,),2,c,m,(,1,H,),1,4,c,m,(,7,H,),有几组峰,，,则表示样品中有几种不同类型的质子；,三、峰面积与质子数目的关系,四、谱图解析,d,a,b,c,四、谱图解析,例：已知一化合物其,1,HNMR,图谱,和结构,如下，,试归属下列各峰,a,b,c,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：,1.,峰的数目：,2,不饱和度：,U=4,2.,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,例,3.,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：,四、谱图解析,C,8,H,14,O,4,U=2,IR,显示含羰基,四、谱图解析,例：一化合物分子式,C,9,H,12,O,，根据其,1,HNM谱,(,下图,),，试推测,该化合物结构。,7.2(5 H,s),4.3(2 H,s),3.4(2 H,q),1.2(3 H,t),5,2,2,3,四、谱图解析,如果邻近不同的核与所研究的核之间有着接近或相同的偶合常数,那么谱线分裂的数目为,(n+n+1),。,介绍一个化学领域的好软件,Chemdraw 8.0,1.,核磁共振的基本原理,原子核自旋,能级分裂,共振条件,2.,化学位移,屏蔽效应,化学位移,影响因素,谱图的高、低场和高低、频的概念,几类质子化学位移,3.,偶合常数,自旋偶合与峰的分裂,分裂规律,化学等价与磁等价,4.,谱图解析步骤,本 章 小 结,1,、思考题,:,光谱分析法；核磁共振波谱法；公式,n,o,=,g,B,0,/2,p,的意义,2,、名词解释：,化学位移；屏蔽效应；磁各向异性,3,、,P214 9.2;9.3;9.4;9.5;9.8;9.11;9.12;9.13,思考题,