核磁共振课件.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,*,核磁共振波谱,第一节 核磁共振基本原理,第二节 核磁共振与化学位移,第三节,自旋偶合与自旋裂分,第四节 谱图解析与化合物结构确定,第五节 碳-13核磁共振,一、原子核的自旋,若原子核存在自旋，产生核磁矩；,自旋角动量：,I,：自旋量子数；,h,：普朗克常数；,核磁子=,eh,/,2M c,自旋量子数（,I,）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（,I,）表征：,质量数 原子序数 自旋量子数,I,偶数 偶数 0,偶数 奇数 1，2，3.,奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2.,核 磁 矩：,第一节 核磁共振基本原理,(,1),I,=0 的原子核O（16）;C（12）;S（32）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，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。,二、核磁共振现象,自旋量子数,I,=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。,当置于外加磁场,H,0,中时，相对于外磁场，可以有（2,I,+1）种取向：,氢核（,I,=1/2），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;,核磁共振现象：,两种取向不完全与外磁场平行，,5424,和 125 36,相互作用,产生进动(拉莫进动)进动频率,0,；角速度,0,；,0,=2,0,=,H,0,磁旋比；,H,0,外磁场强度；,两种进动取向不同的氢核之间的能级差：,E,=,H,0,（,磁矩）,高能量,低能量,三、核磁共振条件,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。,能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。,对于氢核，能级差：,E,=,H,0,（,磁矩）产生共振需吸收的能量：,E,=,H,0,=,h,0,由拉莫进动方程：,0,=2,0,=,H,0,;,共振条件：,0,=,H,0,/(2),电磁波辐射,在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分，如右图所示。,由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。,四、核磁共振波谱仪,1永久磁铁,：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。,一、核磁共振与化学位移,理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：,0,=,H,0,/(2,),产生单一的吸收峰；,实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，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：,H,=（1-,）,H,0,：,屏蔽常数。,越大，屏蔽效应越大。,=,/(2)（1-,）,H,0,由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。,第二节 核磁共振与化学位移,1、化学位移：,0,=,/(2)（1-,）,H,0,由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。,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。,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(CH,3,),4,（TMS）（内标）,位移常数,TMS,=0,2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，位移最大。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。,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,)/,TMS,10,6,(ppm),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，如右图；,二、影响化学位移的因素,1、电负性,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，信号峰在低场出现。,-CH,3,，,=1.62.0，,高场；,-CH,2,I，,=3.03.5，低场,-O-H，-C-H，,大,小,低场 高场,电负性对化学位移的影响,碳杂化轨道电负性：SPSP,2,SP,3,2、,磁各向异性效应,具有多重键或共轭多重键分子，在外磁场作用下，,电子会沿分子某一方向流动，产生感应磁场。此感应磁场与外加磁场方向,在环内相反（抗磁），在环外相同（顺磁），即对分子各部位的磁屏蔽不相同。,a.双键碳上的质子,烯烃双键碳上的H质子位于,键环流电子产生的感生磁场与外加磁场方向一致的区域（称为去屏蔽区），去屏蔽效应的结果，使烯烃双键碳上的H质子的共振信号移向稍低的磁场区，其=4.55.7。,同理，羰基碳上的H质子与烯烃双键碳上的H质子相似，也是处于去屏蔽区，存在去屏蔽效应，但因氧原子电负性的影响较大，所以，羰基碳上的H质子的共振信号出现在更低的磁场区，其=9.410。,b、芳环的磁各向异性效应,苯环上的6个,电子产生较强的诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,c.三键碳上的质子,：,碳碳三键是直线构型，,电子云围绕碳碳,键呈筒型分布，形成环电流，它所产生的感生磁场与外加磁场方向相反，故三键上的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=23。,3、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。,分子内氢键，其化学位移变化与溶液浓度无关，取决于分子本身结构。,O,H,O,R,R,R,C,O,C,H,2,C,O,R,R,C,C,H,O,H,C,O,R,1,1,1,6,p,p,m,高温使OH、NH、SH等氢键程度降低，信号的共振位置移向较高场。,活泼氢的,值与样品的浓度、温度及所用溶剂的化学性质有关。,识别活泼氢可采用重水交换。,4、空间效应,空间效应,H,a,=3.92ppm,H,b,=3.55ppm,H,c,=0.88ppm,H,a,=4.68ppm,H,b,=2.40ppm,H,c,=1.10ppm,去屏蔽效应,三、,各类有机化合物的化学位移,1、饱和烃,-CH,3,:,CH3,=0.791.10ppm,-CH,2,:,CH2,=0.981.54ppm,-CH:,CH,=,CH3,+(0.5 0.6)ppm,H,=3.2,4.0ppm,H,=2.2,3.2ppm,H,=1.8,ppm,H,=2.1,ppm,H,=2,3ppm,各类有机化合物的化学位移,2、烯烃,端烯质子：,H,=4.8,5.0ppm：,内烯质子：,H,=5.1,5.7ppm,与烯基，芳基共轭：,H,=4,7ppm,3、芳香烃,芳烃质子：,H,=6.5,8.0ppm：,供电子基团取代-OR，-NR,2,时：,H,=6.5,7.0ppm,吸电子基团取代-COCH,3,，-CN，-NO,2,时：,H,=7.2,8.0ppm,各类有机化合物的化学位移4、其他,-COOH：,H,=10,13ppm,-OH：（醇）,H,=1.0,6.0ppm,（酚）,H,=4,12ppm,-NH,2,：（脂肪）,H,=0.4,3.5ppm,（芳香）,H,=2.9,4.8ppm,（酰胺）,H,=9.0,10.2ppm,-CHO：,H,=9,10ppm,常见结构单元化学位移范围,一、自旋偶合与自旋裂分,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）,第三节 自旋偶合与自旋裂分,峰的裂分原因:自旋-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。,峰裂分数,二、偶合常数(J),每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以J,ab,表示。,下标ab表示相互偶合的磁不等性H核的种类。,偶合常数的单位用Hz表示。偶合常数的大小与外加磁场强度、,使用仪器的频率无关。,相互偶合的两组质子，彼此间作用相同，其偶合常数相同。,1、同碳偶合,同一碳原子上的化学环境不同的两个氢的偶合。,2,JH-H,2、邻碳偶合,两个相邻碳上的质子间的偶合。,3,JH-C-C-H,同种相邻氢不发生偶合。,（一个单峰）,3、远程偶合,间隔四个化学键以上的偶合。,通常分子中被,键隔开。,一般，间隔四个单键以上，J值趋于零。,三、积分曲线与峰面积,有几组峰，则表示样品中有几种不同类型的质子；,每一组峰的强度(面积)，与质子的数目成正比。,各个阶梯的高度比表示不同化学位移的质子数之比。,一、谱图中化合物的结构信息,（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，,多少种；,（2）峰的强度(面积)：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,。,不足之处：,仅能确定质子（氢谱）。,第四节 谱图解析与化合物结构确定,1、一级谱的特点,2、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,不能从谱图中可直接读出。,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,n,1,个核偶合常数为,J,1,，,n,2,个核偶合常数为,J,2,，,n=,n,1,+,n,2,则裂分峰数为（,n,1,+1)(,n,2,+1)；,峰组内各裂分峰强度比,(,a,+1),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。,常见复杂谱图,7,8,二、,简化谱图的方法,1、采用高场强仪器,60,MHz,100,MHz,220,MHz,H,C,H,B,H,A,2、活泼氢D,2,O交换反应,3、介质效应,OH,NHSH,1,2,CDC,l,3,溶液,1,2,吡啶,溶液,4、去耦法（双照射,）,第二射频场 H,2,2,X,n,（共振）,A,m,X,n,系统,消除了X,n,对的A,m,耦合,照射 H,a,照射 H,b,5、位移试剂(,shift reagents),稀土元素的离子与孤对电子配位后，相邻元素上质子的化学位移发生显著移动。,常用：E,u,（DPM）,3,三（2,2,6,6,四甲基）庚二酮3,5,铕,OH,OH,三、核磁共振图谱解析,1、氢谱的分析：,一张谱图可以向我们提供关于有机分子结构的如下信息：,（1）由吸收峰的组数，可以判断有几种不同类型的H核；,（2）由峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断各类H的,相对数目；,（3）由峰的裂分数目，可以判断相邻H核的数目；,（4）由峰的化学位移（值)，可以判断各类型H所属的化学结构；,（5）由裂分峰的外型或偶合常数，可以判断哪种类型H是相邻的。,2、分析氢谱有如下的步骤：,(1)区分出杂质峰、溶剂峰杂质含量较低，其峰面积较样品峰小很多，样品和杂质峰面积之间也无简单的整数比关系。据此可将杂质峰区别出来。氘代试剂不可能100氘代，其微量氢会有相应的峰，如,CDCl3中的微量CHCl3,在约7.27ppm处出峰。(2)计算不饱和度不饱和度即环加双键数。当不饱和度大于等于4时，应考虑到该化合物可能存在一个苯环（或吡啶环）。,(3)确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目，对氢原子进行分配。,根据积分曲线，找出各峰组之间氢原子数的简单整数比，再根据分子式中氢的数目，对各峰组的氢原子数进行分配。(4)对每个峰的,、,J,都进行分析。,根据每个峰组氢原子数目及,值，可对该基团进行推断，并估计其相邻基团。对每个峰组的峰形应仔细地分析。分析时最关键之处为寻找峰组中的等间距。每一种间距相应于一个耦合关系。一般情况下，某一峰组内的间距会在另一峰组中反映出来。通过此途径可找出邻碳氢原子的数目。,(5)根据对各峰组化学位移和耦合常数的分析，推出若干结构单元，最后组合为几种可能的结构式。每一可能的结构式不能和谱图有大的矛盾。(6)对推出的结构进行指认。每个官能团均应在谱图上找到相应的峰组，峰组的,值及耦合裂分（峰形和,J,值大小）都应该和结构式相符。如存在较大矛盾，则说明所设结构式是不合理的，应予以去除。通过指认校核所有可能的结构式，进而找出最合理的结构式。必须强调：指认是推结构的一个必不可少的环节。如果未知物的结构稍复杂，在推导其结构时就需应用碳谱。在一般情况下，解析碳谱和解析氢谱应结合进行。,6个质子处于完全相同的化学环境，单峰。,没有直接与吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。,四、谱图解析：1、谱图解析（1）,谱图解析（2）,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（相对与质子a）出现。,质子b也受其影响，峰也向低场位移。,谱图解析（3）,裂分与位移,谱图解析（4）,苯环上的质子在低场出现。为什么？,为什么1H比6H的化学位移大？,2、谱图解析与结构(1)确定,5,2,2,3,化合物 C,10,H,12,O,2,8 7 6 5 4 3 2 1 0,谱图解析与结构确定步骤：,正确结构：,=1+10+1/2(-12)=5,2.1单峰三个氢，CH,3,峰,结构中有氧原子，可能具有：,7.3芳环上氢，单峰烷基单取代,3.0,4.30,2.1,3.0和,4.30三重峰和三重峰,OCH,2,CH,2,相互偶合峰,C,H,2,C,H,2,O,C,O,C,H,3,a,b,c,谱图解析与结构(2)确定,9,5.30,3.38,1.37,C,7,H,16,O,3，,推断其结构,6,1,结构(2)确定过程：,C,7,H,16,O,3，,=1+7+1/2(-16)=0,a.,3.38和,1.37 四重峰和三重峰,CH,2,CH,3,相互偶合峰,b.,3.38含有OCH,2,结构,结构中有三个氧原子，可能具有(OCH,2,),3,c.,5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连,正确结构：,谱图解析与结构(3),化合物 C,10,H,12,O,2，,推断结构,7.3,5.21,1.2,2.3,5H,2H,2H,3H,结构(3)确定过程：,化合物 C,10,H,12,O,2，,=1+10+1/2(-12)=5,a.,2.32和,1.2CH,2,CH,3,相互偶合峰,b.,7.3芳环上氢，单峰烷基单取代,c.,5.21CH,2,上氢，低场与电负性基团相连,哪个正确?,正确：B,为什么?,谱图解析与结构(4),化合物 C,8,H,8,O,2，,推断其结构,9,8,7,6,5,4,3,10,结构(4)确定过程：,化合物 C,8,H,8,O,2，,=1+8+1/2(-8)=5,=7-8芳环上氢，四个峰对位取代,=,9.87,醛基上氢，,低,=,3.87 CH,3,上氢，低场移动，与电负性强的元素相连：,OCH,3,正确结构：,一、概述,PFT-NMR(1970年)，实用化技术；,13,C谱特点：,（1）研究C骨架，结构信息丰富；,（2）化学位移范围大；0250ppm；,(,19,F：300ppm；,31,P：700ppm；),（3）,13,C-,13,C偶合的几率很小；,13,C天然丰度1.1%；,（4）,13,C-H偶合可消除，谱图简化。,核磁矩：,1H,=2.79270;,13C,=0.70216,磁旋比为质子的1/4；,相对灵敏度为质子的1/5600；,H,0,E,I,=,I,=,H splitting,C splitting,第五节 碳-13核磁共振,二、化学位移 Chemical shift,1、化学位移范围：0250ppm；核对周围化学环境敏感，重叠少。氢谱与碳谱有较多共同点；,碳谱化学位移规律：,(1)高场,低场,碳谱：饱和烃碳原子、炔烃碳原子、烯烃碳原子、羧基碳原子,氢谱：饱和烃氢、炔氢、烯氢、醛基氢；,(2)与电负性基团，化学位移向低场移动；,2、化学位移规律,：,取代烷烃:,H,3,C,C,H,2,C,H,2,C,H,2,C,H,3,3,4,.,7,2,2,.,8,1,3,.,9,碳数,n,4 端甲基,C,=13-14,C,CH,CH2,CH3,邻碳上取代基增多,C,越大,（1）烷烃,（2）烯烃,C,=100-150（成对出现）,端,碳,=,CH2,110；邻碳上取代基增多,C,越大：,（3）炔烃,C,=65-90,化学位移表2 chemical shift table,三、偶合与弛豫,13,C-,13,C偶合的几率很小（,13,C天然丰度1.1%）；,13,C-,1,H偶合；偶合常数,1,J,CH,：100-250 Hz；峰裂分；谱图复杂；,1、去偶方法：,(1)质子噪声去偶或宽带去偶(,proton noise decoupling or boradband decoupling)：,采用宽频带照射，使氢质子饱和；,去偶使峰合并，强度增加,(2)质子偏共振去偶：识别碳原子类型；,弛豫：,13,C的弛豫比,1,H慢，可达数分钟；采用PFT-NMR可测定，提供空间位阻、各向异性、分子大小、形状等信息；,碳谱与氢谱的对比谱图去偶作用对比,2、碳谱谱图,碳谱与氢谱的对比,谱图去偶作用对比,例1：,13,C NMR谱,C,9,H,1,0,O,2,.,1,3,.,6,7,.,2,S,S,d,d,d,t,q,2,0,6,1,4,0,1,2,0,5,3,3,0,1,H,1,3,C,例2：,13,C NMR谱,20,30,40,50,60,q,d,q,s,t,化合物C,12,H,26,，根据,13,C NMR谱图推断其结构。,四、分析碳谱的步骤,1、鉴别谱图中的真实谱峰（1）溶剂峰氘代试剂中的碳原子均有相应的峰，这和氢谱中的溶剂峰不同（氢谱中的溶剂峰仅因氘代不完全引起）。幸而由于弛豫时间的因素，氘代试剂的量虽大，但其峰强并不太高。常用的氘代氯仿呈三重峰，中心谱线位置在77.0ppm。,（2）,杂质峰可参考氢谱中杂质峰的判别。,（3）,作图时参数的选择会对谱图产生影响。当参数选择不当时，有可能遣漏掉季碳原子的谱峰。2、由分子式计算不饱和度3、分子对称性的分析若谱线数目等于分子式中碳原子数目，说明分子无对称性；若谱线数目小于分子式中碳原子的数目，这说明分子有一定的对称性，相同化学环境的碳原子在同一位置出峰。,4、碳原子,值的分区碳谱大致可分为三个区：（1）羰基或叠烯区,150ppm，一般,165ppm。,200ppm只能属于醛、酮类化合物，靠近160170ppm的信号则属于连杂原子的羰基。,（2）,不饱和碳原子区（炔碳除外）,90160ppm。由前两类碳原子可计算相应的不饱和度，此不饱和度与分子不饱和度之差表示分子中成环的数目。,（3）,脂肪链碳原子区,100ppm。饱和碳原子若不直接连氧、氮、氟等杂原子，一般其,值小于55ppm。炔碳原子,70100ppm，其谱线在此区，这是不饱和碳原子的特例。,5、碳原子级数的确定由偏共振去耦或脉冲序列如DEPT确定。由此可计算化合物中与碳原子相连的氢原子数。若此数目小于分子式中氢原子数，二者之差值为化合物中活泼氢的原子数。,一般来说，在化合物中碳原子数较多时，通常需要做DEPT谱。,6、结合上述几项推出结构单元，并进一步组合成若干可能的结构式。7、进行对碳谱的指认，通过指认选出最合理的结构式，此即正确的结构式。,五、核磁共振波谱的应用,1、有机化合物的结构鉴定,2、有机分子的构象研究,3、定量分析：内标和外标,4、分子之间的相互作用研究:如了解抗癌药物作用机制,5、分子内相互作用研究：单链核酸分子两端的互补,6、生物大分子的构象研究,7、现场核磁共振波谱实验,8、生物活体实验,