1、Nuclear Magnetic Resonance, NMR 核磁共振谱核磁共振谱2 英国科学家彼得英国科学家彼得曼斯菲曼斯菲尔德和美国科学家保罗尔德和美国科学家保罗劳特劳特布尔因在核磁共振成像技术布尔因在核磁共振成像技术领域的突破性成就而一同分领域的突破性成就而一同分享享2003年诺贝尔生理学或医年诺贝尔生理学或医学奖。学奖。 迄今，已经有六位科学迄今，已经有六位科学家因在核磁共振研究领域的家因在核磁共振研究领域的突出贡献而分别获得诺贝尔突出贡献而分别获得诺贝尔物理学、化学、生理学或医物理学、化学、生理学或医学奖。学奖。 3 所谓所谓核磁共振核磁共振，是指具有磁矩的原，是指具有磁矩的原子核
2、在恒定磁场中由电磁波引起的共子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。核磁共振的发现，跟核振跃迁现象。核磁共振的发现，跟核磁矩的研究紧密相关。磁矩的研究紧密相关。4核磁共振波谱法的特点及应用核磁共振波谱法的特点及应用 核磁共振波谱法是结构分子最强有力的工具。核磁共振波谱法是结构分子最强有力的工具。 核磁共振氢谱可以确定质子种类、个数、连接核磁共振氢谱可以确定质子种类、个数、连接方式等，直观性强，谱图解释较为容易。方式等，直观性强，谱图解释较为容易。 多种核磁共振波谱，扩大了应用范围。多种核磁共振波谱，扩大了应用范围。 定性、定量测定，研究反应机理。定性、定量测定，研究反应机理。 超导核磁和傅
3、立叶变换核磁。超导核磁和傅立叶变换核磁。 样品无损失破坏。样品无损失破坏。56核磁共振仪核磁共振仪7一、核磁共振波谱仪一、核磁共振波谱仪1永久磁铁：提供外磁永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀。场，要求稳定性好，均匀。扫场线圈。扫场线圈。2 射频振荡器：线圈垂射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。率的电磁辐射信号。3 射频信号接受器（检射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级在感应线圈中产生毫伏级信号。信号。4 4
4、样品管：样品管：外径外径5mm的玻璃的玻璃管管,测量过程中旋转测量过程中旋转, 磁场作用磁场作用均匀。均匀。超导核磁共振仪一般在超导核磁共振仪一般在200400MHz最高达最高达600MHz。891. 选择适当的选择适当的D-solvent，约，约0.6 mL，约，约4 cm。2. 选择选择528 (编号编号)的的NMR tube编号。编号。3. 样品浓度约为样品浓度约为1mM。4. 标准：标准：TMS, DSS外观上：外观上：1. 样品高度约样品高度约4公分。公分。2. 不可有固体沉淀析出。不可有固体沉淀析出。NMRNMR样品的制备样品的制备1011SiCH3CH3H3CCH3 为什么选用为
5、什么选用TMS(四甲基硅烷四甲基硅烷)作为作为标准物质标准物质?(1)(1)屏蔽效应强，共振信号在高场区屏蔽效应强，共振信号在高场区(值规定为值规定为 0)0)，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。(2)(2)结构对称，是一个单峰。结构对称，是一个单峰。 (3)(3)容易回收容易回收(b.p(b.p低低) )，与样品不反应、不缔合。，与样品不反应、不缔合。 12核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理一、原子核的自旋一、原子核的自旋二、核磁共振现象二、核磁共振现象三、核磁共振条件三、核磁共振条件13 原子核具有质量并带原子核具有质量并带正电荷，正电荷，大多数核有自旋现
6、大多数核有自旋现象象，在自旋时产生，在自旋时产生磁矩磁矩 ，核磁矩核磁矩 和核自旋和核自旋角动量角动量P P都都是矢量，方向相互平行，且是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比磁矩随角动量的增加成正比地增加地增加 = PH H0 0旋旋进进轨轨道道自自旋旋轴轴自自旋旋的的质质子子n 磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。是磁性核的一个特征常数素是定值。是磁性核的一个特征常数一、原子核的自旋一、原子核的自旋14一些磁核的性质一些磁核的性质15实践证明实践证明, ,核自旋与核的质量数核自旋与核的质量数, ,质子数和中子数有关质子数和中子数
7、有关质量数为质量数为偶数偶数原子序数为原子序数为偶数偶数自旋量子数为自旋量子数为0无自旋无自旋12C6,32S16,16O8质量数为质量数为偶数偶数原子序数为原子序数为奇数奇数自旋量子数为自旋量子数为1,2,3有自旋有自旋14N7质量数为质量数为奇数奇数原子序数为原子序数为奇或偶数奇或偶数自旋量子数为自旋量子数为1/2,3/2,5/2有自旋有自旋1H1, 13C6 19F9,31P15I=0时时,P=0,原子核没有自旋现象原子核没有自旋现象,I0,原子核才有自旋角动量和自旋现象原子核才有自旋角动量和自旋现象16一些磁核的性质一些磁核的性质17二、核磁共振现象二、核磁共振现象(一一)核自旋能级核
8、自旋能级 把自旋核放在把自旋核放在场强为场强为B B0 0的磁场中的磁场中,由于由于磁矩磁矩 与与磁场相互作用磁场相互作用, ,核磁矩相对外加磁场有核磁矩相对外加磁场有不同的取向不同的取向,共有共有2I+1个个,各取向可用磁量子各取向可用磁量子数数m表示表示 m=I, I-1, I-2, -I 每种取向各对应一定能量状态每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核只有两种取向的氢核只有两种取向 I=1的核在的核在B0中有三种取向中有三种取向18 在没有外在没有外磁场时，自旋磁场时，自旋核的取向是任核的取向是任意的。意的。 有外加磁场时有外加磁场时, ,取向只有两种取向只有两种: : 和外加磁和
9、外加磁场方向相同、相反；场方向相同、相反；磁矩取向和外场方向磁矩取向和外场方向相反相反的氢核处于的氢核处于高高能态能态磁矩取向和外场方向磁矩取向和外场方向平行平行的氢核处于的氢核处于低低能态能态氢核的氢核的I=1/2I=1/2 19I=1/2的核自旋能级裂分与的核自旋能级裂分与B0的关系的关系1H核在磁场核在磁场 中中,由低能级由低能级E1向高能级向高能级E2跃迁跃迁,所需所需能量为能量为 E=2 B0；E与核磁矩及外磁与核磁矩及外磁场强度成正比场强度成正比, B0越大越大,能级分裂越大能级分裂越大, E越大越大20 自旋磁旋与外磁场方向相同的自旋磁旋与外磁场方向相同的吸收能吸收能量后可以跃迁
10、到较高能级，磁旋变为与外磁量后可以跃迁到较高能级，磁旋变为与外磁场方向相反。场方向相反。 电磁辐射可以有效的提供能量。电磁辐射可以有效的提供能量。 当辐射能恰好等于跃迁所需要能量时，当辐射能恰好等于跃迁所需要能量时，即即E辐辐=hv=E，就会发生这种自旋取向的，就会发生这种自旋取向的变化，即变化，即核磁共振现象核磁共振现象。21核磁共振波谱主要参数核磁共振波谱主要参数 化学位移化学位移 自旋偶合常数自旋偶合常数 信号强度信号强度( (峰面积峰面积) )22化学位移化学位移 核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移 影响化学位移的因素影响化学位移的因素23化学位移化学位移 电子屏蔽效应电子屏蔽效应
11、核外电子云受核外电子云受B0的诱导产生一个方向与的诱导产生一个方向与B0相反，大小与相反，大小与B0成正比的诱导磁场。成正比的诱导磁场。 它使原子核实际受到的外磁场强度减小。也它使原子核实际受到的外磁场强度减小。也就是说核外电子对原子核有屏蔽就是说核外电子对原子核有屏蔽（shielding）作用。）作用。 如果用屏蔽常数如果用屏蔽常数 表示屏蔽作用的大小，那表示屏蔽作用的大小，那么处于外磁场中的原子核受到的不再是外磁么处于外磁场中的原子核受到的不再是外磁场场B0作用而是作用而是B0（1-）。）。24 屏蔽作用的大小与核外电子云密度有关，核屏蔽作用的大小与核外电子云密度有关，核外电子云密度越大，
12、核受到的屏蔽作用越大，外电子云密度越大，核受到的屏蔽作用越大，而实际受到的外磁场强度降低越多，共振频而实际受到的外磁场强度降低越多，共振频率降低的幅度也越大。如果要维持核以原有率降低的幅度也越大。如果要维持核以原有的频率共振，则外磁场强度必须增强得越多。的频率共振，则外磁场强度必须增强得越多。25化学位移化学位移 电子云密度和核所处的化学环境有关，这种电子云密度和核所处的化学环境有关，这种因核所处化学环境改变而引起的共振条件因核所处化学环境改变而引起的共振条件（核的共振频率或外磁场强度）变化的现象（核的共振频率或外磁场强度）变化的现象称为化学位移（称为化学位移（ chemical shift）
13、。）。 由于化学位移的大小与核所处的化学环境有由于化学位移的大小与核所处的化学环境有密切关系，因此就有可能根据化学位移的大密切关系，因此就有可能根据化学位移的大小来了解核所处的小来了解核所处的化学环境化学环境，即了解有机化，即了解有机化合物的分子结构。合物的分子结构。26化学位移的表示方法化学位移的表示方法 处于不同化学环境的原子核，由于屏蔽作用处于不同化学环境的原子核，由于屏蔽作用不同而产生的共振条件差异很小，难以精确不同而产生的共振条件差异很小，难以精确测定其绝对值。例如在测定其绝对值。例如在100 MHz仪器中（即仪器中（即1H 的共振频率为的共振频率为100 MHz），处于不同化），处
14、于不同化学环境的学环境的1H因屏蔽作用引起的共振频率差因屏蔽作用引起的共振频率差别在别在0-1500Hz范围内，仅为其共振频率的范围内，仅为其共振频率的百万分之十几。百万分之十几。27 采用位移常数采用位移常数 来表示化学位移来表示化学位移 =（样样-标标）/ 标标*106 用用值表示化学位移，同一个物质在不同值表示化学位移，同一个物质在不同规格型号的仪器上所测得的数值是相同的。规格型号的仪器上所测得的数值是相同的。 在化学位移测定时，常用的标准物是四甲在化学位移测定时，常用的标准物是四甲基硅烷（基硅烷（CH3)4Si，简称，简称TMS。 规定标准物规定标准物TMS 的化学位移值的化学位移值=
15、0280123456789101112131415化学位移HCCHCOHCOOHH3CO3.7H3CN3.0H3CC2.1OH3CC1.8CH3CC0.9(ppm)常见结构单元的化学位移常见结构单元的化学位移29 烷基氢：烷基氢：02（R3CH） 烯丙基氢：烯丙基氢：23（X=CR-CHR2） 炔氢：炔氢：1.53（RCCH） 与杂原子相邻：与杂原子相邻：24.5（XCHR2 ） 烯氢：烯氢：4.57（R2C=CHR） 芳氢：芳氢：6.58（ArH） 醛氢：醛氢：10 （RCHO） 羧酸：羧酸：12 （RCOOH）不同类型质子化学位移的基本范围不同类型质子化学位移的基本范围30 醇：醇：0.5
16、5.5（ROH） 酚：酚：48 （ArOH） 脂肪族胺：脂肪族胺：0.43.5 （R2NH ） 芳香族胺：芳香族胺：2.94.8 （ArNH ） 酰胺：酰胺：59.5 （RCONHR ）活泼氢活泼氢31影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素 诱导效应诱导效应 共轭效应共轭效应 各向异性各向异性 空间效应空间效应 氢键效应和溶剂效应氢键效应和溶剂效应电子云电子云密度？密度？32 电负性电负性 -CH3 , =1.62.0，高场；高场；-CH2I, =3.0 3.5,-O-H， -C-H， 大大 小小低场低场 高场高场影响化学位
17、移的因素影响化学位移的因素33 价电子产生诱导价电子产生诱导磁场，质子位于其磁场，质子位于其磁力线上，与外磁磁力线上，与外磁场方向一致，去屏场方向一致，去屏蔽。蔽。影响化学位移的因素影响化学位移的因素34 价电子产生诱导价电子产生诱导磁场，质子位于其磁磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。向一致，去屏蔽。影响化学位移的因素影响化学位移的因素35苯环上的苯环上的6个个 电子产生较电子产生较强的诱导磁场，质子位于强的诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。向一致，去屏蔽。影响化学位移的因素影响化学位移的因素36 自旋偶合和自旋裂
18、分自旋偶合和自旋裂分 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分 峰裂分数与峰面积峰裂分数与峰面积37 每类氢核不总每类氢核不总表现为单峰，有时表现为单峰，有时多重峰。多重峰。 原因：相邻两个氢原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自核之间的自旋偶合（自旋干扰）；旋干扰）；自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分38峰的裂分原因峰的裂分原因:自旋自旋-自旋偶合自旋偶合相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；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（多重峰的峰间距：偶合常数（J），用来衡量偶合），用来衡量偶合作用的大小。作用的大小。峰的裂分峰的裂分39 峰裂分数：峰裂分数：n+1 规律
19、；相邻碳原子上的质子数；规律；相邻碳原子上的质子数； 系数符合二项式的展开式系数系数符合二项式的展开式系数； 1. 峰裂分数峰裂分数 峰裂分数和峰面积峰裂分数和峰面积40吸收峰的裂分吸收峰的裂分例例2: 1,1,2-三氯乙烷的核磁三氯乙烷的核磁共振谱共振谱 自旋偶合通常只在自旋偶合通常只在两个两个相邻相邻碳上的质子之间碳上的质子之间发生；一般说来发生；一般说来,当质子当质子相邻碳上有相邻碳上有n个个同类质子同类质子时时,吸收峰裂分为吸收峰裂分为n+1个个 HCl-CH2-C-Cl Cl1,1,2-三氯乙烷三氯乙烷41例例:若有样品两个若有样品两个(A,B),只知只知利用核磁共振谱区分利用核磁共
20、振谱区分:一个是：一个是： 3-戊酮戊酮, 一个是：一个是： 3-甲基甲基-2-丁酮丁酮A样品样品核磁共振谱核磁共振谱42七重峰七重峰B样品核磁共振谱样品核磁共振谱43峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。峰面积由谱图上的积分线给出间的相对比例。峰面积由谱图上的积分线给出。化合物化合物 C10H12O25223峰面积峰面积44谱图解析与化谱图解析与化合物结构确定合物结构确定451. 获取试样的各种信息和基本数据获取试样的各种信息和基本数据尽量多地了解待鉴定样品的来源尽量多地了解待鉴定样品的来源,物理、化学性质物理、化学性质.化学分
21、析化学分析结果结果.最好确定其化学式最好确定其化学式(一般可用质谱法一般可用质谱法)2. 根据分子式计算不饱和度根据分子式计算不饱和度.3. 根据积分曲线计算各峰所代表的氢核数和最大可能的范围根据积分曲线计算各峰所代表的氢核数和最大可能的范围.4. 根据化学位移鉴别质子的类型根据化学位移鉴别质子的类型. 列出一些基团的列出一些基团的 5、根据裂分峰数目可推断相邻的质子数目和可能存在的基、根据裂分峰数目可推断相邻的质子数目和可能存在的基团团.以及各基团之间的连接顺序以及各基团之间的连接顺序6. 合理组合合理组合,了解最可能的结构式了解最可能的结构式7. 结合结合UV、IR、MS检查结构式检查结构
22、式.并与标准谱图对照进行验证并与标准谱图对照进行验证和核磁相关的几点说明和核磁相关的几点说明 1）杂质）杂质 杂质的来源：溶剂：含杂质或重结晶的溶剂。未分离的杂质的来源：溶剂：含杂质或重结晶的溶剂。未分离的化合物化合物。2）单键带有双键性质时产生不等质子）单键带有双键性质时产生不等质子 3）互相变异构现象的存在。如乙酰丙酮中酮式与烯醇式）互相变异构现象的存在。如乙酰丙酮中酮式与烯醇式的互变异构信号的同时存在。的互变异构信号的同时存在。 4）手性碳原子的存在导致不等价质子的存在。）手性碳原子的存在导致不等价质子的存在。 5）受阻旋转：单键不能自由旋转时，会产生不等价质子。）受阻旋转：单键不能自由
23、旋转时，会产生不等价质子。 6）加重水在测定共振谱时，由于各种活泼氢交换速度不）加重水在测定共振谱时，由于各种活泼氢交换速度不同产生的异常现象。同产生的异常现象。 7）各向异性效应的影响。）各向异性效应的影响。 8）溶剂峰的影响。）溶剂峰的影响。47二、谱图解析实例二、谱图解析实例1. 区别一些化合物区别一些化合物 很多化合物用其它方法不好区分很多化合物用其它方法不好区分 例例 丙酮丙酮CH3COCH3 和丁酮和丁酮CH3CH2COCH3 CH3COCH3 ：6个个H在同一化学环境中，一组单峰在同一化学环境中，一组单峰CH3CH2COCH3: 8个个H在三种不同环境中在三种不同环境中, 三组峰
24、三组峰三三 四重峰四重峰 单峰单峰（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种多少种；（2）峰的强度）峰的强度(面积面积)：每类质子的数目：每类质子的数目(相对相对)，多少个多少个；（3）峰的位移）峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，每类质子所处的化学环境，化合物中位置；化合物中位置；（4）峰的裂分数：）峰的裂分数：相邻碳相邻碳原子上质子数；原子上质子数；（5）偶合常数）偶合常数(J)：确定化合物：确定化合物构型构型。不足之处：不足之处：仅能确定质子（氢谱）。仅能确定质子（氢谱）。谱图中化合物的结构信息谱图中化合物的结构信息499 5.30
25、 3.38 1.37C7H16O3，推断其结构推断其结构612. 谱图解析与结构确定谱图解析与结构确定50C7H16O3， u=1+7+1/2(-16)=0a. 3.38和和 1.37 四重峰和三重峰四重峰和三重峰 CH2CH3相互偶合峰相互偶合峰 b. 3.38含有含有OCH2结构结构结构中有三个氧原子，可能具有结构中有三个氧原子，可能具有(OCH2)3c. 5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连上氢吸收峰，低场与电负性基团相连HCOOOCH2CH3CH2CH3CH2CH3正确结构：正确结构：51化合物化合物 C8H8O2，推断其结构推断其结构98765431052化合物化合物 C8H8
26、O2，u=1+8+1/2(-8)=57-8芳环上氢，四个峰对位取代芳环上氢，四个峰对位取代 9.87醛基上醛基上上氢，低场上氢，低场正确结构：正确结构：COHH3COCOH 3.87 CH3峰，峰，向低场位移向低场位移,与电负性基团相连与电负性基团相连53实例分析实例分析 p-ClC6H4COCH354A. CH3COOCH2CH3 D. CH3CH2CH2NO2B. p-CH3CH2C6H4I E. CH3CH2IC. CH3COOCH(CH3)2 F. (CH3)2CHNO2实例分析实例分析 E55A. CH3COOCH2CH3 D. CH3CH2CH2NO2B. p-CH3CH2C6H4
27、I E. CH3CH2IC. CH3COOCH(CH3)2 F. (CH3)2CHNO2实例分析实例分析 D56A. CH3COOCH2CH3 D. CH3CH2CH2NO2B. p-CH3CH2C6H4I E. CH3CH2IC. CH3COOCH(CH3)2 F. (CH3)2CHNO2实例分析实例分析 A57C9H12OCHCH2CH3OH实例分析实例分析 587b: (S)-2-hydroxy(4-methylphenyl)methyl-5,5-dimethyl-1,3,2-dioxaphosphinane-2-onewhite solid; mp 170.3-172.1C; The
28、material was determined to be of 99% ee by chiral HPLC analysis Daicel Chiralpak AS-H, n-hexane/i-PrOH = 10/90, 0.5 mL/min；tr (major) = 16.24 min (S), tr (minor) = 41.21 min (R); D20 = -60.7o (c = 0.49, CHCl3); 1H NMR (600 MHz, CDCl3): 0.84 (s, 3H), 1.11 (s, 3H), 2.34 (s, 3H), 3.98-4.05 (m, 4H), 5.1
29、2 (d, J = 10.8 Hz, 1H), 7.18 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 7.38 (d, J = 6.6 Hz, 2H). The 1H NMR data were consistent with literature data3a. 5960常用化学软件与核磁共振波谱常用化学软件与核磁共振波谱61兰州大学兰州大学2001年有机化学考试试题年有机化学考试试题62复旦大学1992年有机化学考试试题2某烃D,质谱的分子离子峰M+=70。用硫酸水溶液处理得E，E用浓硫酸处理得D的异构体F。E的IR在3600cm-1有强吸收，HNMR0.9(三重峰，3H)，1.2(单峰，6
30、H)， 1.4(四重峰，2H)，3.0(单峰，!H)。 3某一麻醉药样品G,分子式为C13H20N2O2，其IR在1700cm-1有强吸收，HNMR1.05 (三重峰，6H)，2.6(四重峰，4H)，2.75(三重峰，2H)，4.2(单峰，2H)，4.35(三重峰，2H)，6.5-7.8(多重峰，4H)。将样品用碱水解，得到两个化合物，其中之一为对氨基苯甲酸。 4某固体化合物H（C14H12NOCl）和6NHCl回流得到I(C7H5O2Cl)和J(C7H10NCl)，I在PCl3存在下回流后再与NH3反应得到K(C7H6NOCl),后者用NaOBr处理，再加热得到L (C6H6NCl)，L在5
31、与NaNO2/H2SO4反应后加热，得到M(C6H5ClO),与FeCl3有显色反应，其HNMR在7有两组对称的二重峰。化合物J与NaNO2/H2SO4反应得到黄色油状物N，J与苯磺酰氯反应产生不溶于碱的化合物O。63 1.OOOOOOA.oror(C5H8O2)B.HOOHOorOHOHOor(C5H10O3)C.OHOHOOorHOOHOO(C5H8O4)2. D.CH2=CCH3CH2CH3CH3CCH3CH2CH3OHE.F. CH3CH=CCH3CH33.NH2COOCH2CH2N(CH2CH3)2G.4.H.ClC NO CH3I.ClCOOHJNCH3HClK.ClCONH2L.ClNH2M.ClNH2N.NCH3N=OO.NCH3O2S
