1、核磁共振波谱医学知识MRS技术技术:MR Sounding,磁共振探测，勘测地下水磁共振探测，勘测地下水分布情况、地质灾害预防分布情况、地质灾害预防 优点：优点：信息齐全、准确、可靠信息齐全、准确、可靠不破坏样品，可回收不破坏样品，可回收可以测定混合样品可以测定混合样品缺点：缺点：样品量较大样品量较大(1mg for HNMR,10mg for CNMR;0.01mg for MS)不常用于定量分析不常用于定量分析(HPLC for quantity analysis)仪器昂贵：仪器仪器昂贵：仪器200万，正常维护万，正常维护2万万/年，氘代溶剂（年，氘代溶剂（15-150元元/样品）样品）概
2、述核磁共振波谱医学知识2原子核的自旋原子核的自旋 核自旋与电子自旋的区别核自旋与电子自旋的区别 与核外电子的四个量子数与核外电子的四个量子数(n,l,m,ms)的概念区的概念区别别原子核有自旋现象，自旋量子数原子核有自旋现象，自旋量子数I,见教材见教材p126 表表4-1 核的自旋与核磁共振核的自旋与核磁共振 概述核磁共振波谱医学知识3(1)I=0 的原子核的原子核 16 O；12 C；32 S等等，无自旋，没有磁，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收矩，不产生共振吸收(2)I1/2 的原子核的原子核 I=1 ：2H，6Li，14N I=3/2：7Li，9Be，11B，23Na，35Cl，79Br
3、，81Br I=5/2：17O，127I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；匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)1/2 的原子核的原子核 1H，13C，19F，31P,77Se,113Cd,119Sn,195Pt,199Hg等等 概述核磁共振波谱医学知识4原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样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自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象;C、H是有机化合物的主要组成元素是有机化合物的主要组成元素。I0
4、的核自旋产生磁矩的核自旋产生磁矩,=P,为磁旋比，是为磁旋比，是原子核的重要属性，核不同，原子核的重要属性，核不同，不同，不同，P为原子核为原子核总角动量，对于给定的原子核，总角动量，对于给定的原子核，、P和和 是定值是定值 虽然虽然I0的核都有的核都有NMR信号，但目前的信号，但目前的通用通用NMR仪器仪器一般一般只测定只测定I=1/2的原子核！主要测定的原子核！主要测定1H、13C、19F、31P概述核磁共振波谱医学知识5概述核磁共振波谱医学知识6核磁共振核磁共振用磁量子数用磁量子数m描绘核的自旋状态描绘核的自旋状态 磁量子数磁量子数m 取决于自旋量子数取决于自旋量子数I:m=I-1,I-
5、2,-I I=1/2,则则m=1/2,-1/2,核有两种自旋取向核有两种自旋取向在静磁场中，具有磁矩的原子核存在不同能级，能在静磁场中，具有磁矩的原子核存在不同能级，能级间能量差为级间能量差为 E，如果用特定频率（，如果用特定频率（）的电磁波）的电磁波来照射静磁场的原子核，只要电磁波的能量等于来照射静磁场的原子核，只要电磁波的能量等于 E，原子核就会从其低能级的核磁能级跃迁至高，原子核就会从其低能级的核磁能级跃迁至高能级：能级：0022BBhhE概述核磁共振波谱医学知识7 为磁旋比，是原子核的重要属性，核不同，为磁旋比，是原子核的重要属性，核不同，不同不同B0为外加静磁场，为外加静磁场，为在为
6、在B0 磁场中磁旋比为磁场中磁旋比为 的核发的核发生核磁共振的频率。生核磁共振的频率。教材教材p127末段末段(1)(1H)=4 (13C)=(1H)=(13C),如果在如果在100MHz核磁仪上测核磁仪上测13C谱，其频率只有谱，其频率只有25MHz，300MHz75MHz(2)B0越大，越大，越大，不同化学环境中核的共振频率越大，不同化学环境中核的共振频率差异越大，信号越容易分辨差异越大，信号越容易分辨(分辨率越高分辨率越高)BEB0 E=h 概述核磁共振波谱医学知识8饱和与驰豫饱和与驰豫饱和：粒子从低能级跃迁到高能级和从高能级返回低饱和：粒子从低能级跃迁到高能级和从高能级返回低能级的速度
7、相同，没有净能量吸收，就没有吸收信号能级的速度相同，没有净能量吸收，就没有吸收信号弛豫：粒子从高能级以非辐射方式返回低能级的现象，弛豫：粒子从高能级以非辐射方式返回低能级的现象，以半衰期以半衰期(T)表示，表示，T越小，驰豫效率越高越小，驰豫效率越高T太大，弛豫效率低，信号弱；太大，弛豫效率低，信号弱；T太小，谱线展宽，太小，谱线展宽，谱图分辨率降低谱图分辨率降低(质量差质量差)自旋晶格弛豫（纵向弛豫，自旋晶格弛豫（纵向弛豫，T1）：核与环境）：核与环境(溶液溶液 T1 合适合适)自旋自旋-自旋弛豫（横向弛豫，自旋弛豫（横向弛豫，T2）：核与核）：核与核(固体固体T2 太小，峰展宽太小，峰展宽
8、)铁磁性和其他顺磁性物质可降低铁磁性和其他顺磁性物质可降低T1，样品中不应，样品中不应含有含有(降低降低T1，展宽，展宽)概述核磁共振波谱医学知识9核磁共振仪简介基本要件基本要件磁场（磁铁）、射频发生器、信号检测器、信号处磁场（磁铁）、射频发生器、信号检测器、信号处理器、控制系统（计算机工作站），分析软件理器、控制系统（计算机工作站），分析软件连续波核磁仪连续波核磁仪(Continuous-Wave NMR)永久磁铁或电磁铁（不超过永久磁铁或电磁铁（不超过100MHz），水冷），水冷,信号采集费时，信信号采集费时，信号分辨率低且可能漂移（基本淘汰），不适合测定号分辨率低且可能漂移（基本淘汰），
9、不适合测定13C谱谱脉冲傅立叶变换核磁仪脉冲傅立叶变换核磁仪(Pulse&Fourier Transform NMR Spectrum)超导磁铁超导磁铁=液氦液氦+液氮冷却，快速、分辨率高，能测定多种液氮冷却，快速、分辨率高，能测定多种NMR 谱谱概述核磁共振波谱医学知识10FT-NMR:不是通过扫场或扫频产生共振；不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。谱图。概述核磁共振波谱医学知识11概述核磁共振波谱医学知识1202B化学
10、位移的产生化学位移的产生 核相同，磁旋比相同，固定射频，则共振频率应核相同，磁旋比相同，固定射频，则共振频率应相同相同.在同一分子中，处于在同一分子中，处于不同化学环境不同化学环境的同种元素的的同种元素的核核(如如1H)1H)，核外电子对核的，核外电子对核的屏蔽屏蔽()()不同，核对外不同，核对外磁磁场场感感应到的应到的强度强度不同，于是核的不同，于是核的共振频率共振频率不同，用不同，用化化学位移学位移()()表示核的表示核的共振频率共振频率的的相对值相对值.核磁共振波谱医学知识13)1(20B与外磁场无关，只与化学环境(分子结构)有关核磁共振波谱医学知识14)(10)(101)1()1(10
11、666ppmsamstdstdstdsamstdstdsam 与核相连的原子与核相连的原子(或基团或基团)吸电子作用越强吸电子作用越强，屏蔽作用越小，屏蔽作用越小(越小越小)，去屏蔽作用越大去屏蔽作用越大，则，则越大越大，反之亦然，反之亦然.核磁共振波谱医学知识15 内标物内标物(internal standard)与溶剂与溶剂(solvent)理想内标：理想内标：化学惰性、磁各向同性、溶解度好、挥发性好、化学惰性、磁各向同性、溶解度好、挥发性好、信号尽量单一且在高场信号尽量单一且在高场 TMS 和和DSS 核磁共振波谱医学知识16H3CSiCH3CH3CH30.000.000.000.00-
12、1012PPMTMSCH3SiH3CCH3H2CH2CH2CSO3Na0.000.000.000.621.93.41-10123PPMDSS核磁共振波谱医学知识17溶剂溶剂(solvent without proton or deuterated solvent)CDCl3,D2O,CD3SOCD3(DMSO-d6),CD3COCD3(acetone-d6),CD3OD(methanol-d4),C5D5N(pyridine-d5),(CD3)2NCDO(DMF-d7)Deuterated solvent could be as internal standard because of its
13、 trace contents of un-deuterated molecules inside.CCl4,CS2+internal standard(TMS,normally)Refer to Table 4-2 in page 135 of textbook or J.Org.Chem.1997,62,7512-7515核磁共振波谱医学知识18影响化学位移的因素影响化学位移的因素分子结构因素分子结构因素(instinct property)&环境因素环境因素(external impact)(.)(10)(6samstdsamstdeippm10 ppm(ppm)0 ppm增强增强 吸电
14、子作用吸电子作用 减弱减弱降低降低 核外电子云密度核外电子云密度 升高升高减小减小 屏蔽作用屏蔽作用 增加增加增加增加 去屏蔽作用去屏蔽作用 减小减小低场方向低场方向高场方向高场方向影响影响 的因素源自：的因素源自：（1）该原子（质子）受分子中其他原子的影响，该原子（质子）受分子中其他原子的影响，（2）该原子受体系中其他分子的影响）该原子受体系中其他分子的影响核磁共振波谱医学知识191、诱导效应、诱导效应(+I=,-I=,e.g.P136 table 4-3)CH3FCH3OCH3CH3ClCH3I CH3CH3Si(CH3)4CH3Li4.263.243.052.160.880-1.95影响
15、化学位移的因素影响化学位移的因素核磁共振波谱医学知识20HHHHHHOHOHHHOO4.854.557.256.385.826.205.255.25OHH7.716.10p-conjugation-conjugation2、共轭效应（共轭效应（E-push=,E-withdraw=）3、各向异性效应各向异性效应(“+”屏蔽，屏蔽，“-”,去屏蔽，去屏蔽，)有非球形对称电子云的基团，有些区域是屏蔽区，有非球形对称电子云的基团，有些区域是屏蔽区，有些区域是去屏蔽区有些区域是去屏蔽区1）单键：键轴为去屏蔽区）单键：键轴为去屏蔽区影响化学位移的因素影响化学位移的因素核磁共振波谱医学知识21 CH-R1
16、.5 ppmR2NCH 23ppmH2NCHRSCHRCOCHPhCHROCH 34 ppmArOCHHOCHBr,I,ClCHFCH 45 ppmCOOCHNO2CH核磁共振波谱医学知识29不饱和烃基质子不饱和烃基质子活泼氢活泼氢 受温度、溶液浓度受温度、溶液浓度和溶剂的影响很大，和溶剂的影响很大，值不固定，值不固定，用用D2O交换可能消失交换可能消失炔氢炔氢 2.5ppm(1.83.3)烯氢烯氢 5.5 ppm(4.5-7.5)芳氢芳氢 7.5 ppm(6.09.5)醛氢醛氢 9.5 ppm(9.010.5)醇醇(R-OH)15 ppm酚酚(Ar-OH)48 ppm酸酸(-COOH)101
17、5 ppm脂肪胺脂肪胺(RNH-)0.53.5 ppm芳香胺芳香胺(ArNH-)35 ppm酰胺酰胺(-CONH-)69 ppm各类质子的化学位移核磁共振波谱医学知识3001234567891011PPMC OH1015OHO9.510.57.58.5NH78HC NH58.5O48ArOH56.5C C H45O2N CHOOCHF CHX CHO CH34.5C OH1535ArNHC NH13.523CHON CHArCHC C H1.82.5C CH0.81.5Si CHC H00.5各类质子的化学位移核磁共振波谱医学知识31说明：各类质子的化学位移可用相应的经验公式计算，但得到的数值
18、各类质子的化学位移可用相应的经验公式计算，但得到的数值可能与实测值有出入可能与实测值有出入根据化学知识可预测各质子化学位移的大致范围根据化学知识可预测各质子化学位移的大致范围分子中各质子的化学位移虽然受温度、浓度、溶剂等因素的影分子中各质子的化学位移虽然受温度、浓度、溶剂等因素的影响，但多数物质的化学位移仍保持相对的恒定性响，但多数物质的化学位移仍保持相对的恒定性各类质子的化学位移核磁共振波谱医学知识32自旋偶合自旋偶合(spin-spin coupling)(spin-spin coupling)分子中相互影响的核之间产生自旋偶合分子中相互影响的核之间产生自旋偶合 自旋偶合的实质是电磁作用，
19、随距离而迅速衰减，除自旋偶合的实质是电磁作用，随距离而迅速衰减，除共轭体系和空间靠近的核以外，偶合一般只考虑相隔共轭体系和空间靠近的核以外，偶合一般只考虑相隔2个键和个键和3个键的情况个键的情况自旋偶合在谱图上表现为信号峰的裂分，可揭示多种结自旋偶合在谱图上表现为信号峰的裂分，可揭示多种结构信息构信息AXAXH X Y ZHHHH自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识33H3COOH2CCH301234PPM化学位移化学位移仅考虑了磁核的电子环境，即核外电子云对核仅考虑了磁核的电子环境，即核外电子云对核产生的屏蔽作用，但产生的屏蔽作用，但忽略了同一分子中磁核间的相互作忽略了同一分子中磁核间的相互
20、作用用。这种磁核间的相互作用很小，。这种磁核间的相互作用很小，对化学位移没有影响，对化学位移没有影响，而对谱峰的形状有重要影响。而对谱峰的形状有重要影响。自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识34自旋偶合自旋偶合CCHaHbB0+Bb =B0+BbB0-BbHb因自旋产生磁场有两种因自旋产生磁场有两种取向：取向：和和，表示为，表示为于是于是Ha所受外磁场强度为：所受外磁场强度为：Bb因此，因此，Ha和和 Hb各自的各自的NMR信号都裂分为信号都裂分为2条：条：Ha和和 Hb各自有各自有2个共振频个共振频率率:同理，同理，Hb所受外磁场强度所受外磁场强度为为：B0+Ba =B0+BaB0-Ba 0
21、 b a (ppm)核磁共振波谱医学知识35磁场HX1HX2HX1HX2HX1HX2自旋取向hhhiii局部磁场-rHh0i+rH几率121振动频率1-2=3-12=J，峰高比为1：2：1。一般来说，非环式结构的情况下H的偶合所引起的峰的裂分数为2nI+1,n为H周围的H原子数,I为自旋量子数。如CH3CH2COCH3的氢谱。见下图核磁共振波谱医学知识36核磁共振波谱医学知识37自旋偶合自旋偶合 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分 裂分峰数目符合裂分峰数目符合“n+1规律规律”，强度比符合，强度比符合“(a+b)n”相关偶合峰的相关偶合峰的“人字倾斜人字倾斜”注意其他注意其他I=1/2核的偶
22、合裂分（主要是核的偶合裂分（主要是19F 和和 31P）n小峰数小峰数峰面积比峰面积比011121:1231:2:1341:3:3:1核磁共振波谱医学知识38自旋偶合自旋偶合 核之间的相互偶合产生裂分,但是只有磁不等价的核间偶合才会产生峰的分裂,磁等价的核之间偶合,图谱不产生分裂.核的等价性:化学等价性和磁等价性化学等价性和磁等价性 分子对称性分子对称性 对称轴对称轴 对称面对称面 对称中心对称中心 更迭对称轴更迭对称轴核磁共振波谱医学知识39 如果分子中有两个相同的原子或基团如果分子中有两个相同的原子或基团处于相同的化学环处于相同的化学环境境时，则它们是化学等价的。时，则它们是化学等价的。化
23、学等价化学等价的核具有的核具有相同相同的的化学位移化学位移值值通过通过对称性操作对称性操作可以来可以来判断判断原子或基团的原子或基团的化学等价性化学等价性。如果两个基团可通过二重旋转轴互换，则它们在任何溶剂中都是如果两个基团可通过二重旋转轴互换，则它们在任何溶剂中都是化学等价的。化学等价的。有有(C(C2 2)对称轴，等位质子对称轴，等位质子如果两个相同基团是通过对称面互换的，则它们在非手性溶剂中如果两个相同基团是通过对称面互换的，则它们在非手性溶剂中是化学等价的，而在手性溶剂中不是化学等价的。是化学等价的，而在手性溶剂中不是化学等价的。无对称轴，有无对称轴，有其他对称因素其他对称因素(对称面
24、对称面)，对映异位质子，对映异位质子如果两个相同基团不能通过对称操作互换，则它们化学不等价。如果两个相同基团不能通过对称操作互换，则它们化学不等价。无对称因素，非对映异位质子，化学不等价无对称因素，非对映异位质子，化学不等价自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识40 等位质子例子：HbHaHcClClHd180oHaHbHdClClHcrotationHHHClClHHHHClClHHa和和Hb化学等价、化学等价、Hc和和Hd化学等价，如果它们化学等价，如果它们是基团，结论相同是基团，结论相同自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识41对映异位质子对映异位质子CHHFFCHHFF180oCHHClF
25、CHHClFCHHFClCHHFCl 等位质子自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识42因单键的自由旋转，甲基上的三个氢或饱和因单键的自由旋转，甲基上的三个氢或饱和碳原子上三个相同基团碳原子上三个相同基团都是都是化学等价化学等价的。的。H cH aH bH bH cH a120oHHHRRR自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识43化学不等价化学不等价（1）亚甲基（亚甲基（CHCH2 2）或）或同碳上的两个相同基团同碳上的两个相同基团：a)a)固定环上固定环上CHCH2 2两个氢化学不等价；两个氢化学不等价；b)b)与与手性碳直接相连的手性碳直接相连的CHCH2 2上两个氢化学不等价；上两个氢化学
26、不等价；（2）单键不能快速旋转时单键不能快速旋转时，同碳，同碳(原子原子)上的两个相同上的两个相同基团基团可能化学不等价可能化学不等价.NOHH3CH3ChighertemperatureNOHH3CH3CfreerotationDMFHaHeR3R1R2RHbHaR3R1HaHbR2R*R3R1HHR2R*Ha HeHa Hb自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识44 磁等价（磁全同）：磁等价（磁全同）：决定峰形复杂程度决定峰形复杂程度磁等价的核之间必定是化学等价的（磁等价的核之间必定是化学等价的（化学位化学位移相同移相同）。）。磁等价的每个核对其他核的磁等价的每个核对其他核的偶合常数相同偶合
27、常数相同 快速运动机制：分子内部快速运动使磁快速运动机制：分子内部快速运动使磁不等价不等价核核变变得得等价等价 通过对核的等价性分析可以预测分子通过对核的等价性分析可以预测分子NMRNMR谱图的大谱图的大致形状，也是对现有谱图各信号致形状，也是对现有谱图各信号(峰峰)进行指认归属的进行指认归属的根本理论依据。化学等价是前提，磁等价是目的，通根本理论依据。化学等价是前提，磁等价是目的，通过化学等价初步判定磁等价与否。过化学等价初步判定磁等价与否。自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识45常见磁不等价性情形常见磁不等价性情形：（1 1）双键同碳质子磁不等价，且化学不等价双键同碳质子磁不等价，且化学不
28、等价：（2）有双键性质的单键上的质子有双键性质的单键上的质子J H-H1 J H-H2,且且 H1 H2在较低温度时在较低温度时 H1 H2CCXHH1H2NOH2H1自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识46（3）单键不能自由旋转和环构象固定时单键不能自由旋转和环构象固定时，单键不能自由旋转的单键不能自由旋转的CHCH2 2:构象固定的环上构象固定的环上CHCH2 2:在较低温度时在较低温度时 Ha HbCH3HCH3BrHbHaCH3H3CHBrHbHaH3CHHaHbH3CBrHaHeHa He自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识47Ha HbR3R1R2RHbHaR3R1HaHbR2R*
29、R3R1HHR2R*Ha HbOHHaHbH3CCH3R3R1HaHbR2R*OCH2H3CO（4）不对称碳上的不对称碳上的-CH2-和和-OCH2-:不对称碳上的不对称碳上的-CH2-:不对称碳上的不对称碳上的-OCH2-:自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识48OHHaHbH3CCH3OCH2H3C自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识49*SOCH2R*SOOR*SOOORCH2CH2SOOOCH2CH3CH2CH3（5）硫原子引起的非对映异位质子硫原子引起的非对映异位质子:自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识50RHbRHaRHaRRHbHaHbHaHaRRHbHbHaHa 与与Ha 化
30、学等价但磁不等价，化学等价但磁不等价，Hb与与 Hb化学等价但磁不等价化学等价但磁不等价Ha 与与Ha 化学等价化学等价且磁等价且磁等价（6）取代苯环上的对称质子可能磁不等价取代苯环上的对称质子可能磁不等价:自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识51自旋体系的分类与表示自旋体系的分类与表示 相互作用的许多核构成一个自旋体系。自旋体相互作用的许多核构成一个自旋体系。自旋体系是孤立的。系是孤立的。每种核用一个大写字母表示每种核用一个大写字母表示 磁等价核用数字下标表示磁等价核用数字下标表示 (e.g.A3)化学等价、但磁不等价核用相同字母加撇表示化学等价、但磁不等价核用相同字母加撇表示 e.g.AA
31、 化学不等价、但化学位移接近的用连续字母表化学不等价、但化学位移接近的用连续字母表示示 e.g.AB、ABC、ABCD 化学位移相差较大的用不连续字母表示化学位移相差较大的用不连续字母表示 e.g.AM、AMX自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识52012PPMOHHHCH3ABCX3AX3BCCH3CH2OHA3M2X13CH2F2A2M2XHHClClHHAABBRHHR1R3R2AMAB自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识53 偶合常数与分子结构的关系偶合常数偶合常数J(Hz)，与仪器和，与仪器和测试条件无关，分子自身决测试条件无关，分子自身决定，是矢量定，是矢量(有正负有正负)，实际实
32、际应用只使用绝对值。应用只使用绝对值。HXYZHHHH1J4J3J2J2J,(4J,6J,)负负J:1J,3J,(5J,)正正除除13C-H、31P-H的的1J和部分远程偶合和部分远程偶合(4J,5J)外，通常外，通常只讨论只讨论2J和和3J。自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识541、同碳偶合(2J)CHH 2J2J同碳偶合之同碳偶合之Karplus 关系：关系：接近接近125o，2J接近接近0Hz。125oNNHOHHOHNSN0CHH 109.5o sp3120osp22J(Hz)-15 -10HHHH-9 -3HH-2 +2HHHH-12.6-14 -10.9sp3:315Hz,sp2
33、:03Hz(1)键角键角(杂化类型杂化类型)自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识55(2)取代基电负性影响取代基电负性影响(诱导效应诱导效应)(3)邻位邻位键影响键影响(共轭效应共轭效应)(4)环系和末端双键的环系和末端双键的2J影响影响H2CY2J2JH3CXX+I化合物化合物 CH3H CH3Cl CH3F CH2F22J(Hz)-12.4 -10.8 -9.2 -7.52J2JH2CXNo.of -bondY自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识563J H-C-C-H=自由旋转自由旋转 68Hz构象固定构象固定 018Hz3J H-C=C-H=顺式氢顺式氢 614Hz反式氢反式氢 111
34、8Hz3J=Acos2+B=90o,3J最小最小(0)方程近似：方程近似：3J180o 3J0o,3J180o最大，最大，3J0o次之次之烯键氢烯键氢3J反式反式 3J顺式顺式 CCHH3J03060 90 120 150 180(1)双面角对双面角对3J的影响的影响、邻碳偶合(3J)自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识57HaHeHeHaR自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识583JYCHX or Ys electronegativityCH2YH2CH2CYCHCHX+I(3)双键和环系对双键和环系对3J的影响的影响 规律性不强，查阅参考文献规律性不强，查阅参考文献()在在CH2=CHX型
35、烯中，型烯中，3J反式大于顺式反式大于顺式(2)取代基对取代基对3J的影响的影响(电负性，诱导效应电负性，诱导效应)自旋偶合自旋偶合核磁共振波谱医学知识593、芳环质子的偶合六员环六员环(苯环苯环)：3J=69.4Hz(典型情况：典型情况：8Hz),4J=0.83.1Hz(2),5J=0.31.5Hz(0.3)(常忽略常忽略)五员环：五员环：3J五员环五员环=35Hz，3J五员环五员环 6核磁共振波谱医学知识64典型的一级谱系统AX系统01234567PPMOOOHH1H2JH1=JH2=0.024 400=9.6(Hz)H1=6.51ppm H2=7.05ppm =7.05-6.51=0.5
36、4(ppm)400=216(Hz)/J=216/9.6=22.56A=()/2X=()/2JA=()JX=()JA Jx N为为NMR仪器的仪器的MHz数数一级谱核磁共振波谱医学知识652、AX2系统t峰峰+d峰峰 A=X=()/2JA=()()/2JX=()JA Jx 60MHz,in CDCl3求求a,b,Ja-b5.8625.762CHaCH2bClClCl5.662ppm3.9104.010645级谱一级谱核磁共振波谱医学知识663、AMX系统 三组dd峰AMX5.3065.2895.2755.2573.9813.8603.8493.8173.1823.1633.1383.1200.0
37、170.0180.0420.0430.0180.0190.0310.0320.0440.0430.0310.032A=(A2A3)/2M=(M2M3)/2X=(X2X3)/2JA1=(AA)+(AA)/2JA2=(AA)+(AA)/2JM1,JM2,JX1,JX2计算方法类似计算方法类似一级谱核磁共振波谱医学知识674、A2X2系统两组两组t峰峰01234567PPMH2CCH2OO一级谱核磁共振波谱医学知识685、AX3系统q峰峰+d峰峰0246810PPMCHCO2HH3CH2N一级谱核磁共振波谱医学知识696、A2X3系统q峰峰+t峰峰,(-CH2CH3,J邻邻=68Hz)OO2.014
38、.121.3001234PPM一级谱核磁共振波谱医学知识707、其他自旋系统(1)AX6系统(e.g.,iso-propyl)01234PPMOCHCH3OCH3C HC H3C H3390382881889873897865905857一级谱核磁共振波谱医学知识71(2)直链烷基CH3H2CCH2NO2307314300593600607621628130813151322614一级谱核磁共振波谱医学知识728、苯环系统、苯环系统 利用利用NMR谱的峰形、积分面积和偶合常数进行综合分析是判断苯环谱的峰形、积分面积和偶合常数进行综合分析是判断苯环取代情况的有力工具。取代情况的有力工具。(1)单
39、取代苯环单取代苯环 可能为一组带毛刺的单峰，也可能是三组峰：积分比可能为一组带毛刺的单峰，也可能是三组峰：积分比2:1:2,峰形不峰形不太好，基本为太好，基本为d,t,t 或或t,t,d01234567PPMbcaNH2abc一级谱核磁共振波谱医学知识73二取代苯环二取代苯环对位二取代：对位二取代：基本规则的两组基本规则的两组d峰峰，积分比，积分比1:1,放大后可见峰有适当变形放大后可见峰有适当变形0246810PPMabClCO2Hab一级谱核磁共振波谱医学知识74间位取代：一组偶合很小间位取代：一组偶合很小(3Hz),一组假一组假t峰峰0246810PPMcaabcRRd一级谱核磁共振波谱
40、医学知识75邻位二取代：峰形最复杂的二取代，可能相互重叠，一般从峰形最好的开始着手。邻位二取代：峰形最复杂的二取代，可能相互重叠，一般从峰形最好的开始着手。0246810PPMabcCO2HdOHbdca一级谱核磁共振波谱医学知识769、活泼氢与非活泼氢的偶合：常温下、活泼氢与非活泼氢的偶合：常温下-SH和和-NH与其他与其他质子的偶合有时可以观察到，质子的偶合有时可以观察到，-COOH,-OH,-CONH因因交换速度快，一般常温只观察到单一峰。交换速度快，一般常温只观察到单一峰。19F和和31P与与1H的偶合的偶合(了解了解)1、19F与与1H:非常明显，可达非常明显，可达4J、5J(1)直
41、链直链:2J=4590Hz,3J=045Hz,4J=09Hz(2)苯环：苯环：3J=610Hz,4J=48Hz，5J=03Hz，常使，常使峰形变得复杂。峰形变得复杂。2、31P与与1H:1JP-H=180200Hz(非常独特非常独特)，2J、3J波波动较大，约动较大，约115Hz一级谱核磁共振波谱医学知识77ABH3CPCH3HAMBA300MHz一级谱核磁共振波谱医学知识78高级谱高级谱 相互偶合的核之间化学位移很相互偶合的核之间化学位移很靠近靠近(/J nJw1J实验技术核磁共振波谱医学知识88CCCHaHcBrHbHbHcHbHa照射照射 Ha照射照射 Hb实验技术核磁共振波谱医学知识8
42、9核核Overhauser效应效应(nuclear Overhauser effect,NOE)用小于用小于W1/2的频率照射一组核，与之空间靠近的核的的频率照射一组核，与之空间靠近的核的NMR信号的峰面积信号的峰面积会增加会增加(对确定分子的空间构型很重要对确定分子的空间构型很重要)W1/2Jw1J(挠痒法挠痒法)W1/2J实验技术核磁共振波谱医学知识90H3CH3CHCOOH1.97(d,3H)1.68(d,3H)5.66(sept,1H)abcNOE实例：实例：用用B2(频率为频率为2)照照射射=1.97 的的CH3时，时，2 位的烯氢信位的烯氢信号从七重峰号从七重峰(=5.66)减少到
43、四重减少到四重峰，信号强度没有峰，信号强度没有明显变化；用明显变化；用B2(频率为频率为2)照射照射=1.42 的的CH3时，时，2位的烯氢信号也位的烯氢信号也从七重峰减少到四从七重峰减少到四重峰，同时信号强重峰，同时信号强度增强了度增强了17实验技术核磁共振波谱医学知识911H NMR图谱解析谱图中化合物的结构信息谱图中化合物的结构信息:(1)峰的数目峰的数目：标志分子中磁不等性质子的：标志分子中磁不等性质子的种类，种类，多少种多少种；(2)峰峰的强度的强度(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
44、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：相邻碳原子上质子数相邻碳原子上质子数；(5)偶合常数偶合常数(J)：确定化合物构型。确定化合物构型。核磁共振波谱医学知识921、已知结构的归属：、已知结构的归属：(0)谱图谱图“预处理预处理”:格式转换、积分、定标格式转换、积分、定标(1)识别溶剂峰识别溶剂峰(氘代溶剂、样品含溶剂、水氘代溶剂、样品含溶剂、水)和和杂质峰杂质峰(2)根据各类质子的大致位移进行归属：根据各类质子的大致位移进行归属：单峰信号（未偶合的质子）单峰信号（未偶合的质子）偶合甲基、亚甲基信号偶合甲基、亚甲基信号芳环信号（芳环信号（6.58.0ppm)芳杂环（
45、芳杂环（6.509.5ppm)特低场信号特低场信号(10.0ppm)HCO，COOH等能形成氢键的等能形成氢键的质子质子(3)验证验证核磁共振波谱医学知识93 溶剂峰被扣除，无杂质峰，除内标外只有一组溶剂峰被扣除，无杂质峰，除内标外只有一组峰峰(一组质子，一组质子，2.1ppm)6个质子处于完全相同的化学环境，单峰。个质子处于完全相同的化学环境，单峰。酮羰基酮羰基-H，23ppm核磁共振波谱医学知识94溶剂峰被扣除，无杂质峰，除内标外有两组峰，积分比溶剂峰被扣除，无杂质峰，除内标外有两组峰，积分比1：3(与已知结构吻合与已知结构吻合)自由旋转甲基的自由旋转甲基的3个质子等性，邻位活泼氢可能不裂
46、分，个质子等性，邻位活泼氢可能不裂分，单峰合理。单峰合理。醇的醇的-H:34.5 ppm;醇醇OH:15 ppm核磁共振波谱医学知识95 除内标外有两组峰，积分比除内标外有两组峰，积分比2：3(与已知结与已知结构吻合构吻合)一组一组t峰，一组峰，一组q峰，积分比和峰，积分比和 都与乙基相吻都与乙基相吻合。合。与卤素相连的与卤素相连的-H:34ppm;与烷基相连的与烷基相连的甲基甲基:11.5 ppm核磁共振波谱医学知识96 除内标外有三组峰，积分比除内标外有三组峰，积分比5：1：6 甲基邻位甲基邻位1H，应为，应为d峰，次甲基邻位峰，次甲基邻位6H，应为，应为m(sept)峰，苯环单取代，可能
47、为峰，苯环单取代，可能为s峰，也可能峰，也可能为裂分不好的为裂分不好的m 峰。峰。芳芳H:78ppm;苄苄H:23ppm;与烷基相连与烷基相连的甲基的甲基:11.5 ppm核磁共振波谱医学知识972、未知结构的解析：、未知结构的解析：总的了解总的了解 积分平缓积分平缓 确定溶剂峰、杂质峰确定溶剂峰、杂质峰各类氢质子数目各类氢质子数目 由积分曲线、分子式计算推出。由积分曲线、分子式计算推出。已知化学分子式，应计算其不饱和度，了解可能存在的环及已知化学分子式，应计算其不饱和度，了解可能存在的环及双键数目。双键数目。解析解析(先解析一级谱，再分析二级谱先解析一级谱，再分析二级谱)推出结构式推出结构式
48、 参考参考IR、UV、MS及元素分析结果，或辅以其它化学方法，及元素分析结果，或辅以其它化学方法，推定结构。推定结构。验证验证 计算、分析计算、分析 查找模型化合物查找模型化合物 运用有关数据，进行全面复核，或参考标准图谱进行比较，运用有关数据，进行全面复核，或参考标准图谱进行比较，最后得出正确结论。最后得出正确结论。核磁共振波谱医学知识98 例1化合物化合物 C10H12O25223876543210核磁共振波谱医学知识99谱图解析与结构确定步骤正确结构：正确结构：=1+10+1/2(-12)=5 2.1单峰三个氢，单峰三个氢，CH3峰峰 结构中有氧原子，可能具有：结构中有氧原子，可能具有：
49、COCH3 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代芳环上氢，单峰烷基单取代CH2CH2OCOCH3abc3.0 4.302.1 3.0和和 4.30三重峰和三重峰三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰相互偶合峰 核磁共振波谱医学知识100 例29 5.30 3.38 1.37C7H16O3，推断其结构推断其结构61核磁共振波谱医学知识101结构(2)确定过程C7H16O3，=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)3
50、c.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：核磁共振波谱医学知识102 例3 化合物化合物 C10H12O2，推断结构推断结构7.3 5.211.22.35H2H2H3H核磁共振波谱医学知识103结构(3)确定过程 化合物化合物 C10H12O2，=1+10+1/2(-12)=5a.2.32和和 1.2CH2CH3相互偶合峰相互偶合峰b.7.3芳环上氢，单峰烷基单取代芳环上氢，单峰烷基单取代c.5.21CH2上氢，低场与电负性基团相连上氢，低场与电负性基团相连COCH2O CH2CH3CH2OC
