1、1第第6章章 核磁共振波譜法核磁共振波譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ) 6.1 NMR簡介簡介6.2 NMR基本原理基本原理 一一. 原子核能級的分裂及其描述原子核能級的分裂及其描述 二二. 能級分布與弛豫過程能級分布與弛豫過程 三三. 化學位移與自旋化學位移與自旋-自旋分裂自旋分裂6.3 NMR儀器及組成儀器及組成 一一. 儀器分類儀器分類 二二. 儀器組成儀器組成2實驗二實驗二 高效液相色譜的認識高效液相色譜的認識1. 色譜柱的分離原理色譜柱的分離原理2. 紫外檢測器在紫外檢測器在HPLC的應用原理的應用原理3. LOD,

2、LOQ，及其實際應用，及其實際應用4. HPLC 的構成的構成36.1 NMR簡介簡介1. 一般認識一般認識v NMR是研究處于磁場中的是研究處于磁場中的原子核原子核對射頻輻射對射頻輻射(Radio-frequency Radiation) 的吸收，是磁能級之間發生的共振躍遷現象。它是對各種有機和無機物的吸收，是磁能級之間發生的共振躍遷現象。它是對各種有機和無機物的成分、結構進行定性分析的最強的工具之一，有時亦可進行定量分析的成分、結構進行定性分析的最強的工具之一，有時亦可進行定量分析研究。研究。v 在強磁場中，原子核發生能級分裂（能級極小：在在強磁場中，原子核發生能級分裂（能級極小：在1.4

3、1 T 磁場中，磁磁場中，磁能級差約為能級差約為25 10-3J），當吸收外來電磁輻射，當吸收外來電磁輻射（109-1010 nm, 4-900MHz）時，將發生核能級的躍遷時，將發生核能級的躍遷-產生所謂產生所謂NMR現象。現象。射頻輻射射頻輻射原子核（強磁場下能級分裂）原子核（強磁場下能級分裂）吸收吸收能級躍遷能級躍遷NMR 測定有機化合物的結構，測定有機化合物的結構，1HNMR氫原子的位置、環境以及官能團和氫原子的位置、環境以及官能團和 C骨架上的骨架上的H原子相對數目）原子相對數目）v 與與UV-Vis和紅外光譜法類似，和紅外光譜法類似，NMR也屬于吸收光譜，只是研究的對也屬于吸收光譜

4、，只是研究的對 象是處于強磁場中的象是處于強磁場中的原子核原子核對射頻輻射的吸收。對射頻輻射的吸收。42. 發展歷史發展歷史1924年年：Pauli 預言預言了了NMR 的基本理論，即，有些核同時具有自旋和磁的基本理論，即，有些核同時具有自旋和磁 量子數，這些核在磁場中會發生分裂；量子數，這些核在磁場中會發生分裂；1946年年：Harvard 大學的大學的Purcel和和Stanford大學的大學的Bloch各自首次各自首次發現并證發現并證 實實NMR現象，并于現象，并于1952年分享了年分享了Nobel獎；獎；1953年：年：Varian開始商用儀器開始商用儀器開發開發，并于同年制作了第一臺

5、高分辨，并于同年制作了第一臺高分辨NMR 儀；儀；1956年年：Knight發現元素所處的化學環境對發現元素所處的化學環境對NMR信號有影響，而這一影信號有影響，而這一影 響與物質分子結構有關。響與物質分子結構有關。 1970年：年：Fourier(pulsed)-NMR 開始市場化（早期多使用的是連續波開始市場化（早期多使用的是連續波 NMR 儀器）。儀器）。56.2 NMR基本原理基本原理一一. 核磁共振現象的產生核磁共振現象的產生原子核的質量和所帶電荷原子核的質量和所帶電荷原子核原子核質子質子帶正電荷帶正電荷中子中子不帶電荷不帶電荷帶正電荷帶正電荷原子核質量數原子核質量數ZAX元素化學符

6、號元素化學符號質子數質子數質量數質量數A= N+Z中子數中子數62. 原子核的自旋和自旋角動量原子核的自旋和自旋角動量帶電原子核自旋帶電原子核自旋 自旋磁場自旋磁場 磁矩磁矩 (沿自旋軸方向沿自旋軸方向) 磁矩磁矩 的大小與磁場方向的的大小與磁場方向的角動量角動量 P 有關：有關： （ 為磁旋比）為磁旋比） 每種核有其固定每種核有其固定 值（如，值（如，H 核為核為2.68108T-1s-1)。其中，。其中， 其中其中, h為為Planck常數常數 (6.624 10-27erg.sec)；m為磁量子數為磁量子數，其大小，其大小由由自旋量子數自旋量子數 I 決定，決定，I 的值又與核的質量數和

7、所帶電荷數有關（即質的值又與核的質量數和所帶電荷數有關（即質子和中子數），子和中子數），m 共有共有2I+1個取值個取值，即角動量，即角動量 P 有有 2I+1 個狀態！個狀態！ 或者或者說有說有 2I+1 個核磁矩。個核磁矩。P I)-2,.-I1,-II,m(2hm，2hmP 其其中中因因此此 7 - 磁矩磁矩 P - 角動量角動量 - 磁旋比磁旋比m - 磁量子數磁量子數I - 自旋量子數自旋量子數h - Planck常數常數 (6.624 10-27erg.sec)89必須注意：在無外加磁場時，核能級是兼并的，各狀態的能量相同。必須注意：在無外加磁場時，核能級是兼并的，各狀態的能量相同

8、。 對氫核來說，對氫核來說，I=1/2，其，其m值只能有值只能有2 1/2+1=2個取向：個取向：+1/2和和-1/2。也即表示也即表示 H 核在磁場中，自旋軸只有兩種取向：核在磁場中，自旋軸只有兩種取向： 與外加磁場方向相同，與外加磁場方向相同，m=+1/2，磁能級較低，磁能級較低; 與外加磁場方向相反，與外加磁場方向相反，m=-1/2，磁能級較高。，磁能級較高。 B0 為外磁場強度為外磁場強度10兩個能級的能量分別為兩個能級的能量分別為( (對于對于H H核）：核）：兩式相減：兩式相減：又因為，又因為，所以，所以，即，即， B B0 0 的單位為特斯拉的單位為特斯拉(T,Kgs(T,Kgs

9、-2-2A A-1-1) ), ,1T=101T=104 4 GaussGauss 當外來輻射的頻率滿足上式時就會引起能級躍遷并產生吸收。檢測當外來輻射的頻率滿足上式時就會引起能級躍遷并產生吸收。檢測電磁波（射頻）被吸收的情況就可得到核磁共振波譜（電磁波（射頻）被吸收的情況就可得到核磁共振波譜（NMRNMR），常用的是），常用的是氫和碳譜。氫和碳譜。00002/142BhBhmPBBE00002/142BhBhmPBBE00B2hB2E 0hE 00hB2h 00B2 0 為為進動頻率進動頻率11例例1：許多現代：許多現代1HNMR儀器所使用的磁場強度為儀器所使用的磁場強度為4.69T。請問在

10、此磁場中，。請問在此磁場中，氫核可吸收多大頻率的輻射？氫核可吸收多大頻率的輻射？MHz200s1000. 22)T69. 4)(sT1068. 2(2B1811800 123. 原子核之經典力學模型原子核之經典力學模型 當帶正電荷的、且具有自旋量子數的核會產生磁場，該自旋磁場與當帶正電荷的、且具有自旋量子數的核會產生磁場，該自旋磁場與外加磁場相互作用，將會產生回旋，稱為進動外加磁場相互作用，將會產生回旋，稱為進動 (Procession)。進動頻率進動頻率與與自旋核角速度自旋核角速度及及外加磁場外加磁場的關系可用的關系可用 Larmor 方程表示：方程表示： 此式與量子力學模型導出的式子完全相

11、同。此式與量子力學模型導出的式子完全相同。 0 稱為進動頻率稱為進動頻率。在磁。在磁場中的進動核有兩個相反方向的取向，可通過吸收或發射能量而發生翻場中的進動核有兩個相反方向的取向，可通過吸收或發射能量而發生翻轉。轉。 可見，無論從何種模型看，可見，無論從何種模型看，核在磁場中都將發生分裂，可以吸收一核在磁場中都將發生分裂，可以吸收一定頻率的輻射而發生能級躍遷。定頻率的輻射而發生能級躍遷。 00000B2B2 或或核進動的圓頻率核進動的圓頻率134. 幾點說明幾點說明a) 并非所有的核都有自旋，或者說，并非所有的核會在外加磁場中發生能級分裂！并非所有的核都有自旋，或者說，并非所有的核會在外加磁場

12、中發生能級分裂！ 當核的質子數當核的質子數 Z 和中子數和中子數 N 均為偶數時，均為偶數時，I=0 或或 P=0，該原子核將沒有自旋現，該原子核將沒有自旋現 象發生。如象發生。如12C，16O，32S等核沒有自旋。等核沒有自旋。b) 當當 Z 和和 N 均為奇數時，均為奇數時，I=整數，整數，P 0，該類核有自旋，但，該類核有自旋，但NMR 復雜，通常不用于復雜，通常不用于 NMR分析。如分析。如2H，14N等等c) 當當 Z 和和 N 互為奇偶時，互為奇偶時，I=半整數，半整數，P 0，可以用于，可以用于 NMR 分析，如分析，如1H，13C。質子進動質子進動進動核的取向變化進動核的取向變

13、化14質量數質量數 A原子序數原子序數 Z自旋量子數自旋量子數 I核磁性核磁性原子核原子核偶數偶數偶數偶數 0 無無偶數偶數奇數奇數 整數整數 有有奇數奇數奇或偶數奇或偶數 半整數半整數 有有612C816O12H714N11H613C自旋量子數與質量數、原子序數自旋量子數與質量數、原子序數核磁共振產生的條件：核磁共振產生的條件：當外來輻射的頻率滿足上式時就會引起能級躍遷并產生吸收。檢測電磁當外來輻射的頻率滿足上式時就會引起能級躍遷并產生吸收。檢測電磁波（射頻）被吸收的情況就可得到核磁共振波譜（波（射頻）被吸收的情況就可得到核磁共振波譜（NMR），常用的是），常用的是氫和碳譜。氫和碳譜。磁核在

14、外磁場中做拉摩進動，如果外界電磁波的頻率正好等于核進動頻磁核在外磁場中做拉摩進動，如果外界電磁波的頻率正好等于核進動頻率，核就能吸收這一頻率電磁波的能量，產生核磁共振現象。率，核就能吸收這一頻率電磁波的能量，產生核磁共振現象。00B2 15二二. 核磁共振譜線的特性核磁共振譜線的特性一）弛豫過程一）弛豫過程Relaxation process 弛豫：弛豫：處于高能態的核通過處于高能態的核通過非輻射途徑非輻射途徑釋放能量而及釋放能量而及時返回到低能態的過程稱為弛豫。由于弛豫現象的發生，時返回到低能態的過程稱為弛豫。由于弛豫現象的發生，使得處于低能態的核數目總是維持多數，從而保證共振信使得處于低能

15、態的核數目總是維持多數，從而保證共振信號不會中止。弛豫越易發生，消除號不會中止。弛豫越易發生，消除“磁飽和磁飽和”能力越強。能力越強。 16弛豫時間和信號的關系弛豫時間和信號的關系: 據據Heisenberg測不準原理，激發能量測不準原理，激發能量 E與體系處于與體系處于激發態的平均時間（壽命）成反比，與譜線變寬激發態的平均時間（壽命）成反比，與譜線變寬 成成正比，即：正比，即： 式中，式中，為譜線寬度，它與弛豫時間為譜線寬度，它與弛豫時間 t成反比。即，成反比。即， 弛豫由處于高能級核的壽命決定。弛豫由處于高能級核的壽命決定。 弛豫時間長，核磁共振信號窄；反之，譜線寬。弛豫時間長，核磁共振信

16、號窄；反之，譜線寬。 1，hEhE4hE 因因此此而而17非輻射途徑的非輻射途徑的弛豫可分為弛豫可分為縱向弛豫縱向弛豫和和橫向弛豫橫向弛豫：縱向弛豫縱向弛豫 1：又稱自旋又稱自旋-晶格弛豫。處于高能級的核將其能量及時轉移給周晶格弛豫。處于高能級的核將其能量及時轉移給周 圍分子骨架或晶格中的其它核，從而使自己返回到低能態的圍分子骨架或晶格中的其它核，從而使自己返回到低能態的 現象。是體系和環境的交換能量的過程。現象。是體系和環境的交換能量的過程。a) 固體樣品固體樣品-分子運動困難分子運動困難- 1最大最大-譜線變寬小譜線變寬小-弛豫最少發生；弛豫最少發生；b) 晶體或高粘度液體晶體或高粘度液體

17、-分子運動較易分子運動較易- 1下降下降-譜線仍變寬譜線仍變寬-部分弛豫部分弛豫;c) 氣體或受熱固體氣體或受熱固體-分子運動容易分子運動容易- 1較小較小-譜線變寬大譜線變寬大-弛豫明顯。弛豫明顯。綜述：綜述：樣品流動性降低樣品流動性降低(從氣態到固態從氣態到固態)， 1增加，縱向弛豫越難發生，譜增加，縱向弛豫越難發生，譜線窄。線窄。18橫向弛豫橫向弛豫 2：又稱自旋又稱自旋-自旋弛豫。當兩個相鄰的核處于不同能級，自旋弛豫。當兩個相鄰的核處于不同能級， 但進動頻率相同時，高能級核與低能級核通過自旋狀但進動頻率相同時，高能級核與低能級核通過自旋狀 態的交換而實現能量轉移所發生的弛豫現象。態的交

18、換而實現能量轉移所發生的弛豫現象。a) 固體樣品固體樣品結合緊密結合緊密自旋核間能量交換容易自旋核間能量交換容易 2最小最小譜線變譜線變寬最大寬最大(寬譜寬譜) 縱向弛豫容易。縱向弛豫容易。b) 受熱固體或液體受熱固體或液體結合不很緊密結合不很緊密自旋核間能量交換較易自旋核間能量交換較易 2上上升升譜線變寬較小譜線變寬較小縱向弛豫較易；縱向弛豫較易；c) 氣體氣體自旋核間能量交換不易自旋核間能量交換不易 2最大最大譜線變寬最小譜線變寬最小橫向弛橫向弛豫最難發生。豫最難發生。綜述：綜述：樣品流動性降低（從氣態到固態），樣品流動性降低（從氣態到固態）， 2下降，縱向弛豫越易下降，縱向弛豫越易發生發

19、生譜線寬。譜線寬。問題：橫向弛豫能改變兩種能級上的核數目的比例嗎？問題：橫向弛豫能改變兩種能級上的核數目的比例嗎？19兩種弛豫的關系：兩種弛豫的關系： 在相同狀態樣品中，兩種弛豫發生的作用剛好相反，只是在液態樣在相同狀態樣品中，兩種弛豫發生的作用剛好相反，只是在液態樣品中，二者的弛豫時間品中，二者的弛豫時間 1 和和 2 大致相當，在大致相當，在 0.5-50s 之間。兩種弛豫過之間。兩種弛豫過程中，程中，時間短者時間短者控制弛豫過程。控制弛豫過程。 對于固體樣品：對于固體樣品： 1大而大而 2小，此時弛豫由時間短的控制，因此譜線小，此時弛豫由時間短的控制，因此譜線很寬！因為液體和氣體樣品的很

20、寬！因為液體和氣體樣品的 1和和 2均為均為 1 s 左右，能給出尖銳的譜峰，左右，能給出尖銳的譜峰，因此，在因此，在NMR分析中，多須將樣品分析中，多須將樣品配制成液體配制成液體！思考：思考： 在在 NMR 測量時，要消除氧雜質，為什么？測量時，要消除氧雜質，為什么？ 因為因為O為順磁性物質，其波動磁場會使為順磁性物質，其波動磁場會使 1減小，使譜峰變寬。減小，使譜峰變寬。b) 在在 NMR 測量時，要求將樣品高速旋轉和采用場頻連鎖，為什么？測量時，要求將樣品高速旋轉和采用場頻連鎖，為什么？20二）化學位移二）化學位移 （Chemical Shift）1. 化學位移化學位移現象：現象：大多數

21、有機物都含有氫原子（大多數有機物都含有氫原子（1H 核），從前述公式核），從前述公式: 可見，在可見，在B0一定的磁場中，若分子中的所有一定的磁場中，若分子中的所有 1H 都是一樣的性質都是一樣的性質 H 都都相等相等共振頻率共振頻率 0一致一致這時只將出現一個吸收峰。這時只將出現一個吸收峰。 這對這對NMR來說，將毫無意義！來說，將毫無意義！ 事實上，質子的共振頻率不僅與事實上，質子的共振頻率不僅與B0有關，而且與核的磁矩或有關，而且與核的磁矩或 有關，有關，而而 或磁矩與質子在化合物中所處的或磁矩與質子在化合物中所處的化學環境化學環境有關。有關。 換句話說，換句話說，處于不同化合物中的質子

22、或同一化合物中不同位置的處于不同化合物中的質子或同一化合物中不同位置的質子，其共振吸收頻率會稍有不同，或者說產生了質子，其共振吸收頻率會稍有不同，或者說產生了化學位移化學位移！通過測量！通過測量或比較質子的化學位移或比較質子的化學位移獲得分子結構信息獲得分子結構信息這使這使 NMR 方法的存方法的存在有了意義。在有了意義。00B2 21定義：定義：在一定的輻射頻率下，處于不同化學環境的有機化合物在一定的輻射頻率下，處于不同化學環境的有機化合物中的質子，產生核磁共振的磁場強度或共振吸收頻率不同的現中的質子，產生核磁共振的磁場強度或共振吸收頻率不同的現象，稱為象，稱為化學位移化學位移（ Chemi

23、cal shift）。）。HCHOCCHHHHOH3CCH3CH2CH2CH3CH3600 HzB =0TMS60 MHz高頻（低場）高頻（低場） 低頻（高場）低頻（高場）222. 化學位移產生原因及其表示方法化學位移產生原因及其表示方法產生原因：產生原因：分子中的原子核處在核外電子氛圍中，電子在外加磁場分子中的原子核處在核外電子氛圍中，電子在外加磁場B0的的作用下的的作用下 產生次級磁場，該原子核受到了屏蔽：產生次級磁場，該原子核受到了屏蔽： B為核實際受到的磁場，為核實際受到的磁場， 由電子云密度決定的屏蔽常數由電子云密度決定的屏蔽常數，與化學結構密切相關。，與化學結構密切相關。表示方法：

24、表示方法：由于不同核化學位移相差不大，有時會發生共振吸收頻率漂移，因由于不同核化學位移相差不大，有時會發生共振吸收頻率漂移，因 此，實際工作中，化學位移不能直接精確測定，一般以相對值表示。此，實際工作中，化學位移不能直接精確測定，一般以相對值表示。具體做法：具體做法：于待測物中加一標準物質（如于待測物中加一標準物質（如TMS），分別測定待測物和標準物），分別測定待測物和標準物 的吸收頻率的吸收頻率 x 和和 s，以下式來表示化學位移，以下式來表示化學位移 ： 無量綱，對于給定的質子峰，其值與射頻輻射無關。無量綱，對于給定的質子峰，其值與射頻輻射無關。000)1 (BBBB)ppm(106ssx

25、 23 在在NMR中，通常以四甲基硅烷中，通常以四甲基硅烷（TMS）作標準物，作標準物，因為：因為：a) 由于四個甲基中由于四個甲基中12 個個H 核所處的化學環境完全相同，核所處的化學環境完全相同， 因此在核磁共振圖上只出現一個尖銳的吸收峰；因此在核磁共振圖上只出現一個尖銳的吸收峰；b) 屏蔽常數屏蔽常數 較大，因而其吸收峰遠離待研究的峰的高磁場較大，因而其吸收峰遠離待研究的峰的高磁場（低頻）區；（低頻）區；c) TMS化學惰性、溶于有機物、易被揮發除去（沸點化學惰性、溶于有機物、易被揮發除去（沸點27oC)； 此外，也可根據情況選擇其它標準物此外，也可根據情況選擇其它標準物:含水介質含水介

26、質：三甲基丙烷磺酸鈉。：三甲基丙烷磺酸鈉。高溫環境高溫環境：六甲基二硅醚。：六甲基二硅醚。極性大的有機物極性大的有機物：4,4-二甲基二甲基-4-硅戊烷硅戊烷-1-磺酸鈉（磺酸鈉（DDS）。只產生一個尖銳的）。只產生一個尖銳的 甲基峰（亞甲基峰幾乎不出現）甲基峰（亞甲基峰幾乎不出現）SiCH3CH3H3CCH3 =0高場高場/低頻低頻STMS 243. 影響化學位移的因素影響化學位移的因素 從前式從前式 可知，凡是影響屏蔽常數可知，凡是影響屏蔽常數 （電子云密（電子云密度）的因素均可影響化學位移，即影響度）的因素均可影響化學位移，即影響NMR吸收峰的位置吸收峰的位置 。1）誘導效應）誘導效應（

27、Induction）：分子與高電負性基團相連分子與高電負性基團相連-分子電子云密度分子電子云密度下降下降(去屏蔽去屏蔽)- 下降下降-產生共振所需磁場強度小產生共振所需磁場強度小-吸收峰向吸收峰向低場低場移動；移動； 2）共軛效應）共軛效應（Conjugated）：使電子云密度平均化，可使吸收峰向使電子云密度平均化，可使吸收峰向高場高場或低場移動或低場移動；000B)(1BBB CClHHHCCHHHOCH3CCHHHCH3COCCHHHH（氧孤對電子與（氧孤對電子與C2H4雙鍵形成雙鍵形成 p- 共軛，共軛，-CH2上質子電子云密度增加，移向高場）上質子電子云密度增加，移向高場）（羰基雙鍵與

28、（羰基雙鍵與 C2H4 形成形成 - 共軛，共軛，-CH2上質上質子電子云密度降低，移向低場）子電子云密度降低，移向低場）253）磁各向異性效應：）磁各向異性效應：置于外加磁場中的分子產生的感應磁場（次級磁置于外加磁場中的分子產生的感應磁場（次級磁場），使分子所在空間出現屏蔽區和去屏蔽區，導致不同區域內的質場），使分子所在空間出現屏蔽區和去屏蔽區，導致不同區域內的質子移向高場和低場。該效應通過空間感應磁場起作用，涉及范圍大，子移向高場和低場。該效應通過空間感應磁場起作用，涉及范圍大，所以又稱所以又稱遠程屏蔽。遠程屏蔽。4）氫鍵效應：）氫鍵效應：使電子云密度平均化，使使電子云密度平均化，使OH或

29、或SH中質子移向低場。如中質子移向低場。如 分子間形成氫鍵，其化學位移與溶劑特性及其濃度有關分子間形成氫鍵，其化學位移與溶劑特性及其濃度有關; 如分子內形成氫鍵則與溶劑濃度無關，只與分子本身結如分子內形成氫鍵則與溶劑濃度無關，只與分子本身結 構有關。構有關。溶劑選擇原則：稀溶液；不能與溶質有強烈相互作用。溶劑選擇原則：稀溶液；不能與溶質有強烈相互作用。 26三）自旋耦合與自旋分裂三）自旋耦合與自旋分裂（spin-spin coupling） 現象：現象：CH3CH2OH中有三個不同類型中有三個不同類型的質子，因此有三個不同位置的吸收峰。的質子，因此有三個不同位置的吸收峰。 然而，在高分辨然而，

30、在高分辨 NMR 中，中，CH2和和-CH3中的質子出現了更多的峰，這中的質子出現了更多的峰，這表明它們發生了分裂。如右圖表明它們發生了分裂。如右圖。27原因：原因： 質子自旋產生的局部磁場，可通過成鍵的價電子傳遞給相鄰碳原子質子自旋產生的局部磁場，可通過成鍵的價電子傳遞給相鄰碳原子上的氫。上的氫。 即氫核與氫核之間相互影響，使各氫核受到的磁場強度發生變化！即氫核與氫核之間相互影響，使各氫核受到的磁場強度發生變化！ 或者說，在外磁場中，由于質子有兩種自旋不同的取向或者說，在外磁場中，由于質子有兩種自旋不同的取向 因此，與外磁場方向相同的取向加強磁場的作用，反之，則減弱磁因此，與外磁場方向相同的

31、取向加強磁場的作用，反之，則減弱磁場的作用。即譜線發生了場的作用。即譜線發生了“分裂分裂”。這種相鄰的質子之間相互干擾的現。這種相鄰的質子之間相互干擾的現象稱之為象稱之為自旋自旋-自旋耦合自旋耦合。該種耦合使原有的譜線發生分裂的現象稱之。該種耦合使原有的譜線發生分裂的現象稱之為為自旋自旋-自旋分裂自旋分裂。 28 耦合能力大小以自旋耦合能力大小以自旋耦合常數耦合常數 nJ 表示（表示（n為兩為兩 H 氫間的鍵數）。氫間的鍵數）。 必須注意：偶合常數與化學位移都用必須注意：偶合常數與化學位移都用表示。但與化學位移不同的是，偶合表示。但與化學位移不同的是，偶合常數常數 nJ 或自旋分裂程度的大小與

32、場強無關。因此可以通過改變或自旋分裂程度的大小與場強無關。因此可以通過改變 B0，看，看是否是否變化來判斷是何種位移。變化來判斷是何種位移。 根據耦合常數的大小，可以判斷相互耦合的氫核的鍵的鏈接關系，并幫助根據耦合常數的大小，可以判斷相互耦合的氫核的鍵的鏈接關系，并幫助推斷化合物的結構和構象。推斷化合物的結構和構象。CCClClHb1HaClHb2B0HaB增加增加(低場低場)B減小減小(高場高場)B不變不變(不變不變)HbB增加增加(低場低場)B減小減小(高場高場)三重峰三重峰1:1:2雙重峰雙重峰1:129質子與質子之間的關系質子與質子之間的關系化學等價核：化學等價核：同一分子中化學位移相

33、同的質子。化學等價質子具有相同同一分子中化學位移相同的質子。化學等價質子具有相同 的化學環境。的化學環境。磁等價核：磁等價核：如果有一組如果有一組化學等價化學等價質子，當它與組外的任一磁核偶合時，質子，當它與組外的任一磁核偶合時， 其偶合常數相等，該組質子稱為磁等價質子。其偶合常數相等，該組質子稱為磁等價質子。#1 CH3CH2X中中CH3上的三個質子是化學等價的，也是磁等價的；上的三個質子是化學等價的，也是磁等價的；#2 二氟乙烯中二氟乙烯中Ha和和Hb是化學等價的，但因是化學等價的，但因JHF(順式順式) JHF(反式反式)，所以，所以Ha和和Hb不是不是 磁等價質子；磁等價質子；#3 對

34、對-硝基氟苯中，硝基氟苯中，Ha與與Hb為化學等價，但不是磁等價（為化學等價，但不是磁等價（3Jac 5Jbc）。）。 注意：化學等價，不一定磁等價，但磁等價的一定是化學等價的。注意：化學等價，不一定磁等價，但磁等價的一定是化學等價的。CCHaHbFaFbNO2HbHaHcFHd30CH3COOCCHcHaHb31偶合常數與分子結構的關系偶合常數與分子結構的關系譜線裂分產生的裂距，反映核之間偶合作用的強弱。譜線裂分產生的裂距，反映核之間偶合作用的強弱。 同碳質子同碳質子（2J）： 相隔兩個化學鍵，相隔兩個化學鍵，J 最大，但由于各質子性質完全一致，所以只觀察到一個最大，但由于各質子性質完全一致

35、，所以只觀察到一個單峰。單峰。J=10-16 Hz 鄰碳質子鄰碳質子（3J） ： 相隔三個化學鍵，相隔三個化學鍵，J 較大，其偶較大，其偶合分裂是觀察立體分子結構分析最合分裂是觀察立體分子結構分析最為重要的依據。右圖是鄰碳質子的為重要的依據。右圖是鄰碳質子的Karplus曲線。曲線。J=5-9 Hz 從中可見，不同位置上的核，從中可見，不同位置上的核，相互之間的偶合常數不同，其大相互之間的偶合常數不同，其大小與它們各自所在的平面的夾角小與它們各自所在的平面的夾角有關。有關。 遠程偶合：間隔大于三個鍵以上的質子間的偶合。該種偶合對遠程偶合：間隔大于三個鍵以上的質子間的偶合。該種偶合對 體系很重要

36、。體系很重要。如苯，如苯，J鄰鄰=6-10 Hz；J間間=1-3Hz；J對對=0-1Hz ( (o o) )32 化學鍵數目對偶合常數的影響化學鍵數目對偶合常數的影響 CHaHb2J: 10-15 HzHaCCHb3J: 6-8 HzJ: 0J: 1-3 HzHaHbHaCCCHbHaHbJ: 0-1 HzHaHbJ: 6-8 Hz33對于鄰碳磁等價核之間的偶合，其偶合裂分規律如下：對于鄰碳磁等價核之間的偶合，其偶合裂分規律如下：1）一個（組）磁等價質子與相鄰碳上的）一個（組）磁等價質子與相鄰碳上的n個磁等價質子偶合，將產生個磁等價質子偶合，將產生n+1重峰。重峰。 如，如，CH3CH2OH（

37、2+1；3+1；1）2）一個（組）磁等價質子與相鄰碳上的兩組質子（分別為）一個（組）磁等價質子與相鄰碳上的兩組質子（分別為m個和個和n個質個質子）偶合，如果該兩組碳上的質子性質類似，則將產生子）偶合，如果該兩組碳上的質子性質類似，則將產生m+n+1重峰，如重峰，如CH3CH2CH3；如果性質不類似，則產生；如果性質不類似，則產生(m+1)(n+1)重峰，如重峰，如CH3CH2CH2NO2,(3+1)(2+1)=12；3）裂分峰的強度比符合）裂分峰的強度比符合 (a+b)n 展開式各項系數之比；展開式各項系數之比； 注意：注意：n+1規律是一種近似的規律，實際分裂的峰強度比并不完全規律是一種近似

38、的規律，實際分裂的峰強度比并不完全按上述規律分配，而是有一定的偏差。通常是形成的兩組峰都是內側峰按上述規律分配，而是有一定的偏差。通常是形成的兩組峰都是內側峰高、外側峰低。高、外側峰低。344）一組多重峰的中點，就是該質子的化學位移值；）一組多重峰的中點，就是該質子的化學位移值；5）磁等價質子之間觀察不到自旋偶合分裂，如）磁等價質子之間觀察不到自旋偶合分裂，如ClCH2CH2Cl，只有單，只有單重峰。重峰。6）一組磁等價質子與另一組非磁等價質子之間不發生偶合分裂。如對）一組磁等價質子與另一組非磁等價質子之間不發生偶合分裂。如對硝基苯乙醚，硝基苯上的質子為非磁等價，不產生一級圖譜（硝基苯乙醚，硝

39、基苯上的質子為非磁等價，不產生一級圖譜（AB/JAB大于大于20，且自旋偶合的核必須是磁等價的才產生所謂的一級圖譜）因，且自旋偶合的核必須是磁等價的才產生所謂的一級圖譜）因而產生的分裂較復雜，而苯乙基醚上的質子為磁等價，產生較簡單的而產生的分裂較復雜，而苯乙基醚上的質子為磁等價，產生較簡單的一級圖譜。一級圖譜。 35幾個例子：幾個例子：1) ClCH2CH2CH2Cl 峰數及峰面積比分別為，峰數及峰面積比分別為，3(1:2:1)-5(1:4:6:4:1)-3(1:2:1)2）ClCH2CH2Br：兩個三重峰。：兩個三重峰。3) CH3CHBrCH3 峰數及峰面積比分別為：峰數及峰面積比分別為：

40、2(1:1)-7(1:6:15:20:15:6:1)-2(1:1)4) CH3CH2CH2Br 峰數及峰面積比分別為：峰數及峰面積比分別為：3(1:2:1)-12(.)-35) CH3CH2OCH3 峰數及峰面積比分別為：峰數及峰面積比分別為：3(1:2:1)-4(1:3:3:1)-16) Cl-CH2-O-CH3：兩個單峰，：兩個單峰，2:3思考：簡單分子中各質子思考：簡單分子中各質子1HNMR峰譜圖上的順序如何判斷？如峰譜圖上的順序如何判斷？如CH3CH2OH，CH3CH2CH2Cl等等36NMR一級譜：一級譜： 從上述討論可知，自旋從上述討論可知，自旋-自旋分裂現象對結構分析非常重要，自

41、旋分裂現象對結構分析非常重要，它可用于鑒別分子中的基團和排列順序。多數它可用于鑒別分子中的基團和排列順序。多數NMR譜都很復雜，譜都很復雜，需通過復雜計算才能解析，但當滿足以下條件或稱需通過復雜計算才能解析，但當滿足以下條件或稱NMR譜為譜為“一一級譜級譜”時，則可通過上述所討論的分裂現象直接解析：時，則可通過上述所討論的分裂現象直接解析： 1）兩組偶合的核之間的化學位移）兩組偶合的核之間的化學位移遠大于它們之間的偶合常遠大于它們之間的偶合常數數J，即：，即： /J 6； 如，如，CH3CH2OH中中-CH3和和-CH2間的化學位移差為間的化學位移差為140Hz，而，而J=7Hz，因此該分子的

42、，因此該分子的NMR譜為一級譜；譜為一級譜； 2）一組的各質子與另一組所有質子的偶合常數必須相等。）一組的各質子與另一組所有質子的偶合常數必須相等。376.3 NMR儀器儀器一、儀器分類：一、儀器分類：按磁場來源：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁鐵按磁場來源：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁鐵按照射頻率：按照射頻率：60MHz、90MHz、200MHz.按掃描方式：連續波按掃描方式：連續波NMR儀（儀（CW-NMR）和脈沖傅立葉變換）和脈沖傅立葉變換 NMR 儀儀(PFT-NMR)二、儀器組成：如圖。二、儀器組成：如圖。1. 用來產生靜磁場用來產生靜磁場B的的磁體磁體。2. 用于激發樣品使之產生核磁用于激發樣

43、品使之產生核磁共振的共振的射頻發射機射頻發射機。3. 用于接收和放大用于接收和放大NMR信號的信號的接收機接收機。4. 既能將射頻發射機電能量有既能將射頻發射機電能量有效地施加于樣品，又能有效地施加于樣品，又能有效地檢測出樣品所產生的效地檢測出樣品所產生的微弱微弱NMR信號的信號的探頭探頭。5. 用于觀察用于觀察NMR信號的信號的顯示和顯示和記錄系統記錄系統。381）磁場：產生一個恒定的、均勻的磁場。磁場強度增加，靈敏度增加。）磁場：產生一個恒定的、均勻的磁場。磁場強度增加，靈敏度增加。永久磁鐵：永久磁鐵：提供提供0.7046T（30MHz）或或1.4092T（60MHz）的場強。特點是穩的場

44、強。特點是穩定，耗電少，不需冷卻，但對室溫的變化敏感，因此必須將其置于恒溫槽內定，耗電少，不需冷卻，但對室溫的變化敏感，因此必須將其置于恒溫槽內，再置于金屬箱內進行磁屏蔽。恒溫槽不能斷電，否則要將溫度升到規定指，再置于金屬箱內進行磁屏蔽。恒溫槽不能斷電，否則要將溫度升到規定指標需標需23天！天！電磁鐵：電磁鐵：提供提供2.3T的場強，由軟磁鐵外繞上激磁線圈做成，通電產生磁場。的場強，由軟磁鐵外繞上激磁線圈做成，通電產生磁場。它對外界溫度不敏感，達到穩定狀態快，但耗電量大，需要水冷，日常維護它對外界溫度不敏感，達到穩定狀態快，但耗電量大，需要水冷，日常維護難。難。超導磁鐵：超導磁鐵：提供提供5.

45、8T的場強，最高可達的場強，最高可達12T，由金屬（如，由金屬（如鉭鉭Ta合金）絲在低合金）絲在低溫下（液氮）的超導特性而形成的。在極低溫度下，導線電阻趨于零，通電溫下（液氮）的超導特性而形成的。在極低溫度下，導線電阻趨于零，通電閉合后，電流可循環不止，產生強磁場。特點是場強大、穩定性好，但儀器閉合后，電流可循環不止，產生強磁場。特點是場強大、穩定性好，但儀器價格昂貴，日常維護費用極高。價格昂貴，日常維護費用極高。 磁場漂移應在磁場漂移應在10-9-10-10之間之間-可通過可通過場頻鎖定場頻鎖定方式克服（樣品中加入方式克服（樣品中加入參比參比TMS。當磁場漂移時，。當磁場漂移時，TMS吸收信

46、號強度隨之變化，將該信號的變化吸收信號強度隨之變化，將該信號的變化輸入反饋電路，再用此輸出信號控制磁場線圈，從而校正漂移！）輸入反饋電路，再用此輸出信號控制磁場線圈，從而校正漂移！）392）射頻源：射頻發射器，類）射頻源：射頻發射器，類似于激發源。為提高分辨率似于激發源。為提高分辨率，頻率波動應小于，頻率波動應小于10-8，輸出，輸出功率（小于功率（小于1W）波動應小于）波動應小于1%。3）探頭（檢測器）：由樣品）探頭（檢測器）：由樣品管、掃描（發射）線圈和接管、掃描（發射）線圈和接收線圈組成。樣品管要在磁收線圈組成。樣品管要在磁場中以幾十場中以幾十Hz的速率旋轉，的速率旋轉，使磁場的不均勻平

47、均化。掃使磁場的不均勻平均化。掃描線圈與接收線圈描線圈與接收線圈垂直放置垂直放置（同時與磁場方向垂直）（同時與磁場方向垂直），以防相互干擾。在以防相互干擾。在CW-NMR中，掃描線圈提供中，掃描線圈提供10-5T的磁的磁場變化來進行磁場掃描。場變化來進行磁場掃描。核磁共振信號的產生核磁共振信號的產生+ 0- 0 X B0 Z Y 射頻發生射頻發生射頻射頻接收接收 Y X X B0 Z Y Y X - 0+ 040提高提高NMR儀靈敏度的方法：儀靈敏度的方法：1）磁場控制：）磁場控制： a) 通過磁通穩定器補償磁場漂移（溫度、磁鐵內電流的變化）通過磁通穩定器補償磁場漂移（溫度、磁鐵內電流的變化）

48、; b) 通過場頻連鎖。通過場頻連鎖。2）勻場線圈：將通有電流的線圈放入磁場中，利用它產生的磁場來補）勻場線圈：將通有電流的線圈放入磁場中，利用它產生的磁場來補償磁場本身的微小不均勻性。償磁場本身的微小不均勻性。3）樣品的旋轉（）樣品的旋轉（20-30轉轉/s） 樣品旋轉時要注意：在樣品管試液上加一塞子，防止產生旋渦；樣品樣品旋轉時要注意：在樣品管試液上加一塞子，防止產生旋渦；樣品旋轉產生旋轉邊帶，在信號峰兩側出現對稱小峰，引起干擾，可通過改旋轉產生旋轉邊帶，在信號峰兩側出現對稱小峰，引起干擾，可通過改變轉速觀察邊帶信號的移動，以識別哪些是邊帶，哪些不是。變轉速觀察邊帶信號的移動，以識別哪些是

49、邊帶，哪些不是。41兩種兩種NMR方法比較：方法比較：1）連續波連續波NMR儀（儀（CW-NMR） 通過以下兩種方式激發樣品后通過以下兩種方式激發樣品后記錄吸收分量與場強或頻記錄吸收分量與場強或頻率的關系，即核磁共振波。率的關系，即核磁共振波。 掃場法掃場法-固定照射頻率，改變磁場強度；固定照射頻率，改變磁場強度； 掃頻法掃頻法-固定磁場強度，改變照射頻率；固定磁場強度，改變照射頻率；特點：特點：a) 掃描速度不能太快，通常全掃描時間為掃描速度不能太快，通常全掃描時間為200-300s。若掃描。若掃描太快，共振來不及弛豫，信號將嚴重失真（畸變）。太快，共振來不及弛豫，信號將嚴重失真（畸變）。b

50、) 靈敏度低、所需樣品量大。對一些難以得到的樣品，無法靈敏度低、所需樣品量大。對一些難以得到的樣品，無法進行進行NMR分析。分析。422）脈沖傅立葉變換脈沖傅立葉變換NMR儀（儀（PFT-NMR） 以等距脈沖調制的射頻（以等距脈沖調制的射頻（RF）信號作多道發射機，以快速傅立葉）信號作多道發射機，以快速傅立葉變換作多道接收機，它在一個脈沖中給出所有的激發頻率。如果此脈變換作多道接收機，它在一個脈沖中給出所有的激發頻率。如果此脈沖滿足沖滿足NMR條件，則在脈沖之后，于接收線圈上能感應出該樣品所條件，則在脈沖之后，于接收線圈上能感應出該樣品所有的共振吸收信號的干涉圖（自由感應衰減，有的共振吸收信號

51、的干涉圖（自由感應衰減，FID）信號。）信號。 它包括分子中所有信息，是時間的函數，對此函數作傅立葉變換它包括分子中所有信息，是時間的函數，對此函數作傅立葉變換處理后，可將處理后，可將FID信號轉換為常用的掃場波譜。信號轉換為常用的掃場波譜。特點：特點：a) 靈敏度提高（靈敏度提高（100倍）；倍）；b) 測量速度快：一次脈沖相當于測量速度快：一次脈沖相當于CW-NMR的一次掃描；的一次掃描；c) 擴大應用范圍：除常規擴大應用范圍：除常規1H，13C譜外，還可用于擴散系數、化學交譜外，還可用于擴散系數、化學交換、固體高分辨和弛豫時間測定等。換、固體高分辨和弛豫時間測定等。43樣品處理方法：樣品

52、處理方法：一、對樣品及樣品瓶的要求一、對樣品及樣品瓶的要求 1.樣品：樣品要純；樣品量不能太小，通常為樣品：樣品要純；樣品量不能太小，通常為1-3mg（低靈敏度（低靈敏度NMR儀需儀需10-30mg）、不含氧和灰塵。如果樣品存在極少鐵磁性物質、灰塵則可使譜峰變寬。）、不含氧和灰塵。如果樣品存在極少鐵磁性物質、灰塵則可使譜峰變寬。實驗前應過濾、離心或用小磁棒除雜；如含氧，則可通實驗前應過濾、離心或用小磁棒除雜；如含氧，則可通N2或或He或抽真空除之。或抽真空除之。2. 樣品瓶：通常以硼硅酸鹽玻璃制成。對樣品瓶：通常以硼硅酸鹽玻璃制成。對1H譜，瓶外徑約譜，瓶外徑約5 mm；對；對13C譜，因譜，

53、因其自然豐度低，瓶外徑約為其自然豐度低，瓶外徑約為10 mm。管長。管長15-20 cm，加入樣品約為管長，加入樣品約為管長1/8-1/6。二、對溶劑的要求二、對溶劑的要求 固體樣品的譜峰很寬，應選擇適當溶劑配成溶液（濃度：固體樣品的譜峰很寬，應選擇適當溶劑配成溶液（濃度：0.1-0.5 mol/L）后）后再測定。不含質子、沸點低、不與樣品締合、溶解度好，如再測定。不含質子、沸點低、不與樣品締合、溶解度好，如CCl4, CS2, CHCl3;有有時也可用時也可用C6H6，CH3COCH3，CH3CN，CH3OH; 為防干擾，應采用為防干擾，應采用D代試劑，代試劑，如如CHCl3-d1, (CH

54、3)2CO-d6, H2O-d2（水溶性試劑）。（水溶性試劑）。TMS只能在測定時加入，只能在測定時加入，不要加入過早。不要加入過早。三、位移試劑三、位移試劑 可使各種質子發生順磁性或反磁性位移，從而將各種質子信號分開，這對解可使各種質子發生順磁性或反磁性位移，從而將各種質子信號分開，這對解析復雜光譜有幫助。析復雜光譜有幫助。446.4 核磁共振氫譜核磁共振氫譜 （1H-NMR） 橫坐標橫坐標代表化學位移代表化學位移 ，它的數值代表了譜峰的位置，即質子的化學，它的數值代表了譜峰的位置，即質子的化學環境。環境。 =0 處的峰為內標物處的峰為內標物四甲基硅烷（四甲基硅烷（TMS）的譜峰。從左到右代

55、表）的譜峰。從左到右代表了磁場強度增強的方向，即頻率減小的方向，也是了磁場強度增強的方向，即頻率減小的方向，也是 值減小方向。值減小方向。 縱坐標縱坐標代表著譜峰的強度。譜峰強度的精確測量是依據圖譜上臺階代表著譜峰的強度。譜峰強度的精確測量是依據圖譜上臺階狀積分曲線，每個臺階高度代表其下方對應的譜峰面積。在狀積分曲線，每個臺階高度代表其下方對應的譜峰面積。在1H-NMR中中譜峰面積與其代表的質子數目成正比。譜峰面積與其代表的質子數目成正比。典型的典型的1H-NMR譜譜高場高場低場低場451H-NMR譜中的化學位移譜中的化學位移 化學位移能反映質子的類型及所處的化學環境，與分子結構化學位移能反映

56、質子的類型及所處的化學環境，與分子結構密切相關。密切相關。1H-NMR譜中的耦合作用譜中的耦合作用1H-NMR譜圖解析譜圖解析 一張一張1H-NMR譜圖能提供三個方面的信息：化學位移值譜圖能提供三個方面的信息：化學位移值 、耦合（包括耦合常數耦合（包括耦合常數J和自旋分裂峰形）及各峰面積之比（積分和自旋分裂峰形）及各峰面積之比（積分曲線高度比）。曲線高度比）。 46未知化合物未知化合物 1H-NMR譜圖解析的一般步驟：譜圖解析的一般步驟：1）根據分子式計算化合物的不飽和度）根據分子式計算化合物的不飽和度 ： = 1+n4+1/2 (n3-n1)式中式中 n1、n3、n4 分別為一價、三價和四價

57、原子的數目。分別為一價、三價和四價原子的數目。2）測量積分曲線的高度，確定峰組的質子數目。）測量積分曲線的高度，確定峰組的質子數目。3）根據每個峰組的化學位移值、質子數目以及峰組分裂）根據每個峰組的化學位移值、質子數目以及峰組分裂的情況推測出對應的結構單元。在這一步驟中，應特的情況推測出對應的結構單元。在這一步驟中，應特別注意貌似化學等價卻非化學等價的質子或集團。別注意貌似化學等價卻非化學等價的質子或集團。474）計算剩余的結構單元和不飽和度。分子式減去已確定的）計算剩余的結構單元和不飽和度。分子式減去已確定的所有結構單元的組成原子，差值就是剩余單元。因為，所有結構單元的組成原子，差值就是剩余

58、單元。因為，不含氫的基團，在氫譜中不產生直接的信息。不含氫的基團，在氫譜中不產生直接的信息。5）將結構單元組合成可能的結構式。根據化學位移和耦合）將結構單元組合成可能的結構式。根據化學位移和耦合關系將各個結構單元連接起來。復雜的化合物能列出多關系將各個結構單元連接起來。復雜的化合物能列出多個可能的結構。個可能的結構。6）對所有可能的結構進行指認，排除不合理的結構。）對所有可能的結構進行指認，排除不合理的結構。7）如果依然不能得出明確的結論，則需借助于其它波普分）如果依然不能得出明確的結論，則需借助于其它波普分析方法。析方法。48譜圖中化合物的結構信息：譜圖中化合物的結構信息：(1) (1) 峰

59、組數：有多少類磁不等價質子峰組數：有多少類磁不等價質子 (2) 峰的強度（面積）：峰的強度（面積）：每類質子的數目每類質子的數目( (相對相對) ) (3) 峰的化學位移峰的化學位移（ ）：）：每類質子所處的化學環境每類質子所處的化學環境 (4) 峰的裂分數峰的裂分數：相鄰碳原子上質子數相鄰碳原子上質子數 (5) 偶合常數偶合常數（J）：確定化合物構型確定化合物構型498 7 6 5 4 3 2 1 05223例例1 1： 化合物化合物 C C1010H H1212O O2 2結構的確定結構的確定50 2.1單峰三個氫，單峰三個氫，CH3峰峰 結構中有氧原子，可能具有：結構中有氧原子，可能具有

60、： 7.3芳環上氫，單峰烷基單取代芳環上氫，單峰烷基單取代CH2CH2OCOCH3正確結構：正確結構：3.0 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 COCH3 =1+10+1/2(-12) = 5 = 1+n4+1/2 (n3-n1)C10H12O251例例2 2：化合物：化合物 C C1010H H1212O O2 2結構的確定結構的確定7.3 5.211.22.35H2H2H3H =1+10+1/2(-12)=51) 2.32和和 1.2CH2CH3相互偶合峰相互偶合峰2) 7.3芳環上氫，單峰烷基單取代芳環上氫，單峰烷基單取