1、核磁共振波譜法第1頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 1945年美國哈佛大學的Purcell與斯坦福大學的Bloch等發現了核磁共振現象，他們二人因此獲得了1952年諾貝爾物理學獎。幾十年來，核磁共振在理論、技術和應用方面，都有了迅速的發展。核磁共振方法和技術不斷完善，已成為化學、生物化學、生命科學和臨床醫學研究的極為重要手段，是有機結構、構型、構象測定的主要手段。第2頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 強磁場超導核磁共振儀的發展，脈沖傅里葉變換技術(PFT)在核磁共振波譜儀上的廣泛應用，NMR的新方法、新技術不斷涌現。?Molecular St

2、ructure in SolutionHigh resolution 1D & 2D NMRR. R. Ernst1991 Nobel Prize in Chemistry第3頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 NMR是化學、生物化學、生命科學和臨床醫學研究的重要手段，是有機結構、構型、構象測定的主要手段。3D Structure of Bio-macromoleculesK. Wuethrich2002 Nobel Prize in Chemistry第4頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四HPLC-NMR / MS第5頁，共105頁，2022年

3、，5月20日，23點4分，星期四NMR Imaging (MRI)NMR MicroscopyP. Lauterbur P. Mansfield2003 Nobel Prize in Medicine第6頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四核磁共振氫譜(1H-NMR)，又稱質子核磁共振譜(proton magnetic resonance spectrum，PMR)。1.通過信號的位置和偶合常數來判別氫原子的類型，即提供了質子類型及質子化學環境的信息；2.從氫譜上的信號強度(峰面積或積分曲線)了解各組氫核的相對比例，即各組氫核的分布；3.從氫譜中信號的分裂及偶合常數來了解

4、各組氫核的關系，如判別甲基與羰基，還是與亞甲基相連。第7頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四1H spectrum of Taxol第8頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四碳-13核磁共振譜(13C-NMR spectrum，13C-NMR)，又稱碳譜，它可直接提供分子碳的骨架信息，與氫譜相互補充，是研究有機化合物結構的有力工具。13C spectrum of Taxol第9頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.1 核磁共振波譜的基本原理 原子是由原子核與繞其旋轉的核外電子所組成。原子核由中子和質子組成，質子帶正電荷，中子不

5、帶電荷，因此原子核帶正電荷，其電荷數等于質子數第10頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四帶正電荷的原子核當發生自旋時，核上的電荷隨之運動，繞軸一起旋轉，可產生循環電流，就產生了感應磁場，其方向可用右手螺旋定則來確定。 第11頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四在靜磁場中，具有核磁矩的原子存在不同能級，運用某一特定頻率的電磁波來照射被測樣品，并使供給的能量滿足于能級之間的能量差，原子核即可進行能級之間的躍遷，這就是核磁共振。第12頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.1.1 原子核的自旋與磁矩不是所有的原子核有自旋現象。原子核

6、的自旋特征可以用自旋量子數(spin quantum number) I來描述。不同的核具有不同的自旋量子數，因而自旋情況也不相同，可分為三種類型。(1) I=0 (2) I為整數(I=1，2，) (3) I為半整數(I=1/2，3/2，5/2，)第13頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(1) I=0，這類核無自旋現象，沒有核磁矩，其核的質量數與電荷數(原子序數)皆為偶數，不產生核磁共振信號，如12C、16O等，不能用核磁共振來研究。 (2) I為整數(I=1，2，)，這類核的質量數為偶數，電荷數為奇數，如2H、14N等。這類核的電荷分布不均勻，呈橢球狀，稱之為電四極矩

7、，其雖有自旋現象，能產生核磁共振信號，但核磁共振吸收復雜，故目前尚待研究。 第14頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(3) I為半整數(I=1/2，3/2，5/2，)，這類核的質量數為奇數，電荷數可為奇數，如1H、19F等；也可為偶數，如13C等。這類核的電荷呈均勻球體分布，并具有陀螺般的進動，形成自旋，可產生循環電流，產生感生場，是目前核磁共振研究與測定的主要對象。第15頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四質量A原子序數Z自旋量子數 I例子奇數奇數或偶數半整數1/2，3/2，5/21H、19F、31P、13C偶數偶數零012C、16O、32S偶數

8、奇數整數1,2,32H、14N表14-1 各種核的自旋量子數第16頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四帶正電的核發生自旋時可產生磁場，這些原子核象小磁鐵一樣，一般用核磁矩()表示，的大小與自旋量子數有關。I=1/2的核，核自旋時，核上的電荷隨之運動，繞軸一起旋轉，可產生循環電流，就產生了感應磁場。I=0的核，核磁距等于0，不能產生核磁共振吸收信號。只有I0，有自旋現象的核，才有核磁距，能夠產生核磁信號。第17頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 只有具有自旋角動量P(spin angular momentum)和核磁距的核素才能獲得NMR信號 。 角

9、動量P的量值的大小為： 第18頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 核磁矩與自旋角動量P之比，叫做磁旋比(magnetogyric ratio) 1H的為2.67108T-1S-1， 13C的為0.6721108T-1S-1。第19頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四核自旋能級分裂 在無外磁場時，由于核的無序排列，核磁矩的取向是任意的，若將磁性核置于磁場中，根據量子力學，其核磁矩的取向不能任意排列，其不同的空間取向數目可用磁量子數來表示，可取II的任何值，共有2I+1個取向。m的每一個數值表示了核磁矩的一種空間取向。第20頁，共105頁，2022年，

10、5月20日，23點4分，星期四 1H，m的取值數目為21/21=2個，即m=1/2及1/2，表示在外磁場中1H的核磁矩只有兩種取向。 m=1/2時，核磁矩在外磁場方向Z的投影(Z)與外磁場平行，能量較低； m=1/2時，Z與外磁場相反，能量較高。如圖所示。第21頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 若I=1時，例如2H，m可有211=3個取值，即m=1、0、1，表明2H核磁矩在外磁場中有三種取向。第22頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四核的自旋角動量在Z軸上的投影PZ為因此，不同取向的核磁矩在磁場方向Z軸上的分量為第23頁，共105頁，2022年，

11、5月20日，23點4分，星期四14.1.2 核磁共振與共振吸收 進動 具有一定速度的陀螺在旋轉時，其自旋軸雖有所傾斜，但在地心引力下并不改變其傾斜度。第24頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 在靜磁場中原子核繞其自旋軸旋轉，而自旋軸又與靜磁場保持某一夾角作旋進運動，使磁矩有趨向于外磁場方向的趨勢。這種情形就稱為進動(precession)，也稱Larmor進動。 自旋核的進動頻率(v)稱為Larmor頻率，它與外磁場強度(H0)、磁旋比()成正比：第25頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四自旋核的能級分裂 自旋核在磁場H0中，其相互作用的能量為：

12、核磁矩在磁場中按不同方向的排列使得磁性核產生了能級分裂。對于I=1/2的1H核，其在磁場中的能量為： 第26頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 1H核在磁場中不同的自旋取向有不同的能量狀態。順場時，m=1/2，能量低；逆場時，m=1/2，能量高，兩者的能量差隨著磁場強度的增加而增大。 高磁場強度儀器中的E較大，可獲得比低磁場強度儀器更清晰的核磁共振譜。 第27頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四共振吸收條件 在H0的垂直方向用頻率為v0的交變電磁波照射，則該核可以吸收能量從低能級躍遷到高能級。所吸收電磁波的能量h v0必須等于能級間的能量差E，此時

13、核的進動頻率為 因此，只有當核的進動頻率v與交變電磁波頻率v0相等時，核才能發生自旋能級躍遷。 根據量子力學的選律可知，躍遷只能發生在兩個相鄰能級間，即m=1。 第28頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四第29頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四飽和與弛豫 根據Boltzmann分布定律，低能態核數(n+)與高能態核數(n)的分布為 在27(300K)、H0=1.4092T(相當于60MHz的射頻)時，氫核的n+/n-=1.0000099 。 NMR信號是靠多出的約百萬分之十的基態核的凈吸收而產生。 躍遷至高能態的核沒有其它途徑回到低能態，也就沒有了

14、過剩的低能態核，就會產生飽和現象，NMR信號消失。 處于高能態的核(激發核)可通過非輻射的方式損失能量而回到低能態（基態），這個過程稱為弛豫 (relaxation)。 第30頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四吸收和弛豫是可逆過程，弛豫是保持核磁信號強度必不可少的過程。在核磁共振中，若無有效的弛豫過程，飽和現象是容易發生的。弛豫是核磁共振信號產生的必要條件。隨著H0的增加，低能態核的數目將增大，因而靈敏度增加。 第31頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.1.3 核磁共振波譜的測定 原理 核磁共振的信號很弱，無法通過測定透過光的信號強度變化來獲

15、得，只能用共振吸收法測定。所謂共振吸收法是利用原子核在磁場中發生能級躍遷時，核磁矩改變方向而在接收線圈產生的感應電流來測定核磁共振信號。 同時記錄接收線圈收到的吸收信號和磁場強度即可得到核磁共振譜圖。第32頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四CW-NMR采用輻射頻率或磁場強度連續變化掃描的方式進行的核磁共振光譜儀，稱為連續波核磁共振儀(continuous wave NMR)，簡稱CW-NMR。它是由磁鐵、探頭、射頻發生器、射頻接收器、掃描發生器、信號放大及記錄儀組成。磁場通常是由電磁鐵或永久磁鐵產生的，在兩個磁極中間安裝有探頭，其正中插入樣品管，在其勻速而平穩地旋轉，使

16、樣品受到均勻的磁場強度。照射線圈R所產生的射頻場與磁場方向垂直。接收線圈D與前兩者都相互垂直，接收核磁共振時的吸收信號。Helmholtz掃描線圈：改變掃描線圈的電流可改變磁場強度。 第33頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 固定照射頻率，連續改變磁場強度的掃描方式稱為掃場（field sweep）法。 固定磁場強度，連續改變照射頻率的掃描方式稱為掃頻(frequency sweep)法。第34頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四PFT-NMR簡介 原理 首先進行寬頻帶強脈沖射頻發射（包括所測譜范圍內全部頻率），使樣品中各種環境的所有磁核同時吸收脈

17、沖射頻中的各個頻率而被激發。當脈沖停止發射后，馳豫過程立即開始，接收器開始接收磁核發射的自由感應衰減信號FID(free induction decay)。 FID是時間(t)的函數。FID信號經過濾波、被模/數(A/D)轉換器轉換成數字信號后被計算機采集，再由計算機進行傅里葉變換計算，使其轉變成頻率(v)的函數，最后經過數/模(D/A)轉換器變換為模擬量，就得到通常的NMR圖譜。第35頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四PFT-NMR的特點與應用 測定速速快，便于多次累加，所以其靈敏度很高，使得天然豐度極低的13C的測定得以實現。除可進行核的動態過程、瞬變過程、反應動力

18、學等方面的研究外，還使二維核磁共振譜(2D-NMR)等技術得以實現，使核磁共振譜有了更廣泛的應用。 第36頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.2 化學位移14.2.1 化學位移及其表示 分子中的原子核并不是孤立存在,它受到周圍環境的影響, 導致相同的原子核卻有不同的核磁共振頻率。 氫核并非裸核，它的核外電子運動及附近其它原子核核外電子運動都將產生感應磁場，這些感應磁場的方向大小不同，對施加在氫核上的磁場的屏蔽作用也不同，這種現象稱為局部抗磁屏蔽(shielding)。 第37頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 由于屏蔽效應的存在，核實受磁場強

19、度( H )應為 H = ( 1 ) H0 式中，稱為屏蔽常數(shielding constant)。由于屏蔽效應，Larmor公式修正為 氫核產生共振需要更大的外磁場強度（相對于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。第38頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 不同類型和化學環境氫核的共振頻率是有差別的，但是差別很小，約為百萬分之十左右。如苯丙酮(C6H5CH2COCH3)，甲基氫與亞甲基氫共振頻率相差百萬分之1.5；亞甲基氫與芳氫相差百萬分之3.7。 在有機化合物中，各種氫核周圍的電子云密度不同（結構中不同位置）共振頻率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現象稱為化學位移。第

20、39頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.2.1.2 化學位移的表示 由于核磁共振的頻率差別很小，大約在106范圍內，即百萬分之幾。核外電子的感應磁場(屏蔽場)與外加磁場成正比，因此產生的屏蔽所引起的化學位移的大小也與外加磁場成正比。不同的磁場強度或照射頻率的儀器，用磁場強度或頻率表示化學位移，則數值是不同的。 第40頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 通常人們使用相對差值表示化學位移，符號為，單位為ppm。是一個無因次參數?；瘜W位移常采用相對法表示，定義如下：0 Hz15003000450060000 ppm48120 Hz150030004

21、50060000 ppm4812參照樣品峰300 MHz500 MHz1 ppm = 300 Hz1 ppm = 500 Hz 用相對法表示化學位移可使測量精度大為提高，又可使化學位移不會因磁場強度不同而不同，同一化學環境類型的質子就有了統一的化學位移值，而與儀器的磁場強度無關。 第41頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四國際純粹與應用化學學會(IUPAC)規定TMS的值為0，(無論氫譜與碳譜)，TMS峰左值為正，峰右值為負。TMS是常用的標準品，測定以重水為溶劑的樣品時，因TMS不溶于水，這時可采用DSS(4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸鈉)為標準物。 測定NMR一般是將

22、樣品溶解在水或有機溶劑中進行的，所用的溶劑不應含有氫質子，以免溶劑中的質子干擾，常用氘代溶劑或不含質子的溶劑，如CCl4 、D2O、CDCl3、CD3COCD3(丙酮- d6) 及CD3SOCD3(DMSO-d6)等。但由于氘代溶劑會存在少量的未被氘代的溶劑而在某以位置出現殘存的質子峰，所以在解譜時要注意識別。第42頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.2.2 化學位移的影響因素凡是能使核外電子云密度改變的因素都能影響化學位移。若能使核外電子云密度降低，會使磁屏蔽效應減弱，即去屏蔽效應增大，化學位移增加，核磁共振信號移向低場；反之，核外電子云密度增加，屏蔽效應增加，化

23、學位移降低，核磁共振信號移向高場。電負性磁各向異性氫鍵第43頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四誘導效應 當氫核附近具有電負性的取代基(如鹵素、硝基等)都可降低核外電子云密度，使其化學位移增加。其影響程度與該原子或基團的電負性有關。 F、O、Cl、H和Si的電負性分別為4.0、3.5、3.1、2.1和1.8，其取代烷的化學位移為： CH3F CH3OH CH3Cl CH4 TMS 4.06 3.40 3.05 0.23 0第44頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 取代基的誘導效應可延碳鏈延伸，相隔3個以上碳則影響可忽略不計 CH3Br CH3CH2

24、Br CH3CH2CH3Br CH3(CH2)5Br 2.68 1.65 1.04 0.9 常見官能團的電負性一般大于氫原子的電負性，取代基對不飽和烴的影響較為復雜，應同時考慮誘導效應與共軛效應對核外電子云密度的影響。碳的電負性比氫大，因此第45頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四第46頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 磁各向異性(magnetic anisotropy) 質子在分子中所處的空間位置不同，其受鄰近原子或基團的核外電子所產生的屏蔽效應的影響不同，統稱為磁各向異性或稱遠程屏蔽效應(Long range shielding effect

25、)。磁各向異性具有方向性，其大小與它們之間的間距有關。(1) 芳環 (2) 雙鍵(CO及CC) (3) 叁鍵 第47頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(1) 芳環： 苯和其它芳香結構的大鍵在外加磁場誘導下，易形成電子環流，產生次級磁場。 在芳環中心及平面的上下方，次級磁場的磁力線與外磁場的磁力線方向相反，為正屏蔽區，以“+”表示。處于正屏蔽區的質子的值減少(峰右移)。 在平行于芳環平面四周的區域，為去屏蔽區或負屏蔽區，以“”表示。處于負屏蔽區的質子的值增大(峰左移)。苯環上氫原子正好處于負屏蔽區，強大的順磁屏蔽效應使這些氫原子的值達到7.27ppm。第48頁，共105頁

26、，2022年，5月20日，23點4分，星期四- 4.25+4n+2p第49頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(2) 雙鍵(CO及CC)： 與芳環相似，雙鍵化合物也具有屏蔽和去屏蔽區。雙鍵的電子云分布于成鍵平面的上下方，形成結面(nodal plane)，結面電子在外加磁場誘導下形成電子環流，產生次級磁場。平面內為去屏蔽區，故值較大，出現在較低場。如乙烯氫的值為5.25ppm，乙醛氫的值為9.69ppm。第50頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四5.25+-7.857.4010.15 8.06第51頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，

27、星期四(3) 叁鍵： 叁鍵的電子以鍵軸為中心呈對稱分布(共四塊電子云)，在外磁場中，其電子繞碳碳鍵形成環流，產生的次級磁場。由于炔氫處于正屏蔽區，其實受的磁場強度降低，雖然炔氫受叁鍵的誘導效應，但由于炔氫處于正屏蔽區，因此使炔氫的值較小。由于雙鍵烯氫既有雙鍵的誘導效應又有負屏蔽區的去屏蔽作用，故烯氫的值遠大于炔氫，如乙炔氫值為2.88ppm，而乙烯氫5.25ppm。第52頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四-+3.092.88第53頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四氫鍵的去屏蔽效應 氫鍵對質子的化學位移影響是非常敏感的。氫鍵的產生降低了質子周圍的電

28、子云密度，使質子的化學位移增加，氫鍵的程度越大，其化學位移越高。例如羥基氫在極稀溶液中不形成氫鍵時為0.51.0 ppm；而在濃溶液中形成氫鍵，則為45 ppm。隨濃度減少，氫鍵作用減弱，羥基峰向高場位移。與其他雜原子相連的活潑氫都有類似性質，由于氫鍵的形成與溫度、濃度及溶劑極性有關，因而這類質子呈現較寬范圍變動的化學位移。第54頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四0.5 -4.0 1 - 44 7.56 - 1410 - 14X-H-YX = N,O,CI,Br,第55頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.2.3 不同類型結構的質子化學位移范圍

29、 1H-NMR譜中的各種基團上質子的化學位移與其化學位移有一定關系。近年來，已經積累了許多經驗，文獻中有各種表格形式，查閱方便，某些典型質子的化學位移還可由經驗公式計算，從官能團可以推斷其化學位移，根據化學位移又可推測官能團的結構。 常見質子化學位移的一般規律歸納如下(以值為序)：第56頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四第57頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.3 自旋偶合和自旋系統在1H-NMR譜上，共振峰并不總表現為一個單峰，如氯乙烷的甲基峰為三重峰，亞甲基(CH2)為四重峰，是甲基與亞甲基相互干擾的結果，如圖所示。這種情況叫做峰的分裂現

30、象。吸收峰之所以發生分裂是由于相鄰兩個(組)磁性核自旋產生的次生場相互干擾所引起，這種磁性核間的相互干擾稱為自旋-自旋偶合(spin-spin coupling)，簡稱自旋偶合。 第58頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四氯乙烷的核磁共振譜 第59頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.3.1.1 自旋偶合與自旋分裂 相鄰兩個(組)磁性核自旋產生的次生場相互干擾可引起磁性核間的相互干擾(自旋偶合)，由此引起的分裂現象稱為自旋-自旋分裂(spin-spin splitting)，又稱為自旋分裂。CHJCHCHJCH原始頻率v-J/2v+J/2JCHv

31、第60頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 在氯乙烷的氫譜中，甲基上的質子受相鄰亞甲基上二個氫的核磁矩的微擾使其分裂為三重峰。同樣，氯乙烷的亞甲基也受甲基三個氫核的干擾，形成四重峰.第61頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.3.1.2 n+1規律 某類質子分裂的峰數目取決于鄰近磁核所能給出不同磁矩的自旋方式結合的數目，即某氫核與n個相鄰氫偶合時將被分裂為n+1重峰，而與該基團本身的氫數無關，此規律稱為n+1規律。 第62頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四簡單偶合的特征服從n+1律。偶合分裂的多重峰強度之比:其峰高比大致為

32、二項式。(a+b)n展開式的系數之比。多重峰質子的化學位移位于它們精細結構的中心處，簡單偶合的二重峰(d)峰高比為1:1，三重峰(t) 峰高比為1:2:1，四重峰(quartet)峰高比為1:3:3:1，五重峰(quintet) 峰高比為l:4:6:4:1，六重峰(sextet) 峰高比為1:5:10:10:5:1?！跋蛐姆▌t”:氯乙烷中甲基三重峰左側峰高于右側峰，亞甲基四重峰的右側峰高于左側峰。這可用于判斷偶合關系。第63頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 上述分裂規律即nl律實際上是2nIl規律的特殊形式。若I=1，如在一氘碘甲烷中(CIH2D)，氫核受一個氘核的干

33、擾，則分裂為三重峰，服從2nIl律。而氘核受二個氫核的干擾，也分裂為三重峰，但服從n1律。 以上規律只適用于偶合干擾作用比較小的簡單偶合(v/J10)，而不適用于高級偶合(v/J10為界(過去以6為界)，峰分裂服從n +1規律。同理，若偶合核之間的偶合作用較強，即v/J10)，那么這些值不等的核即可用同組內的不同字母表示。4.如果v/J10。 (2) 相互偶合的兩類磁核，每類磁核均為磁等價核。主要特征 等價磁核盡管相互偶合，但不分裂，呈單峰。等價核偶合分裂數目服從n +1規律。 等價核分裂的峰高比為二項式展開式的各項系數比。 多重峰的中間位置是該組等價磁核的化學位移。 多重峰的裂矩是與相鄰核偶

34、合的偶合常數。 偶合分裂時對應的兩組分裂峰總是構成中間高兩邊低的向心外形，即所謂的向心法則。第74頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四由于大多數化合物的結構復雜，簡單的一級圖譜并不多見，經常呈現高級偶合。高級偶合的圖譜復雜，解析困難。采用高磁場的儀器可使一些復雜的高級偶合簡化成一級偶合。各類去偶技術與方法、二維核磁共振波譜(2D-NMR) 大大提高了所能解決高級偶合圖譜的難度，增加了解決問題的途徑和多樣性。第75頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四峰面積 峰面積與同類質子數成正比，僅能確定各類質子之間的相對比例。峰面積由譜圖上的積分線給出?；衔?C

35、10H12O25223第76頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.4 核磁共振氫譜的解析方法與示例14.4.1 樣品的制備 純度：應98。 用量：CW-NMR儀器一般樣品需30mg/0.4ml(約10)左右，否則信號弱，不易獲得正常圖譜。但對于FT-NMR儀器，樣品量由累加次數確定(只需要幾個毫克即可)。 溶劑：應有較低的粘度，應采用氘代試劑。 對低、中極性的樣品，最常采用氘代氯仿作溶劑，因其價格遠低于其它氘代試劑。極性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。 第77頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.4.2 解析的一般程序(1) 計算不飽和度(

36、U) 。(2) 計算氫分布 由積分曲線或峰面積，參考分子式或孤立甲基峰等，算出各組氫核的數目-氫分布。(3) 確定甲基類型 根據孤立的甲基峰的化學位移，初步確定孤立的甲基類型，如CH3O及CH3Ar等。(4) 確定低場氫核的化學環境 根據低場氫核的化學位移初步確立各組氫核的化學環境，醛基氫10 ppm、酚羥基氫 9.515 ppm、羧基氫 1112 ppm及烯醇氫1416 ppm。第78頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(5) 明確偶合系統 由v/J確定圖譜中的簡單偶合和高級偶合部分。解析圖譜中的簡單偶合，確定各峰歸屬。(6) 解析圖譜中高級偶合部分 若7.2 ppm附

37、近有共振吸收峰，則可按分裂圖形確定自旋系統及取代位置。 若含有其它難解析的高級偶合系統，則可應用各種去偶技術或二維圖譜等技術來解決，也可采用更高強度的磁場儀器使圖譜簡化。(7) 對于含有活潑氫的化合物，對比重水交換前后的圖譜，確定活潑氫的峰位及類型。第79頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(8) 寫出可能的結構單元，根據化學結構的合理性推出一種或幾種可能的結構。(9) 查表或按經驗式計算各基團氫核的化學位移，與實測值對照，驗證結構是否正確，也可通過參考IR、UV及MS等圖譜進行綜合波譜解析。已發表的化合物，可查標準光譜核對。第80頁，共105頁，2022年，5月20日，

38、23點4分，星期四14.4.3 解析示例例14-1 某兩異構體的分子式為C4H8O2，二者在IR光譜l735 cm-1處均有強吸收，它們的核磁共振譜如圖所示，試推斷它們的結構。 A. 分子式C4H8O2的核磁共振譜圖 第81頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四解：此二異構體在IR光譜1735 cm-1處均有強吸收，說明此二化合物中均有羰基C=O，且為酯羰基。B. 分子式C4H8O2的核磁共振譜圖 第82頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四A化合物(1) 4.2，四重峰，2H：為CH2，旁鄰CH3和O，歸屬結構CH3CH2O；(2) 2.0，單峰，3H

39、：為CH3，旁鄰C=O，歸屬結構；(3) 2.4，四重峰，2H：為CH2，旁鄰CH3，歸屬結構CH3CH2(4) 1.3，三重峰，3H：為CH3，旁鄰CH2-，歸屬結構CH3CH2。因此A化合物的結構為： 第83頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四B化合物(1) 3.7，單峰，3H：是CH3，旁鄰O，歸屬結構CH3O；(2) 2.4，四重峰，2H：是CH2，旁鄰CH3，歸屬結構CH3CH2(3) 1.2，三重峰，3H：是CH3，旁鄰CH2，歸屬結構CH3CH2。因此B化合物的結構為 第84頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.5 核磁共振技術的進

40、展14.5.1 核磁共振碳譜簡介 13C-NMR的原理和1H-NMR原理基本相同，但13C的天然豐度較低，僅為12C的1.1%，而且其磁旋比也僅是1H的1/4，這使得測定13C核磁共振信號的靈敏度僅為1H-NMR的1/5700，因此采用傳統的CW-NMR測定13C核磁共振信號是十分困難的。直到70年代，FT-NMR技術及各種去偶技術的發展，才使得13C-NMR譜的應用成為可能。 13C-NM簡稱為碳譜，亦可表示為CMR，它可直接提供有關分子碳“骨架”結構信息，與1H-NMR相互補充，已成為研究有機化合物分子結構不可缺少的工具。第85頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四13

41、C-NM譜的特點 (1) 13C-NMR分辨率高于1H-NMR 化學位移范圍寬，可達250ppm以上，而氫譜的化學位移一般在020ppm，且氫譜與碳譜的平均譜峰寬度，均在同一數量級，因而碳譜比氫譜分辨率高510倍，譜峰很少重疊，基本上每一個不等價碳原子都能得到清晰的譜峰。(2) 13C-NMR的靈敏度低 碳譜的靈敏度遠低于氫譜，僅為氫譜的1/5800。只有具有累加功能的FT-NMR才能獲得實用的碳譜。第86頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(3) 13C圖譜的簡化 13C圖譜的偶合裂分相當嚴重，且相互交叉，使峰強度大大減弱，信噪比(S/N)降低，給圖譜解析帶來困難，因此

42、實際測定時均使用去偶技術，使圖譜簡化便于解析。常見的碳譜即為采用了質子寬帶去偶譜技術獲得的失去了CH間偶合的簡化圖譜，使每一個不等價碳原子都能得沒有裂分的單譜。(4) 13C-NMR弛豫時間較長 弛豫時間T1與13C核所處的化學環境密切相關，因此可以利用其提供更多的13C核在分子中的結構信息。(5) 13C-NMR譜峰強度不與碳原子數成正比 13C核信號強度順序為CH3CH2CH1C。第87頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.5.1.2 影響化學位移的因素與1H-NMR譜一樣，13C化學位移的大小，也決定于屏蔽效應，不同的核屏蔽常數不同，故共振頻率不同，化學位移值也

43、不同影響的因素也就是影響的因素，主要有：碳的雜化類型碳核上電子云密度立體效應第88頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(1) 碳的雜化類型 13C化學位移受雜化的影響很大，它的大小、順序與氫譜基本平行。不同雜化的碳原子的順序為： sp310 ppm 100 ppmsp2CCH120 ppm 160 ppmspCCH270 ppm 130 ppmsp2150220 ppm第89頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(2) 碳核上電子云密度 核外電子云密度增大，屏蔽效應增強，值移降低。反之，值增大。誘導效應、共軛效應及碳核上的電子貧富程度等對都有影響。例如

44、：羰基共軛后由于電子云向碳原子端移動，C的電子云密度增大，因此羰基C屏蔽增加，值減小10ppm。 在取代苯中，若供電子基團取代，能使其鄰對位碳的電子云密度增加，對應碳的值減??；而吸電子基團取代，則使其鄰對位碳的電子云密度降低，對應碳的值增加；取代對其間位碳的電子云密度影響不大，故間位碳的化學位移變化較小。第90頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(3) 立體效應 主要是指-鄰位交叉效應，即分子內幾何因素的影響，例如：在環己烷或其類似物中，間隔兩根鍵的碳，可因相近取代基的空間排斥作用，而使其上電子云密度增加，從而向高場(低頻)移動。(4) 其他影響 如氫鍵影響、pH影響、溶

45、劑的影響等基本與氫譜基本相同。 第91頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.5.1.3 化學位移與分子結構 與氫譜類似，各類有機化合物的13C化學位移都有一定的范圍，如圖所示。另外在進行圖譜解析時，也常采用一些經驗的計算方法來預測或驗證結構。 第92頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四14.5.1.4 碳譜的種類 由于13C與直接相連的1H和鄰近的1H可產生1JC-H及2JC-H、3JC-H的偶合，使13C-NMR分裂成多重峰，裂分峰相互交叉，重疊的十分復雜，使圖譜劑很難解析，所以在13C-NMR譜的測定中，常使用一些質子去偶技術，使圖譜簡單，便

46、于解析。(1) 完全去偶譜 (2) 質子偏共振去偶 (3) 選擇氫核去偶譜 (4) 無畸變極化轉移技術 第93頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(1) 完全去偶譜 亦稱質子寬帶去偶譜、噪音去偶譜、全氫去偶(簡稱COM)或13C寬帶去偶(簡稱BBD)。 用一個高動率的能夠覆蓋全部質子共振頻率的去偶射頻場，使樣品中全部氫同時發生共振飽和，從而消除了全部的13C-1H偶合裂分。這種質子去偶的13C譜由一個分辨很好的單峰組成，每個不等價的碳都只出現一個共振峰，稱為質子寬帶去偶譜或完全去偶譜。 質子寬帶去偶譜具有分離度好，強度高的優點，常用于確定分子中不等價碳的數目，以及測定各碳的化學位移值，但是寬帶去偶消除了全部13C-1H偶合，同時也失去了13C-1H關聯的結構信息，因而不能區別伯、仲、叔碳。第94頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四 14 2 3第95頁，共105頁，2022年，5月20日，23點4分，星期四(2) 質子偏共振去偶、偏共振去偶譜(簡稱OFR) 當照射1H核用的電磁輻射偏離所有1H核的共振頻率一定距離時，測得的13C-NMR 譜中將不能完全消除直接相連