核磁共振氢谱解析-课件·PPT

脉冲频率发射器
核磁管
脉冲频率放大器
检测器
扫描发生器
核磁共振光谱仪的简单构造示意图 原理: 扫频--固定 H0，改变υ射，使υ射与H0匹配;
扫场--固定υ射，改变H0，使H0与υ射匹配;
记录仪
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三、化学位移
1.化学位移的产生
在外磁场作用下, 核外电子
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2.核磁共振 如果以射频照射处于外磁场H0 中的核, 且照射频率υ恰好满足下列关系时 hυ= △E 或 υ= ( /2 )B0 处于低能级的核将吸收射频能量而跃迁 至高能级, 这种现象称为核磁共振现象。 由上式可知,一个核的跃迁频率与磁场 强度B0 成正比, 使1H 核发生共振, 由 自旋m = ½取向变成m = -1/2的取向。 应供给△E 的电磁波(射频)。照射频率 与外加磁场强度成正比。
H (3.75) OCH3 C=C
H (3.99)
H
乙烯
H2 C =CH2
(5.28)
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若以乙烯为标准, δ=5.28进行比较, 可知乙烯醚上由于存在 P－π共轭, 氧原子上未共用P电子对向双键方向推移, 使 H 的电子云密度增加, H 的化学位移向高场(右移)δ值减小。 δ=3.57 和3.99; 而在α.β－ 不饱和酮中, 由于存在π－π 共轭。而电负性强的氧原子把电子拉向氧一方, 使 H 的电子 云密度降低, 化学位移移向低场(左移), δ值增大, δ=5.50 , 5.87
四甲基硅烷 Si(CH3)4 （TMS）
规为什定么: 用TTMMSS作=为0 基准?
（1 ） 12个氢处于完全相同的化学环境, 只产生一个吸收峰； （2）屏蔽强烈, 位移最大（0）。与一般有机化合物中的质子峰 不重叠； （3）化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低, 易回收。

3. 影响化学位移的因素：
= d + p + a + s H核外只有s电子，故d 起主要作用， a 和s对也有一定的 作用。
影响化学位移的因素---诱导效应
核外电子云的抗磁性屏蔽是影响质子化学位移的主要因素。
核外电子云密度与邻近原子或基团的电负性大小密切相关， 电负性强的原子或基团吸电子诱导效应大，使得靠近它们的 质子周围电子云密度减小，质子所受到的抗磁性屏蔽（ d）
范德华效应
当两个原子相互靠近时，由于受到范德华力作用， 电子云相互排斥，导致原子核周围的电子云密度降低 ，屏蔽减小，谱线向低场方向移动，这种效应称为范 德华效应。
这种效应与相互影响的两个原子之间的距离密切相关 ，当两个原子相隔 0.17nm（即范德华半径之和）时 ，该作用对化学位移的影响约为 0.5，距离为 0 . 2 0 nm 时 影 响 约 为 0 . 2 ， 当 原 子 间 的 距 离 大 于 0.25nm 时可不再考虑。
共轭效应
在共轭效应中，推电子基使H减小，拉电子基使H增
大。
(+1.43)
H
O CH 3 H
H
(+1.29)
H
(-1.10)
H
H
(-0.59)
H
O
H
(0.00)
H
(-0.21)
H
(-0.81)
相连碳原子的杂化态影响
碳碳单键是碳原子 sp杂化轨道重叠而成的，而碳碳双键和三键分别 是 sp2和 sp杂化轨道形成的。s电子是球形对称的，离碳原子近， 而离氢原子较远。所以杂化轨道中 s成分越多，成键电子越靠近碳 核，而离质子较远，对质子的屏蔽作用较小。
芳烃的各向异 8.9；环内H 在受到高度的屏蔽作 用，故 : -1.8

•
m=I, I-1, I-2, ……-I
• 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
• I=1的核在B0中有三种取向
.
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z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0
与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, .
E -1/2=1B1 0
• 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E, 即各能级的能量为 E=－ZB0
E 1/2= －B0 E-1/2= B0
.
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I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
• 由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能 级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
代入上式得: h I(I1) 2
当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
.
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二、核自旋能级和核磁共振
(一)核自旋能级
• 把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 与磁 场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取向,共 有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示
.
6
• 自旋角动量
– 一些原子核有自旋现象，因而具有自旋角动 量。由于核是带电粒子，故在自旋同时将产 生磁矩。核磁矩与角动量都是矢量，磁矩的 方向可用右手定则确定。

16H2 z 27H0z2.7p 0pm
6M 0 H1z0 M 0Hz
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SKLF
0：60MHz 100MHz 200MHz 400MHz
H0：1.4092T 2.3488T 4.6975T 9.3951T
1ppm= 60Hz 100Hz 200Hz 400Hz
100MHz 10 8 6 4 2 0
＝60 MHz
B0
图4.8 核磁共振的吸收过程;当 v = 吸收发生
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SKLF
共振
噢，我明白了！
当入射射线的振荡电场的频率同原子 核进动产生的电场频率一样时，两个 电场将会发生耦合，能量将会发生转 移，从而引起自旋形状的改动。我们 就说这种原子核入射的电磁射线发生 了共振。
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SKLF
4.5 原子核自旋形状的数量分布
例如，在60MHz的磁场中， CH3Br 的化 学位移为162 Hz ，而在100MHz 中其化学位 H 3C 移为270 Hz.
CH 3 Si CH 3 CH 3
TMS
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SKLF
化学位移( ), 同场强无关的表示方法
(化学位移Hz)
(核磁共振频率MHz) 特定质子的 值通常是一样的，不需求再思索丈量 频率了。
由于地球重力磁场 的影响，顶端沿着 本人轴进动.
当有外加磁场存在 时，原子核开场沿 着本身自旋的轴以 角速度进动 (拉莫 尔频率).
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SKLF
, 同外加磁场的强度成比例；外加磁场强度越大， 进动的速率越大.
• 由于原子核带有电荷，原子核进动将产生同样频率的振 荡电场。
• 假设有一样频率的射线照射进动质子，此时射线的能量 将被吸收.
rohsolvrohsolvsolv45sklf412412磁各向异性磁各向异性环电流74ppm图图421421苯的抗磁的各向异性苯的抗磁的各向异性46sklf422乙炔的抗磁的各向异性乙炔的抗磁的各向异性23ppm47sklfch263155108070051图423由于在一些常见的重键系统中电子的存在致使构成各向异性48sklf图图424424一些实践分子的各向异性效应一些实践分子的各向异性效应49sklf413413n1n1分叉法那么n1法那么每种一样类型的质子的吸收意味着被相邻碳上的化学等价质子n个分裂为n1clchcl395ppm双峰577ppm三重50sklf图图425112425112三氯乙烷的三氯乙烷的1hnmr1hnmr图谱图谱51sklfch3ch2i图426426乙基碘的乙基碘的1hnmr1hnmr图谱图谱52sklf图图4274272硝基丙烷的硝基丙烷的1hnmr1hnmr图谱图谱53sklf自旋自旋裂分给出了一种新型的构造信息它阐明相邻碳上有多少个质子致使产生多重峰

如果有氢与氢的重合现象，特别是在做二维谱时想看 到相关氢的信号，此时可以加少量的氘代苯或氘代乙腈， 它们会对样品分子的不同部位产生不同的屏蔽作用，可以 使原来相互重叠的峰分开。
6）空间因素 比如受空间上某些大基团的影响,或者羰
基,苯环等对该位置的氢有屏蔽或去屏蔽的影 响,范德华力的影响等。
7）氢键的影响
三键,双键,苯环由于磁各项异性都会产生屏蔽区和去屏蔽区,所以 这些也是影响化学位移的重要因素，经常借此因素来区分异构体。单 键也有磁各向异性,所以C3CH>C2CH2>CCH3
4) 共轭作用和诱导作用(对不饱和烷烃影响) 对不饱和烷烃共轭作用和诱导作用要综合考虑。
共轭作用有p-π共轭给电子,π-π共轭吸电子；诱导效 应主要是吸电子效应。
3)磁各向异性 根据S-P杂化原理, 炔烃应该比烯烃更低场,苯环与烯烃相近.但实
际并不然.炔氢相对于烯氢是处于较高场,是因为炔氢处于叁键轴外,当 叁键与外磁场平行时, π电子环电流绕轴运动产生的感应磁场与外加磁 场相反,对质子起强烈的屏蔽作用,这是炔烃的一个很重要的特点.
芳环氢相对烯氢处于较低场，这样的现象是因为芳环π电子也有 环电流的纯在,产生与外磁场方向相同的磁场,对芳环氢有去屏蔽作用. 烯烃也有磁各向异性,但苯环的磁各向异性较强.
单键,三键,双键,苯环由于磁各向异性都会产生屏蔽区和去 屏蔽区,所以这些也是影响饱和烷烃化学位移的因素.(后面 会介绍,详细请看仪器分析化学课本)请结合以上说明通过 下面的列表来查看不同取代基对饱和烷烃的影响。
2)S－P杂化 从sp3（碳碳单键）到sp2（碳碳双键）s 电子的成分从25％增加到33％，键电子 更靠近碳原子，因而对相连的氢原子有 去屏蔽作用，即共振位移移向低场. (芳 环与烯烃比饱和烷烃的化学位：活泼氢的谱图：通常表现为宽峰，有时候也会有 偶合裂分，并受温度的影响化学位移有明显变化。

芳烃的氢谱解析
芳烃的氢谱特征
芳烃的氢谱峰形较复杂，有多个峰，且峰与峰之间的距离较近。
芳烃的氢谱解析要点
根据峰的数量和位置，确定芳烃的类型和碳原子数；根据峰的强度 和形状，确定氢原子的类型和数量。
实例分析
以苯为例，其氢谱有多个峰，分别对应于不同位置上的氢原子。
PART 04
氢谱解析中的常见问题与 解决策略
偶合常数
当两个氢原子之间的距离足够近时， 它们的核磁共振信号会发生偶合，导 致峰分裂成双重峰。偶合常数是衡量 两个氢原子之间距离的指标。
氢谱解析的一般步骤
确定峰的位置和强度
根据核磁共振氢谱中的峰位置和强度，可以推断出分子中氢原子 的类型和数量。
确定氢原子的连接关系
通过分析峰的偶合常数，可以确定氢原子之间的连接关系，从而确 定分子的结构。
峰的简化问题
总结词
峰的简化问题是指某些情况下氢谱峰的数量过多，使得解析变得复杂。
详细描述
在某些情况下，由于分子结构中存在多个等效氢原子，会产生大量的重叠峰。这增加了氢谱解析的难 度。解决策略包括利用分子对称性来简化氢谱，以及利用去偶技术来消除某些峰的干扰，从而使得氢 谱更加简洁明了。
解析中的不确定性问题
多核共振技术
总结词
多核共振技术能够同时研究多个原子核的相 互作用和动态行为，有助于更全面地了解分 子结构和化学反应过程。
详细描述
多核共振技术是一种新兴的技术，它通过同 时研究多个原子核的相互作用和动态行为， 能够提供更全面、更深入的分子结构和化学 反应过程信息。这一技术的应用，将有助于 推动化学、生物学、物理学等领域的发展， 为解决复杂体系的研究提供新的手段。
2023-2026
ONE

在解析糖类的氢谱时，需要注意 区分不同糖环类型的影响，以便 准确推断出糖类分子的结构特征 。
由于糖类分子结构的复杂性，其 氢谱信号可能会出现重叠现象， 需要仔细解析以获得准确的结论 。
05
氢谱解析的挑战与展望
复杂样品与混合物的解析
挑战
复杂样品和混合物中的多种成分可能 导致谱线重叠和干扰，增加了氢谱解 析的难度。
峰面积
表示某一峰的强度或高 度，通常与产生该峰的
质子数成正比。
积分线
对谱线进行积分，得到 积分线，可以用于定量
分析。
校正因子
由于不同化学环境对质 子自旋耦合的影响，需 要引入校正因子来准确
计算质子数。
03
氢谱解析实践
简单分子的氢谱解析
总结词
掌握基础解析方法
01
总结词
熟悉常见峰型
03
总结词
注意杂质的干扰
解决方案
采用先进的谱图解析技术和化学位移 差异法，结合分子结构和物理状态信 息，对重叠的谱线进行分离和鉴别。
高磁场下的氢谱解析
挑战
高磁场条件下，氢谱的分辨率和灵敏度得到提高，但同时也带来了谱线复杂化 和解析难度增加的问题。
解决方案
利用高磁场下的多量子跃迁和异核耦合等效应，结合计算机模拟和量子化学计 算，对高磁场下的氢谱进行解析。
氢谱解析技巧与注意事项
总结词
重视峰的归属与确认
总结词
在复杂氢谱中，应注意分辨和区分重 叠的峰，运用适当的技巧和方法进行 解析。
详细描述
在解析氢谱时，应重视每个峰的归属 与确认，确保解析结果的准确性。
详细描述
注意峰的重叠与分辨
04
氢谱解析案例分析
案例一：醇类的氢谱解析

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高能级与低能级的能量差△E应由下式定:
△E= E (-1/2)- E (+1/2) =(h/2)B0
式中: B0 外加磁场强度
磁矩与外加磁场相反 高能自旋取向
E2 = (+1/2)(h/2)B0 m = +1/2
磁距与外加磁场一致 低能自旋取向 E1 = (-1/2)(h/2)B0 m = -1/2
即：hυ射= γhH0/2π
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3. 弛豫过程
高能态的核自旋经过外辐射途径把多余的能量给予 环境或其它低能态的核，这个过程称为“弛豫”
前者称为纵向弛豫，也称“自旋--晶格子弛豫” T1 后者称为横向弛豫，也称“自旋---自旋弛豫” T2
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自旋-晶格弛豫 （spin-lattice Relaxation）
• 晶格泛指环境，即高能态自旋核把能量传给周围环境 （同类分子、溶剂小分子、固体晶格等）转变为热运 动而本身回到低能态维持Boltzmann分布。
• 自旋-晶格弛豫过程的半衰期用T1表示 （T1与样品状 态及核的种类、温度有关）,液体T1～1s，固体或粘度 大的液体T1 很大。
• 自旋-晶格弛豫又称纵向弛豫。
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二、核磁共振仪
NMR波谱仪按照磁体分类，可分为：永久磁体，电 磁体和超导磁体。 按照射频频率(1H的共振频率)分类，可分为：60， 80，90，100，200，300，400，500，600，700， 900 MHz等。 按照射频源分类，又可以分为：连续波波谱仪(CWNMR)和傅里叶变换波谱仪(PFT-NMR)。
H+
H+
H+
自旋
H+
β
能量较高 ΔE
H+
H+

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1、诱导效应（取代基电负性） 由于电负性，取代基电负性越强，与取代基
连结于同一碳原子上的氢的共振峰越移向低场， 反之亦然。
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2、相连碳原子的s-p杂化(hybridization) 与氢相连的碳原子s成分增加，键电子更
靠近碳原子，因而对相连氢原子有去屏蔽作用， 即共振位置移向低场。
单从这一点考虑的话，化学位移顺序： sp3 < sp2 < sp
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Cotton原子轨道能级图
原 子 顺 磁 性 的 判 断
12ห้องสมุดไป่ตู้
2、化学位移(Chemical shift) d
核所处的化学环境不同，则s不同，出峰 位置也不同。因s总是远远小于1，所以峰的 位置不易精确测定。故在实验中采用某一标准 物质为基准，一般以基准物的峰为核磁图的原点。 不同官能团的原子核谱峰位置相对于原点的距离， 反映了它们所处的化学环境，称为化学位移。
（3）TMS的沸点仅为27 oC，很易于从除去， 便于样品回收。
（4）TMS与样品之间不会发生分子缔合。
一般，在氢谱或碳谱中都规定dTMS = 0。
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§3.3 影响化学位移的因素
一、影响化学位移的因素 基本原则：若结构上的变化或介质的影响
使氢核外电子云密度降低，将使谱峰的位置移 向低场(谱图的左方)，这称作去屏蔽(deshielding) 作用；反之，屏蔽作用则使峰的位置移向高场。
产生电场，这将影响分子内其余部分的电子云 密度，从而影响其它核的屏蔽常数。
b、当所研究的氢核和邻近的原子间距小于 范德华半径之和时，氢核外电子被排斥，共振 移向低场。
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27
（6）浓度、温度、溶剂对d值的影响
a、浓度：活泼氢(OH、NH、SH)，由于 分子间氢键的存在，浓度增大，缔合程度增大，

d峰为 0.6 1H 0.6
二、核磁共振氢谱的解析方法
（一）解析顺序 1．首先检查内标物的峰位是否准确，底线是否平坦，
溶剂中残存的 1H 信号是否出现在预定的位置。 2．根据已知分子式，算出不饱和度U。 3．根据氢谱的积分曲线计算出各个信号对应的 H
数即氢分布。
4．先解析孤立甲基峰，例如，CH3－O－ 、CH3－N －及CH3－Ar等均为单峰。
(b)
图14-9 C9H9Br02 1H-NMR谱
(a) (b)
解析：（1）计算不饱和度
U 2 2 9 10 5 2
（2）推测结构式
由紫外光谱得知有 B 带和 R 带，说明 2个结 构式中均含有苯环和羰基。又由红外光谱得知化合物 (a)在指纹区位于840cm-1处有一吸收带，可以推测可 能为对取代苯；化合物(b)在指纹区800cm-1，890cm-1 左右有两个吸收峰，可能为间取代苯。
2．氢分布
a: 6H(1.8cm) b: 1H(0.3cm) c: 2H(0.6cm) d: 2H(0.6cm) e: 2H(0.6cm)
可能有苯环
3. 推断
a: 二重峰（6个H） 可能为
CH3 CH
CH3
b: 七重峰（1个H）
CH3 CH
CH3
可能为
c: (2H) 单峰
C9H13N C6H4 --) C3H7
3.51 单峰
2
3.60 单峰
3
7.20 单峰
5
可能结构式为：
可能基团 CH2 CH3
相邻基团
O CH2 C
O CH3
O CH2 C O CH3
(1) O
CH2 O C CH3
(2)
O O CH2 C CH3

环境，从而确定有机化合物的分子结构。
确定碳原子的类型和连接方式
02
结合氢谱图和碳谱图，可以推断出碳原子的类型和连接方式，
进一步确定有机化合物的骨架结构。
判断手性分子构型
03
通过氢谱图可以确定手性分子的构型，对于不对称合成和手性
识别具有重要意义。
蛋白质结构的解析
确定氨基酸序列
通过氢谱图结合其他谱图，可以解析蛋白质的一级结构，即氨基 酸的排列顺序。
误差控制
采取适当的措施，控制实 验误差，提高实验结果的 准确性。
安全注意事项
了解氢谱图实验的安全风 险，如高磁场、射频辐射 等，注意安全操作规程。
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峰的耦合
在某些情况下，氢原子之间可能存在耦合作用。这种耦合作用可能导致相邻氢原子的共振频率发生改变。通过对 耦合现象的分析，可以获得关于分子中氢原子耦合作用的信息。
CHAPTER 04
氢谱图的应用
有机化合物结构的鉴定
确定氢原子的类型和数目
01
通过氢谱图，可以清晰地显示出不同类型氢原子的数目和化学
确定蛋白质三级结构
通过氢谱图分析蛋白质分子内部氢原子的相互作用和运动，有助于 解析蛋白质的三级结构。
研究蛋白质相互作用
氢谱图可以用来研究蛋白质之间的相互作用，如配体与受体之间的 结合方式以及结合常数等。
药物分子的结构研究
确定药物分子的化学结构
氢谱图是研究药物分子化学结构的重要手段之一，可以确定药物 分子中氢原子的类型和数目以及它们的连接方式。
峰的对称性
峰的对称性反映了氢原子在分子中的构型或构象。某些分子可能具有多个构型或 构象，这些构型或构象可以通过氢谱的峰对称性来区分。通过对峰对称性的分析 ，可以获得关于分子构型或构象的信息。