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1、核磁共振核磁共振(NMR)波波谱学原理及其应用谱学原理及其应用第一 1.1 回顾: NMR现象发现于1945年，发展迅速，已成为当代研究物质结构最有力的工具。1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几乎同时观测了石蜡中质子的信号， 1952年获诺贝尔物理奖。1951年发现化学位移现象。1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技术可用来研究分子结构。1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。1965年提出快速FT变换方法。1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采集由频率域时域，使信号累加变得容易，大大提高NMR灵敏度，13C核的测量成为可能
2、，这是一次革命。利用不同的脉冲组合来加工核自旋体系的信息，获得特定的分子结构信息：驰豫时间，共振峰的分类（DEPT，1NEPT）1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验，NMR进入全新时代。R.R.Ernst本人获诺贝尔化学奖。1.2 仪器的基本构造Data processingrf consoleTransmitterReceiverMagnetSample tubeProbe 020406080100120140PPMrf pulseB0Sample tubeinside coil FTSpectrumFIDYearDeve
3、lopmentNature1970 FT NMRInstrumental1975 Superconducting magnetsInstrumental1980 2D NMRMethodological1985 Protein structure determinationMethodological1990 Isotope labeling/multidimensional NMRMethodological1990 Pulsed field gradientsInstrumental/ Methodological1995 NMR screeningMethodological1997 T
4、ROSYMethodological1998 LC-NMR/LCMS-NMRInstrumental2000 CryoprobesInstrumentalpeakE0 B0nodetroughEBt0 if abscissa scale is time if abscissa scale is lengthElectromagnetic wave with electric vector E and magnetic vector B RadiationCosmic rays3x10201.2x108Gamma rays10-1-10-33x1018-3X10201.2x106-1.2x108
5、X-rays10-10-13x1016-3x10181.2x104-1.2x106Far ultraviolet200-101.5x1015-3x10166x102-1.2x104ultraviolet380-2008x1014-1.5x10153.2x102-6x102visible780-3804x1014-8x10141.6x102-3.2x102Infrared3x104-7801013-4x10144-1.6x102Far infrared3x105-3x1041012-10130.4-4Microwaves3x107-3x1051010-10124x10-3-0.4Radio fr
6、equency1011-3x107106-10104x10-7-4x10-3波实际上是由二个正交(互相垂直)的彼此完全相同的波组成的。其中一个描述辐射的电场矢量(E)，在一个平面内振荡，而另一个波描述磁场矢量(B)，在垂直于电场的平面内振荡。波可用二个独立的量，波长()和最大振幅(图中的E0和B0)来表征。电磁辐射以固定的速度传播，可用频率来描述波，频率是相邻两个波之间的距离t0 的倒数。 t0的单位是秒， 的单位赫兹(Hz)1to 在t0时间内，电磁波传播的距离为。 C= t0 对某一特定的波，其波长和频率不是二个互为独立的量，而是互为反比例的关系。高频辐射具有短的波长，而低频辐射则具有长的
7、波长。 尔格秒对NMR的目的来说，我们特别感兴趣的是射频辐射(rf)，其频率范围与收音机和电视机的接收频率相同。通常采用频率为200-750MHz的波段。表中能量标尺的低能端，恰好是我们实现NMR实验所需要的能量。2.1 原子核的结构化合物是由分子组成， 分子本身是原子的聚集体。每一个原子都有若干带负电荷的电子。电子围绕一个体积极小的带正电荷的原子核运动。99.9%以上的原子的质量都集中在原子核上，核只占原子体积的1/1012。2.1.1 原子核的组成原子核是由原子和中子组成的。原子核中质子的数目(Z代表原子序数)，决定原子的特征及其核电荷。在元素周期表中，每一个元素的原子序数表示在化学符号的
8、右边，左上角的角码是同位素的质量数(A)，它是Z和N的整数和。 A=Z+N2.1.2 核自旋质子是一种转动着的带电荷的粒子(Z=1)，故有磁矩。磁矩只有两种可能的取向，在无外磁场时，这两种取向的能量是简并的，习惯上采用核自旋量子数m来表征。如对一个质子， m=+或-。把这种核描述为1/2的核自旋(I)。核电荷带正电，故核磁矩沿磁场方向(m=+)排列的核，其能量最低。B0m=+m=-中子不带电，也有磁矩，并且自旋I=。在磁场中，它也有两种取向，对中子来说，由于取负值，故稳定的方向对应于m=-。原子序数Z质量数I实例偶偶0 6C 8O 16S奇奇偶奇 6C 5B I=/奇偶整数半整数214核自旋为
9、零的核，其I=0，因此不能用NMR来检测。2.1.3 核自旋的多重度核I多重度m值11B3/24-3/2,-,3/212C01014N13-1,0,117O5/26-5/2,-3/2,-,+3/2,+5/231P1/22-,P B02.1.4 核的角动量和磁矩根据经典图象，原子核取球形，绕自己的轴转动。因此，许多原子核具有内禀角动量P P= I(I+1) =h/2，hplanck常数I为角动量量子数，简称核自旋， I=0，2/3，2核1H2H10B11B12C13C14N15N16O17Ospin1/2133/201/211/205/2 P与之相对应的磁矩，有如下关系式： =P 是比例常数，称
10、磁旋比 = I(I+1) I=0, =0 观测不到NMR信号 对大多数的原子核与P同向 少数情况下如15N，29Si， 与P反向2.1.5 在静磁场中原子核的行为 方向量子化 一个I0原子核，置于静磁场B0中，P方向量子化，如图所示：m=+m=-PZ=PZ=-m=+1m=0m=-1PZ=PZ=0PZ=-PZ=m m磁量子数，或称方向量子数 取mI， I， I中任何一个数值，共有(2I+1)个不同的m值。 对13C，1H核 I=，mZ=+， mZ=-； 对2H，14N核 I=1， mZ=+1，-1。 方向量子化Z=m m=+ ( )m=- ( )z, BO 自旋为自旋为的核在磁场中的两个进动锥体
11、的核在磁场中的两个进动锥体经典表示法，核偶极子绕轴（与静磁场方向一致）进动。它的行为如同陀螺一样，进动频率（或称Larmor频率）L正比与静磁场强度B0。 L= 对于进动着的核，核偶极子进动的角度只能取某一确定的数值，如I=的质子，角度是54。44。 2B0 当一磁性核质子置于磁场B0中时，磁矩与B0相互作用，其作用能E有E=- B0=-ZB0 对具有(2I+1)个可能取向的原子核，有(2I+1)个能级又称为核塞曼(Zeeman)能级E=-m B0m=- ( )E =+ B0m=-1m=+ ( )E =- B0m=+1E-1= B0m=0E+1=- B0E0=0E0I=1H, 13CI=12H
12、, 14N对于1H和13C，I=，有两个能级； 对于2H和14N，I=1，有三个能级，如上图所示 E E2EB0B1B2m=+ ( )m=- ( )0两个相邻能级的能级差为E= B0 所以E正比于BO2.17 能级的布居数(population) 在宏观的样品中，在热平衡时，在不同的能级中，磁性核是如何分布的呢？这可用Boltzmann来回答 式中N代表上能级的粒子数， N代表较低能级的粒子数， K波尔兹曼常数，T绝对温度。N N =e- E/K T 1- EK T1-=K T B0例：温度25（298K），磁场强度为5.87T时，求出1H核在上下能级各占多少？ 解：利用方程式 只有两个自旋态
13、N (m=- ) 1-N (m=+ ) 故N (m=- )=0.49999和N (m=+ )=0.50001N (m=- )N (m=+ )=exp EKT=exp1.66x10-25J1.38x10-23JK-1 298K=0.999961H的两个自旋态布居数相差极其微小的，相差的数量级为20ppm，对其它原子核，相差更小。与其它技术，如IR和UV光谱相比，是造成NMR灵敏度相对较低的原因。z, BO m=+m=-N N M02.18 宏观磁化强度从经典图象出发，I=，如1H，13C，位于双锥面上的核绕静磁场Z进动。将样品中所有的核磁矩的Z分量相加得（沿磁场方向）宏观磁化强度M0。在脉冲NM
14、R实验中，M0起着重要的作用。第三章 NMR实验的基本原理3.1 共振条件 以氯仿(CHCl3)溶液中质子(1H)为例。 在磁场中， 1H的能级图如下所示E-=+ B0E+=- B0EBB00 E= 1质子在静磁场中的能级差质子在静磁场中的能级差 当频率1满足1=E时，能级间发生跃迁， E=E-E+=B0+B0= B0 1= B0 L=1= B0 即当射频场的频率与核磁场中的拉摩尔进动频率匹配时，这时发生共振。低能级的磁性核吸收一个辐射量子跃迁至较高能级；同时，位于高能级的核释放出能量回到低能级。每次跃迁都伴随着自旋方向的变化。 2 跃迁选择规律：m=1 称为单量子跃迁，即在相邻的两个能级之间
15、跃迁。BEB00m=-1m=+1m=0E-1= B0E0=0E+1=- B014N(I=1)在静磁场中的能级差在静磁场中的能级差1H和13C在不同静磁场中的共振频率B0T共振频率 MHz1H13C1.416015.11.888020.12.119022.632.3510025.154.7020050.35.6725062.97.0530076.49.40400100.611.74500125.714.09600150.9脉冲傅立叶变换NMR方法1.脉冲傅立叶变换方法，其主要目的是提高核磁共振仪的灵敏度，实验时间短，便于进行信息的加工。2.用射频脉冲激励与傅立叶变换。在脉冲方法中，样品中所有的质
16、子(或者所有的13C核)都同时被射频脉冲所激发，现在要问，这种脉冲的组成即如何产生的？一个有一定宽度(tp)的射频方形脉冲的频谱中包含全部频率成分。但是各频率分量的幅度不均匀，射频频率f1最强，然后在f1两边幅度逐渐衰减，它的频谱是连续的tpf1f单个射频的脉冲单个射频的脉冲tp选的足够小，在f1附近获得较均匀的频谱。tp10s，可获得最大FID信号。3.3 驰豫核自旋系统由于受外界作用离开平衡状态以后能够自动地向平衡状态恢复，这个过程称为驰豫过程。引入两个参数T1和T2，T1是描述自旋与晶格(周围介质)相互作用，因此称为自旋-晶格驰豫时间；T2描述自旋-自旋相互作用，因此称为自旋-自旋驰豫(
17、或横向驰豫)时间。它们可以用来研究物质相互作用的性质。脉冲脉冲核自旋系数FT激励响应FID波谱脉冲激励的系统脉冲激励的系统可用各种脉冲研究分子中各种基团单独的驰豫时间，从而提供了分子动力学的信息，可了解分子中各基团的排列，相互作用的强弱，已成为NMR中必不可少的参数。3.4 化学位移及其表示法3.4.1 化学位移的定义 根据NMR共振条件L= B0 当施加静(外)磁场B时，B可诱导分子中的电子产生一个附加的的磁场B， B的方向可于外静场方向相同或相反，而B的大小与外磁场B成正比，故与磁矩相互作用总的有效磁场为: Beff=(1-)H 称为屏蔽常数，与磁性和所处的化学环境有关，而与外磁场无关。
18、2 这时核磁共振的条件应写为 = (1-)B0一般0，|1。是描述孤立原子核性质的常数。与化合物的结构和性质有关，对处在不同环境中的同一种原子核，它的值是不同的。可见分子或原子中的磁性核由于屏蔽效应，使其NMR频率偏离于裸体核的NMR频率，此称为化学位移。 23.4.2 化学位移的表示方法 在实际中，把化学位移写成不依赖于磁场或频率的相对数值的形式。定义化学位移是相对于某个标准物质进行测量的： = 单位是ppm，值与仪器条件无关。实验中所用标准样品应当是稳定的，它的化学位移不依赖温度和浓度。对质子和13C来说，常用的标准物质是TMS(四甲基硅烷)。它的谱线出现在场强最高区。设它的共振点为零。B
19、测-B标B标x1063.4.3 样品处理样品分析前，必须精制充分，不应含有铁和其它杂质。黏度不要过高（影响驰豫时间），黏度越大，分辨率越差，样品可适度稀释来提高分辨率。3.4.4 溶剂1.对样品要有足够的溶解度： 对1H谱一般需要5mg， 13C 谱最好用1015 mg。2.与样品不发生化学反应。3.溶剂的吸收峰对样品信号没有干扰。3.4.5 标准物质 目前最常用的标准物质是TMS(CH3)4Si。在大部分有机溶剂中有很好的溶解度。TMS为球形分子，所有质子的化学环境相同。TMS信号一般位于核磁共振图谱最高场区(右侧)的单峰。TMS的化学位移被规定为0.00，其它有机物质的共振峰大多在此峰的左
20、边(即为正值)。另外TMS的沸点为27，测试后很容易除去。SiCH3H3CCH3CH3SiCH3H3CCH3SO3-Na+TMSDDS9876543210ppm0.0000.9280.9460.9651.3751.3941.9021.9211.9404.0264.3144.3324.3507.6477.7048.8774.2519.7213.2314.100.5032.5710.305.33H1 solvent:aectone C4mimPF6 2004.12.13 T1X=0.05 good140130120110100908070605040302010ppm13.6119.9129.49
21、29.6829.8730.0630.2632.6436.5350.20123.33124.70137.31C13 solvent:aectone C4mimPF6 2004.12.13 T1X=0.05第四章 影响化学位移的因素与各类氢核的化学位移4.1 化学位移与结构的关系4.1.1 电子效应a.诱导效应 分子中某一氢核的化学位移与该核外层的电子云密度有很大的关系，电子云密度越大，所产生的感应磁场越大，核的实受磁场越弱，即受到的屏蔽作用越大。通常把电负性引起的去屏蔽作用叫做诱导效应。卤甲烷CH3I2.16CH3Br2.68CH3Cl3.05CH3F4.26电负性递增去屏蔽递增b. 共轭效应
22、氧、氮等杂原子可于双键、苯环进行p共轭，故在连有这些杂原子的共轭体系中，要同时考虑由于电负性和共轭效应所引起的电子云密度分布的变化。例如：下列化合物氢核的化学位移与共轭体系的电子云转移方向呈有规律的相关性。5.59OO6.488.05OOMeOOHMeO6.607.957.05O4.436.614.1.2 邻近基团的磁各向异性 大量资料表明，某些化学键和基团呈现各向异性，它们可对不同空间位置上的质子施加不同的影响，即它们的屏蔽作用是有方向性的。a.芳环 苯环上六个sp2杂化碳原子共平面，六个轨道则可两面交盖形成大共轭体系。此大共轭体系可在外加磁场的作用下产生抗磁环流（见下图）。HHx+苯环的屏
23、蔽作用在苯环的外周区域感应磁场的方向与外加磁场的方向相同（顺磁屏蔽），苯环质子正好位于去屏蔽区，实受磁场强度为外加磁场和感应磁场之和，这些质子可在较低的磁场下发生共振（故此区域标以“-”号），其值比较大。在苯环上下方感应磁场与外加磁场相反（抗磁屏蔽），位于苯环上下方的质子的实受磁场为外加磁场与感应磁场的差，这些质子必须在较高的磁场下才能发生核磁共振（故此区域标以“+”号），其值比较小，甚至是负值。十八轮烯烯质子:7.97.0HHHHHHHHHHHHHHHHHH9.28-2.9HHHH-1.20.90.9共轭体系的化合物和苯环的情况类似。如十八轮烯，外质子的化学位移为9.28，而环内质子为-2.
24、9。CO+b. 双键CC+双键的磁各向异性羰基和碳碳双键与苯环相似。在其平面上下方均有一个锥形屏蔽区（用“”号表示的区域），其它区域为去屏蔽区（用“”号表示的区域）。CCRH+叁键a和单键b的磁各向异性abc. 叁键和单键CC+叁键互相垂直的两个轨道电子可以绕键产生环电流，在外加磁场作用下可以产生与叁键平行但方向与外加磁场相反的感应磁场，即叁键两端位于屏蔽区，叁键的上下为去屏蔽区。单键也有各向异性，其方向与双键相似。HHHH+单键的磁各向异性对直立和平伏氢的影响在比较具有六元环结构的甾体和萜类成分的氢谱时发现，直立键上质子的化学位移一般要比平伏键小0.050.8。这种差别实际就是由单键的各向异
25、性作用引起的。d. 氢键氢键的形成往往使该质子信号向低场移动，这是因为氢键的缔合作用减少了质子周围的电子云密度。缔合又可分为分子内缔合和分子间缔合。前一种缔合与浓度几乎无关；后者取决与浓度的高低，浓度愈高，缔合愈甚。故在实验操作上可采用稀释法区分分子内和分子间缔合。e. 溶剂效应实验证明，同一个样品在不同溶剂中测定的核磁共振谱图会有所差异，这是因为有些溶剂如苯、吡啶等本身存在亲核或亲电子中心，可与样品形成“瞬间复合物”，改变了有关质子的实际存在状态，从而使其化学位移有所漂移。4.2 各类氢核的化学位移4.2.1 sp3杂化碳上的氢sp3杂化碳上的氢，即饱和烷烃(基)中的氢的化学位移一般在02之
26、间，且大致按环丙烷CH3 CH2 05.3 多重峰(1) AX自旋体系 I=，如H13CO2-。(2) 二个不等性核(I=)(AMX)的偶合 JAMJAX0。JA XJA XJA MMMXXXXMMSpin-spin coupling in an AMX spin systemJA XJA XJA X(3) 与二个等性核()AX2的偶合JA XJA XJA X(4) 与三个等性核()AX3的偶合m1m2m3-JAXmi+-/JAX+-+-+-JAX-+-+-+JAX-+-+/JAXSpin-spin coupling in an AX3 spin system11112113311464115
27、10105116152015610123-1-2-3AA XA X2A X3A X4A X5A X6(V -VA)/JA X(5) 与n个等性核()AXn的偶合VAVAVXVXVX-1+10(a)(b)(c)(6)核的偶合例1:14NH(I=1)HBHBHHHHbridge protons300MHz500MHzterminal protons例2:11B(I=3/2)5.4 等性核CCHHFFCHHFF5.5 长程偶合跨越四根键及更远的偶合称为长程偶合， 偶合常数一般小于1Hz。但是， 对于连结偶合核的键在空间中呈固定 W 构型的分子。 HHHHHHHHOOHH在 W 构型中， 偶合常数3J
28、(H，H)为正号。非刚性分子如丙烷及其衍生物， 4J(H，H)值小于0.5Hz ， 并且只有在高分辨的条件下才能观察到。烯丙基化合物中质子之间的四键偶合强烈地依赖于CH键与双键轨道的轴之间的角度. 烯丙基偶合的符号均为“”。 = 0 : 最大（- 3Hz） = 90: 最小（- 0.5Hz）五键或大于五键的偶合只有在很少数的情况下才五键或大于五键的偶合只有在很少数的情况下才能观测到。能观测到。 如不饱和化合物萘如不饱和化合物萘， 苯甲醛和在和在allenes及alkynes。对于对于home-allylic proton pair 来说，来说， 常常发现非常常发现非常大的偶合常数，常大的偶合常
29、数， 在不饱和五元杂环中，在不饱和五元杂环中， 观测到观测到相隔四根单键和一个双键的偶合相隔四根单键和一个双键的偶合5J 。 HH0.8HzHOH0.4HzCCCH3CH3CHH3.0HzH2CCCHCH2CH32.6HzXHHHX=O, HNup to 0.7Hz第六章 13CNMR谱谱 有机化合物中，有机化合物中， 13C化学位移的范围比化学位移的范围比1H要大得多，要大得多， = 0200ppm之间，之间， 因此，因此， 13C谱线的分辨相当谱线的分辨相当好。好。 13C谱在研究有机分子结构方面比谱在研究有机分子结构方面比1HNMR重重要得多。要得多。 对于分子中的每一个碳来说，对于分子
30、中的每一个碳来说， 经常只给经常只给出相应的一条谱峰。出相应的一条谱峰。6.1 烷烃和环烷烃烷烃和环烷烃 以甲基环己烷为例，以甲基环己烷为例， 氢谱氢谱0.82ppm ， 分辨分辨 不好且呈宽峰不好且呈宽峰 。 碳谱碳谱=5060ppm ， 分辨良分辨良 好好。HH3CHHHHHHHHHH123456烷烃: 在烷烃中， 某个13C核的化学位移依赖于位于和位置邻近碳的数目， 同时依赖于碳链分枝程度， 在表中列出某些烷烃的13C化学位移值。化合物(C1)(C2)CH4-2.3CH3-CH36.5CH2(CH3)216.116.3(CH3-CH2)213.124.9CH(CH3)324.623.3C
31、(CH3)427.431.4 烷烃的13C化学位移 取代基明显地影响着化学位移。 如表所示， 以丙烷的衍生物为例: H原子被CH3取代和-13C核的屏蔽分别降低8.8和8.6ppm 。 而与之相反， -13C核屏蔽增加大约3ppm， (分别称之为-，-和-效应)。效应随取代基电负性的增加而增加， F使13C核的化学位移增加70ppm ， CI ， Br表现出类似的电负性关系， I则为例外。X(C)(C)(C)H16.116.3CH324.924.9NH344.627.4NO277.421.2F85.223.6Br35.426.1I9.026.8丙烷衍生物的丙烷衍生物的13C化学位移化学位移 化
32、合物 Cyclopropane-2.8Cyelobutane22.4Cyclopentane25.8Cyclohexane27.0Cycloheptane28.7环烷烃的环烷烃的13C化学位移化学位移 6.2 烯烃烯烃双键碳核的13C共振， 其值在100-150ppm之间， 表中列出乙烯衍生物13C化学位移值。 对于烷基取代的乙烯， 连有取代基的烯烃13C核， 其屏蔽 (= 120至140) 低于端基碳 (=105至120)。(C1)(C2)(C3)H2C1=C2H2123.5H3C3C1H=C2H2133.4115.919.9H3CCH=CHCH3(cis)124.211.4H3CCH=CH
33、CH3(trans)125.416.8(H3C)2C=CH2141.8111.324.2Cyclohex-I-ene127.425.4(C4: 23.0)直链烯烃的直链烯烃的13C化学位移化学位移 X(C1)(C2)-H123.5123.5-CH3133.4115.9-CH=CH2137.2116.6-C6H5137.0113.2-F148.289.0-Cl125.9117.2-Br115.6122.1-I85.2130.3-OCH3153.284.1-OCOCH3141.796.4-NO2145.7122.4CN108.2137.5单取代乙烯的单取代乙烯的13C化学位移化学位移 6.3 芳烃
34、(苯， 烷基苯， 稠环芳烃)苯， 烷基苯取代， 稠环芳烃，轮烯， 其13C信号的值， 大约在120至140之间， 下面列举一些常见的芳烃化合物。128.5127.7125.6133.3126.2128.1125.3131.8126.6128.3126.3126.3122.4131.9130.119.6136.4129.9126.116.9132.3X(C1)(C2)(C3)(C4)-H128.5-CH3137.7129.2128.4125.4-COOH130.6130.1128.4133.7-F163.3115.5131.1124.1-OH155.4115.7129.9121.1-NH2146
35、.7115.1129.3118.5-NO2148.4123.6129.4134.6-I94.4137.4131.1127.4单取代基苯环的单取代基苯环的13C化学位移化学位移 6.4 烯丙基在烯丙基中， 中心碳核的屏蔽特别低C2 : = 212.6. 在烯丙基衍生物中也观察到类似的效应， 其中心碳原子核的值介于195和215ppm之间， 因此 两端13C核其屏蔽大于烯烃的碳原子核。 屏蔽值受取代基的影响。 当四个氢原子全部被OCH3取代， 化学位移之间的关系则相反。CCCHHHH212.673.56.5 C=O和-OH化合物 Carbonyl 基(酮基和醛基)和-OH基及其衍生物的13C化学位
36、移位于=160220ppm. 在大多数情况下， 这些都是季碳原子， 一般信号强度特别低， 这是因为这些季碳有长的Spinlattice弛豫时间 T1. 这些功能团中， 低的13C屏蔽主要是来自顺磁屏蔽项。化合物化合物(C1)(C2)(C3)(C4)H3C2-C1HO200.531.2H3C-CH2-CHO202.736.75.2(CH3)2CH-CHO204.641.115.5(CH3)3C-CHO205.642.423.4H2C=CH-CHO193.3136.0136.4C6H5-CHO191.0CH3C2OC1H330.7206.7C4H3C3H2C2-OC1H327.5206.335.2
37、7.0(CH3)2CHCOCH327.5212.541.618.2(CH3)3CCOCH324.5212.844.326.5(CH3)3CC3OC2(CH3)328.645.6218.0Ph-CO-Ph195.2Cl3C1C2OCCl390.2175.5H2C1=C2H-C3CH3128.0137.1197.525.7 醛和酮的醛和酮的13C化学位移化学位移 2.3.6.2 羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物在一元羧酸中， 羧基13C的屏蔽大于在酮和醛类中羰基13C的屏蔽， 其化学位移=160-180ppm 。 在碱性溶液中， 酸变为羧基离子， 会引起羧基13C核屏蔽降低， 同样也会引起位于、和位置
38、上碳核屏蔽降低， 另一方面， 酰胺(amide)， 酰基卤化物， 醚和酐在所有情况下， 其屏蔽都大于母体酸。若醋酸中CH3 基氢被甲基 (CH3) 取代， 则羧基13C信号出现在低场， 即值较高 。化合物化合物（C1）（C2）C2H3C1OOH176.920.8(pD 1.5)a)CH3COO182.624.5(pD 8)a)CH3CON(CH3)2170.421.5CH3:35 and 38.0CH3COCl170.433.6CH3COOCH3171.320.6OCH3: 51.5CH3COOCH=CH2167.920.5=CH: 141.5=CH2: 97.5(CH3CO)2O167.42
39、1.8CH3COSH194.532.6醋酸衍生物的醋酸衍生物的13C化学位移化学位移 化合物化合物（C1）（C2）（C3）H-C2H2C1OOH175.720.3C3H3-C2H2-C1OOH179.827.69.0(CH3)2CH-COOH184.134.118.1(CH3)3C-COOH185.938.727.1H2N-CH2-COOH(D2O)pD 0.45171.241.5pD 12.05182.746.0HO-CH2-COOH(D2O)177.260.4ClCH2-COOH173.740.7Cl3C-COOH167.088.9H2C3=C2H-C1OOH168.9129.2130.8
40、C6H5-COOH168.0取代醋酸的取代醋酸的13C化学位移化学位移 7.1 碳原子级数的确定碳原子级数(CH3,CH2,CH,C)就是碳原子上连氢原子的数目，即碳谱线的多重性，测定的方法有：APT法(attached proton test) 又称丁调制法；INEPT法(insensitive nuclei enhanced by polasization transfer)不灵敏核的极化转移增强；DEPT法(distortionless enhancement by polasization transfer)不失真地极化转移增强。不失真指相位不失真。目前DEPT法被普遍采用。90 x9
41、0 xbroadbanddecouplingv1(13C)v2(1H)180180 x=1/(2J)=1/(2J)=1/(2J)y Pictorial depiction of the DEPT pulse sequence CH,CH2,CH3信号强度依赖于。CH：I=r(1H)/r(13C)sinCH2：I=r(1H)/r(13C)sinCH3：I=3r(1H)/4r(13C)(sin+sin31971年比利时科学家J.J.Jeener首次提出二维谱的思路。1974年-1975年，R.R.Ernst对二维核磁共振波谱从理论到实验进行了仔细的研究。1976年， R.R.Ernst用密度算符对
42、2DNMR原理进行了理论阐述。1976年以后，2DNMR技术得到了非常迅速的发展。1979年，2DNMR技术应用与蛋白质的研究，2D NMR技术已经成为研究复杂有机化合物和生物大分子不可缺少的工具。二维NMR所包含的信息往往从常规一维NMR实验汇总不能得到，如2DNMR可以检测多量子跃迁（零、双、叁等），这在任何一维NMR实验中是无法实现的。2DNMR引进第二个频率域，大大增加了NMR谱所包含的信息量。 所有的2DNMR实验在时间区域上都可分为四个时期，即准备期、演化期、混合期（也可以没有）和检测期。一维：s(t1) s(F1)二维：s(t1,t2) s(F1,F2)FTFTt1tmt2t1t
43、mt2准备期准备期演化期演化期混合期混合期检测期检测期准备期：主要任务使核处于热平衡状态或者在一次采样之后使自旋恢复到平衡状态。演化期：准备期建立起来的平衡态破坏之后核自旋在旋转坐标XY平面发生进动检测期（t2）：在检测期内以通常方式检出FID信息。与t2轴对应的2 是通常的频率轴，与t1轴对应的1是什么，则决定于在演化期是何种过程。7.4 2DNMR谱的分类分为三大类1. J分辨谱 亦称为J谱，把化学位移和自旋偶合的作用分辨开来。2. 化学位移相关谱（Chemical shift correlation spectroscopy） 是2DNMR的核心，它表明共振信号的相关性。有三种位移相关谱
44、：同核，异核，NOE和化学交换等相关谱。3. 多量子谱（multiple quantum spectroscopy） m1的整数，用脉冲序列可检出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱。7.5 2DNMR谱的表现形式7.6 1H-H COSY谱（同核化学位移相关谱）谱图特征是对角线上的峰对应一维1H谱，对角线外的交叉峰在F1和F2域的值对应相偶合核的化学位移，提供通过三键偶合的1H-H相关信息。每个交叉峰做平行于F1和F2轴的纵线和水平线，得到两个相互偶合核的化学位移。通过交叉峰可以建立各相互偶合1H的关联。COSY谱通常有绝对值型和相敏型两种。7.7 HMQC(heteronuclear mul
45、tiple quantum HMQC(heteronuclear multiple quantum correlation)correlation)HMQC是1H检测的直接的异核化学位移相关谱。F2维代表1H的化学位移，F1维代表 13C的化学位移，所给出的信息与直接检测的CH-COSY谱基本相同。在实验时可采用13C去偶和不去偶两种方式。采用13C去偶时，13C，1H的交叉峰只出一个。无13C去偶时，13C，1H的交叉峰出两个，即受13C的偶合作用，与其相连的1H在F1维（13C方向）分裂成两个峰，两峰的距离即是13C，1H偶合常数。 7.8 HMBC7.9 NOESYNOESY谱：NOESY谱给出的是1H，1H相关关系，但这种关系不是通过化学键来实现的，而是通过空间距离的远近来实现的，即两个氢原子在距离小于5A时，即可产生NOE相关峰。NOE相关峰可以揭示1H之间的空间关系，故是分子构象研究的主要实验数据，目前多应用于多肽及蛋白质的构象研究中。在多糖的研究中，NOE可帮助确定接点和糖的构型，亦可做为构象研究的依据。 OOOAcOHOOO1357911121314151345放映结束 感谢各位观看！让我们共同进步