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1、Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy(核磁共振谱核磁共振谱)Chapter 4NMR是是研研究究原原子子核核对对射射频频辐辐射射(Radio-frequency Radiation)的的吸吸收收，它它是是对对各各种种有有机机和和无无机机物物的的成成分分、结结构构进进行行定定性性分分析析的的最最强强有有力力的的工工具具之之一一，有有时时亦亦可可进进行行定定量量分分析析。在在有有机机化化合合物物结结构构鉴鉴定定中中要要求求掌掌握握的是的是1H NMR（氢谱）和（氢谱）和 13C NMR的应用。的应用。（测测定定有有机机化化合合物物的的结结构构，氢氢原原子子
2、的的位位置置、环环境境以以及及官官能能团团和和C骨骨架架上上的的H原原子子相对数目）相对数目）与UV-vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。19241924年年,Pauli,Pauli提出原子核磁性质的慨念提出原子核磁性质的慨念;19391939年年,Rabi,Rabi观察到核磁共振现象观察到核磁共振现象,人类首次人类首次;19451945年年,美美BlochBloch测到水中测到水中H,H,Purcell Purcell观察到石蜡中观察到石蜡中H;H;(1952 (1952年同获诺贝尔奖年同获诺贝尔奖)19501950年年,发现化
3、学位移发现化学位移;19531953年年,最早的核磁共振最早的核磁共振(1 1HNMR)HNMR)仪问世仪问世;19701970年年,付里叶变换技术引入付里叶变换技术引入,1313CNMRCNMR。让处于外磁场（让处于外磁场（HoHo）中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射（）中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射（射），当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，射），当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态，这种现象称这种现象称为核磁共振。为核磁共振。4.1.4.1.核磁共振的基本原理核磁共振
4、的基本原理原子核能级的分裂及描述原子核能级的分裂及描述原子核能级的分裂及描述原子核能级的分裂及描述 原子核的自旋及分类原子核的自旋及分类原子核的自旋及分类原子核的自旋及分类原子核具有质量并带电荷，同时存在自旋现象，自旋原子核具有质量并带电荷，同时存在自旋现象，自旋量子数用量子数用I表示。表示。自旋量子数（I）不为零的核都具有自旋现象和磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：质量数质量数 电荷数电荷数 自旋量子数自旋量子数I I偶数偶数 偶数偶数 0 0 16O8；12C8；32S16 偶数偶数 奇数奇数 1 1，2 2，3 3 2H1，14N7 奇数奇数 奇数或偶数奇数或偶数 1/2；3/2；5
5、/2 1H1，13C6，19F9 17O8 (1)I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（22）等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。(2)I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2：11B，35Cl，79Br，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，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 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，C，H也是有机化合物的主要组成元素。带电原子核自旋带电原子核自旋 磁场磁场 磁矩磁矩(沿自旋轴方
6、向沿自旋轴方向)原子核的量子力学模型原子核的量子力学模型 1H1磁矩磁矩 的大小与磁场方向的角动量的大小与磁场方向的角动量P有关：有关：其中其中 为磁旋比，每种核有其固定值。为磁旋比，每种核有其固定值。如如1 1H H：=26.752.752；1313C C：=6.728，单位：，单位：107rad.T-1.S-1其中h为Planck常数(6.62410-27erg.sec)；m为磁量子数，其大小由自旋量子数I决定，m共有2I+1个取值，或者说，角动量P有2I+1个状态！或者说有2I+1个核磁矩。自旋核的取向 在没有外电场时，在没有外电场时，自旋核的取向是任意的自旋核的取向是任意的。在强磁场中
7、，原子核发生能级分裂在强磁场中，原子核发生能级分裂，当吸收外来电磁辐射当吸收外来电磁辐射时，将发生核能级的跃迁时，将发生核能级的跃迁 -产生所谓的产生所谓的 射频辐射射频辐射原子核原子核(能级分裂能级分裂)-吸收吸收能级跃迁能级跃迁 E EB射频射频核磁共振（核磁共振（NMR）现象现象E=B E EB当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，氢核有两种取向(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2;1/21/2E=B0也就是说，当也就是说，当外来射频辐射的频率外来射频辐射的频率满足上式时就会引起满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。能级跃迁并产生吸收。又
8、因为，又因为，所以，所以，原子核的经典力学模型原子核的经典力学模型当当带带正正电电荷荷的的、且且具具有有自自旋旋量量子子数数的的核核会会产产生生磁磁场场，该该自自旋旋磁磁场场与与外外加加磁磁场场相相互互作作用用，将将会会产产生生回回旋旋，称称为为拉拉莫莫进进动动，如如下下图图。进进动动频频率率与与自自旋旋核核角角速速度度及及外外加加磁磁场场的的关关系系可可用用拉拉莫（莫（Larmor）方程表示：方程表示：此此式式与与量量子子力力学学模模型型导导出出的的式式子子完完全相同。全相同。0称为进动频率。称为进动频率。进动频率是很重要的，外磁场越强，进动频率是很重要的，外磁场越强，进动频率越高，这可以用
9、拉莫方程进动频率越高，这可以用拉莫方程解释。解释。质子有进动频率，这个频率是由拉莫方程计算质子有进动频率，这个频率是由拉莫方程计算出来的。出来的。当当在在B0垂垂直直的的方方向向上上加加一一个个射射频频场场时时，如如果果射射频频频频率率和和质质子子的的进进动动频频率率相相等等，0=，质质子子会会从从射射频频中中吸吸收收一部分能量，发生核磁共振。一部分能量，发生核磁共振。a)I=0的的原子核没有自旋现象。原子核没有自旋现象。b)I=整整数数，该该类类核核有有自自旋旋，但但NMR复复杂杂，通通常常不不用用于于NMR分析。如分析。如2H，14N等。等。c)I=半半整整数数，可可以以用用于于NMR分分
10、析析，特特别别是是I=1/2的的核核如如1H，13C。经典力学和量子力学模型都说明：经典力学和量子力学模型都说明：并非所有的核都有自旋，在外加磁场中发生能级分裂！并非所有的核都有自旋，在外加磁场中发生能级分裂！自旋量子数 I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2;能级分布与弛豫过程能级分布与弛豫过程核能级分布核能级分布 在在一一定定温温度度且且无无外
11、外加加射射频频辐辐射射条条件件下下，原原子子核核处处在在高高、低低能能级级的的数数目目达达到到热热力力学学平平衡衡，原原子子核核在在两两种种能能级级上上的的分分布布应满足应满足Boltzmann分布：分布：通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T的磁场中，处于低能级的1H核数目仅比高能级的核数目多出百万分之十六！会造成什么后果？会造成什么后果？NHNL随实验进行，低能级核越来越少，最后高、低能级上的随实验进行，低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等核数目相等-饱和饱和-从低到高与从高到低能级的从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同跃迁的数目相同-体系净吸收为体系净吸收为0-共振
12、信号消失共振信号消失！幸运的是，上述幸运的是，上述“饱和饱和”情况并未发生！情况并未发生！因为有因为有弛豫弛豫 何为弛豫？何为弛豫？处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。而保证共振信号不会中止。弛豫弛豫 据据Heisenberg测测不不准准原原理理，激激发发能能量量 E与与体体系系处处于于激激发发态态的的平平均均时时间间(寿命寿命)成反比，与谱线变宽成反比
13、，与谱线变宽成正比，即：成正比，即：弛豫可分为弛豫可分为纵向弛豫纵向弛豫和和横向弛豫横向弛豫。可见，弛豫决定处于高能级核寿命。而弛豫时间长，核磁共振信号窄；可见，弛豫决定处于高能级核寿命。而弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。反之，谱线宽。谱线宽度谱线宽度横向弛豫横向弛豫：当当两两个个相相邻邻的的核核处处于于不不同同能能级级，但但进进动动频频率率相相同同时时，高高能能级级核核与与低低能能级级核核通通过过自自旋旋状状态态的的交交换换而而实实现现能能量量转转移移所发生的弛豫现象。又称自旋所发生的弛豫现象。又称自旋-自旋弛豫。自旋弛豫。纵向弛豫纵向弛豫：处处于于高高能能级级的的核核将将其其能能
14、量量及及时时转转移移给给周周围围分分子子骨骨架架(晶晶格格)中中的的其其它它核核，从从而而使使自自己己返返回回到到低低能能态态的的现现象象。又又称称自自旋旋-晶格弛豫。晶格弛豫。其半衰期用其半衰期用T1表示表示其半衰期用其半衰期用T2表示表示固体样品：固体样品：T1大，大，T2小，谱线宽；小，谱线宽；液体，气体样品：液体，气体样品：T1，T2均为均为1S左右，谱线尖锐左右，谱线尖锐.由弛豫作用引起的谱线加宽是由弛豫作用引起的谱线加宽是“自然自然”宽度，不可宽度，不可能由仪器的改进而使之变窄能由仪器的改进而使之变窄 如果仪器的磁场不够均匀，当然也会使谱线变宽。如果仪器的磁场不够均匀，当然也会使谱
15、线变宽。样品管的旋转能克服一部分的磁场不均匀程度。样品管的旋转能克服一部分的磁场不均匀程度。两个问题：两个问题：a)在在NMR测量时，要消除顺磁杂质，为什么？测量时，要消除顺磁杂质，为什么？b)在在NMR测量时，要求将样品高速旋转，为什么？测量时，要求将样品高速旋转，为什么？很多精确测量时，要注意抽除样品中所合的空气，很多精确测量时，要注意抽除样品中所合的空气，因为氧是顺磁性物质，其波动磁场会使谱线加宽。因为氧是顺磁性物质，其波动磁场会使谱线加宽。Table 4.1 Important values for spin active nuclei(field strength=1.41 Tesl
16、a).IsotopeMagnetogyricRatio(radians/Tesla)#ofSpinStatesResonanceFrequency(MHz)1H267.53260.02H41.139.213C67.28215.114N34.317O68.119F251.7256.431P108.3224.335Cl45.9 理想化的、裸露的氢核应该理想化的、裸露的氢核应该产生单一的吸收峰；产生单一的吸收峰；实实际际上上，氢氢核核受受周周围围不不断断运运动动着着的的电电子子影影响响。在在外外磁磁场场作作用用下下，运运动动着着的的电电子子产产生生相相对对于于外外磁磁场场方方向向的的感感应应磁磁场场
17、，起到屏蔽作用，使氢核实际感受到的外磁场作用减小：起到屏蔽作用，使氢核实际感受到的外磁场作用减小：B实实=（1-）B0：屏蔽常数。由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度，来抵消屏蔽影响。屏蔽效应屏蔽效应4.2 化学位移化学位移 在在有有机机化化合合物物中中，各各种种氢氢核核周周围围的的电电子子云云密密度度不不同同（结结构构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移。中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移。这种由于氢核的化学环境不同而产生的谱线位移称为化学位移。这种由于氢核的化学环境不同而产生的谱线位移称为化学位移。用用 表示。表示。1)位移的标准位移的标准没有
18、完全裸露的氢核，没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（）（内标）内标）位移常数位移常数 TMS=02)为什么用为什么用TMS作为基准作为基准?（1）12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；（2）屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；）屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；（3）化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。）化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。3).3).位移的表示方法位移的表示方法位移的表示方法位移的表示方法 与裸露
19、的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定 TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。=（样样-TMS)/TMS 106 (ppm)小小，屏屏蔽蔽强强，共共振振需需要要的的磁磁场场强强度度大大，在高场出现，图右侧；在高场出现，图右侧；大大，屏屏蔽蔽弱弱，共共振振需需要要的的磁磁场场强强度度小小，在低场出现，图左侧；在低场出现，图左侧；4 4）.常见结构单元化学位移范围常见结构单元化学位移范围常见结构单元化学位移范围常见结构单元化学位移范围=(=(sample-TMS)/instrument 106ppm (3.6)For instance,the protons in bromometha
20、ne,CH3Br have the following resonance frequencies:StrengthofField:B0=1.41TeslaB0=2.35TeslaOperatingFrequency:60MHz100MHzShiftFromTMS:162Hz270Hz value:2.70ppm2.70ppm5)影响化学位移的因素影响化学位移的因素 凡凡影影响响电电子子云云密密度度的的因因素素都都将将影影响响化化学学位位移移。其其中影响最大的是：中影响最大的是：诱导效应和各向异性效应。诱导效应和各向异性效应。元素的元素的电负性电负性，通过诱导效应，使，通过诱导效应，使H核的核
21、的核外电子核外电子云密度云密度，屏蔽效应，屏蔽效应，共振信号共振信号低场。低场。例如：例如：a.a.诱导效应诱导效应CHCH3 3F FCHCH3 3ClClCHCH3 3BrBrCHCH3 3I I4.264.263.053.052.682.682.162.160.230.23CHCH4 4分子分子结构结构化学化学位移位移取代基电负性越强，屏蔽作用越弱，信号出现取代基电负性越强，屏蔽作用越弱，信号出现在低场，化学位移值越大。在低场，化学位移值越大。b.共轭效应共轭效应1.给电子的共轭效应，使苯环上的总电子云密度增给电子的共轭效应，使苯环上的总电子云密度增强，屏蔽作用增强，化学位移值右移。强，
22、屏蔽作用增强，化学位移值右移。2.给电子的共轭效应，使苯环上邻、对位电子云密给电子的共轭效应，使苯环上邻、对位电子云密度增加得多一些，而间位电子云密度增加得少一些，度增加得多一些，而间位电子云密度增加得少一些，所以邻、对位化学位移值比间位降低得多一些。所以邻、对位化学位移值比间位降低得多一些。c.氢键效应氢键效应无论是分子内还是分子间氢键的形成都使氢受到去无论是分子内还是分子间氢键的形成都使氢受到去屏蔽作用，羧基形成强的氢键，因此其屏蔽作用，羧基形成强的氢键，因此其值一般都值一般都超过超过10ppm。甲醇的化学位移值与温度的关系：甲醇的化学位移值与温度的关系：-54 C 4.8 ppm-10
23、C 3.8 ppm15 C 2.8 ppm温度升高，氢键减弱，化学位移值减小。温度升高，氢键减弱，化学位移值减小。d.磁的各向异性（屏蔽效应）磁的各向异性（屏蔽效应）置置于于外外加加磁磁场场中中的的分分子子产产生生的的感感应应磁磁场场(次次级级磁磁场场)，使使分分子子所所在在空空间间出出现现屏屏蔽蔽区区和和去去屏屏蔽蔽区区，导导致致不不同同区域内的质子移向高场和低场。区域内的质子移向高场和低场。苯环的磁各向异性效应很典型，如图所示：苯环的磁各向异性效应很典型，如图所示：屏蔽区屏蔽区+-去屏蔽区去屏蔽区去屏蔽区去屏蔽区-屏蔽区屏蔽区+=7.05环电流磁场增强了外磁场，氢核被去屏蔽，共振谱峰环电流
24、磁场增强了外磁场，氢核被去屏蔽，共振谱峰位置移向低场。位置移向低场。某些环状烯烃也会形成类似的环流效应，在环的内产生某些环状烯烃也会形成类似的环流效应，在环的内产生屏蔽区，在环外产生去屏蔽区。屏蔽区，在环外产生去屏蔽区。18-环烯HHHHHHHHHHHHHHHHH =-2.99=-2.99 =9.28=9.28 +-与苯环相似，双键化合物也有屏蔽区和去屏蔽区。与苯环相似，双键化合物也有屏蔽区和去屏蔽区。上上下下区区域域为为屏屏蔽蔽区区，用用+表表示示；双双键键所所在在的的平面为去屏蔽区，用平面为去屏蔽区，用-表示。表示。烯烃双键碳上的烯烃双键碳上的质子位于质子位于键环流电子产生的键环流电子产生
25、的感生感生磁场与外加磁场方向一致的磁场与外加磁场方向一致的区域区域（称为去屏蔽区），（称为去屏蔽区），去去屏蔽效应的结果，使烯烃双屏蔽效应的结果，使烯烃双键碳上的键碳上的质子质子的的共振信共振信号移向稍低的磁场区，号移向稍低的磁场区，其其 =4.55.7ppm。与与双双键键直直接接相相连连的的质质子子位位于于去去屏屏蔽蔽区区，值值升高。升高。三键碳上的质子：三键碳上的质子：碳碳三键是直线构型，碳碳三键是直线构型，电子云围绕碳碳电子云围绕碳碳键呈筒型分键呈筒型分布，形成环电布，形成环电流，它所流，它所产产生的生的感生磁感生磁场场与外加磁与外加磁场场方向相反，方向相反，故三故三键键上的上的H H质
26、质子子处处于屏蔽区，于屏蔽区，屏蔽效屏蔽效应较应较强强，使三使三键键上上H H质质子的子的共振信号移向共振信号移向较较高的磁高的磁场场区，区，其其 =2=23ppm3ppm。三键环电流形成的屏蔽效应如图所示：三键环电流形成的屏蔽效应如图所示：炔炔氢氢处处于于C C键键轴轴方方向向，受受到到强强烈烈的的屏屏蔽蔽，因因此此相相对对烯烯氢氢在在高高场场出出峰峰，这这种种强强烈烈的的屏屏蔽蔽作作用用和和C C键键电电子只能绕键轴转动密切相关。子只能绕键轴转动密切相关。6)决定质子数目的方法决定质子数目的方法 吸收峰的峰面积，可用自动积分仪对峰面积进行自吸收峰的峰面积，可用自动积分仪对峰面积进行自动积分
27、，画出一个阶梯式的积分曲线。动积分，画出一个阶梯式的积分曲线。峰面积的大小与质子数目成正比。峰面积的大小与质子数目成正比。峰面积高度之比峰面积高度之比=质子个数之比。质子个数之比。例如：例如：有几种不同类型的有几种不同类型的H核，就有几组吸收峰。核，就有几组吸收峰。一个化合物究竟有几组吸收峰，一个化合物究竟有几组吸收峰，取决于分子中取决于分子中H核核的化学环境。的化学环境。7)共振吸收峰（信号）的数目共振吸收峰（信号）的数目低分辨率谱图低分辨率谱图4.3 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分 每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；峰的裂分峰的裂分峰的
28、裂分原因峰的裂分原因:自旋偶合自旋偶合相邻两个氢核之间的相互干扰称为自旋偶合；相邻两个氢核之间的相互干扰称为自旋偶合；由于自旋偶合而引起的谱线增多的现象称自旋裂分；由于自旋偶合而引起的谱线增多的现象称自旋裂分；用偶合常数（J）来衡量干扰作用的大小。谱线分裂的裂距反映偶合常数的大小，单位Hz.首先，分析首先，分析CH3上的氢（以上的氢（以Ha表示）：表示）：它的邻近它的邻近CH2上有两个上有两个H核（以核（以Hb表示），表示），Hb对对Ha的影响可表示如下：的影响可表示如下：H核的自旋量子数核的自旋量子数I =1/2，在磁场中可以有两在磁场中可以有两种取向，即：种取向，即：+1/2+1/2（以（
29、以表示）和表示）和 1/21/2（以（以表示）表示）这样，这样，Hb的自旋取向的排布方式就有以下几种情况：的自旋取向的排布方式就有以下几种情况：同理，也可画出同理，也可画出Ha对对Hb的影响。的影响。由此可见，裂分峰的数目有如下规律：由此可见，裂分峰的数目有如下规律：峰的数目峰的数目=n+1 n：为相邻为相邻H核的数目核的数目 某组环境相同的氢核，与某组环境相同的氢核，与n n个环个环境相同的氢核（或境相同的氢核（或I=1/2I=1/2的核）偶合，的核）偶合，则被裂分为则被裂分为(n+1)(n+1)条峰。条峰。（n+1）规律 某某组组环环境境相相同同的的氢氢核核，分分别别与与n n个个和和m
30、m个个环环境境不不同同的的氢氢核核（或或I=1/2I=1/2的的 核核）偶偶 合合,则则 被被 裂裂 分分 为为(n+1)(m+1)(n+1)(m+1)条条峰峰（实实际际谱谱图图可可能能出出现谱峰部分重叠，小于计算值）。现谱峰部分重叠，小于计算值）。一组多重峰的中点，就是该质子的化学位移值一组多重峰的中点，就是该质子的化学位移值 singlet1doublet11triplet121quartet1331quintet14641sextet15101051septet16152015611.3 自旋自旋偶合与偶合与自旋裂分自旋裂分小结小结自旋偶合的条件1）质子必须是不等性的。）质子必须是不等性
31、的。2）两个质子间少于或等于三个单键（中间插入）两个质子间少于或等于三个单键（中间插入 双键或叁键可以发生远程偶合）。双键或叁键可以发生远程偶合）。CH3-CH2-C-CH3=OCH2=CH-CH3caabbcHa、H b能互相自旋偶合裂分。能互相自旋偶合裂分。Ha、H b不能与不能与H c互相自互相自旋偶合裂分。旋偶合裂分。Ha、H b能互相自旋偶合裂分。能互相自旋偶合裂分。Ha能与能与H c发生远程自发生远程自旋偶合裂分。旋偶合裂分。偶合裂分的规律一级氢谱必须满足：一级氢谱必须满足：（1）两组质子的化学位移差）两组质子的化学位移差 和偶合常数和偶合常数J满足满足 /J 6。（2）化学位移相
32、等的同一核组的核均为磁等价的化学位移相等的同一核组的核均为磁等价的。在一级氢谱中，偶合裂分的规律可以归纳为：在一级氢谱中，偶合裂分的规律可以归纳为：1）自旋裂分的峰数目符合自旋裂分的峰数目符合(n+1)规律。规律。2）自旋裂分的峰高度比与二项展开式的各项系数比一致。自旋裂分的峰高度比与二项展开式的各项系数比一致。3）Jab=J b a4）偶合常数不随外磁场强度的改变而改变。偶合常数不随外磁场强度的改变而改变。（1）若质子）若质子a与与n个个等性质子等性质子b邻邻接，则质子接，则质子a的的吸收峰将吸收峰将被被n个个等性质子等性质子b自自旋裂分为旋裂分为(n+1)个个峰，各峰的高度比与二峰，各峰的
33、高度比与二项展开式项展开式(a+b)n的的各项系数比一致。各项系数比一致。CH3-CH2-BrbaHa 呈四重峰，峰高度比为呈四重峰，峰高度比为1:3:3:1(A+B)3=A3+3A2B+3AB2+B3H b 呈三重峰，峰高度比为呈三重峰，峰高度比为1:2:1(A+B)2=A2+2AB+B2例如：例如：对上述规律的具体分析对上述规律的具体分析（2）若质子若质子a被质子被质子b、c两组等性质子两组等性质子自自旋裂分，旋裂分，b组有组有n个个等性质子，等性质子，c组有组有n个个等性质子，则质子等性质子，则质子a的的吸收峰将被吸收峰将被自自旋裂旋裂分为分为(n+1)(n+1)个个峰，各峰的高度比每组
34、的情况都符合二项展峰，各峰的高度比每组的情况都符合二项展开式开式的的系数比。综合结果要做具体分析。系数比。综合结果要做具体分析。例如例如:Ha有有(3+1)(1+1)=8重峰重峰Hb有有(3+1)(1+1)=8重峰重峰Hc有有(1+1)(1+1)=4重峰重峰（3）质子）质子a被质子被质子b裂分的偶合常数为裂分的偶合常数为Ja b，质子质子b被质子被质子a裂裂分的偶合常数为分的偶合常数为Jb a，则，则 Ja b=Jb a。4.4 核的核的化学等价、磁等价、磁不等价化学等价、磁等价、磁不等价 分子中两个相同的原子处于相同的化学环境时称化学等价。分子中两个相同的原子处于相同的化学环境时称化学等价。
35、化学等价的质子必然化学位移相同。化学等价的质子必然化学位移相同。1)化学等价化学等价Ha Ha ;Hb Hb 化学等价化学等价对称操作判断分子中的质子：对称操作判断分子中的质子：等位质子等位质子 通过对称轴旋转能互换的质子。通过对称轴旋转能互换的质子。在任何环境中是化学等价的。在任何环境中是化学等价的。对映异位质子对映异位质子 通过旋转以外的对称操作通过旋转以外的对称操作能互换的质子。能互换的质子。在非手性环境中化学等价，在非手性环境中化学等价，在手性环境中非化学等价在手性环境中非化学等价。非对映异位质子非对映异位质子 不能通过对称操作进不能通过对称操作进 行互换的质子。在任何环境中都是化学行
36、互换的质子。在任何环境中都是化学 不等价。不等价。2)磁等价磁等价 一组化学位移等价的核，对组外任何一个核的偶合常数彼一组化学位移等价的核，对组外任何一个核的偶合常数彼 此相同，这组核为磁等价核。此相同，这组核为磁等价核。Ha与与Hb磁等价磁等价 (JHaHc=JHbHc)3)磁不等价磁不等价 与手性碳原子连接的与手性碳原子连接的-CH2-上的两个质子是磁不等价的。上的两个质子是磁不等价的。双键同碳上质子磁不等价。双键同碳上质子磁不等价。单键带有双键性质时会产生不等价质子。单键带有双键性质时会产生不等价质子。构象固定的环上构象固定的环上-CH2质子不等价。质子不等价。苯环上质子的磁不等价。苯环
37、上质子的磁不等价。化学等价，磁不等价化学等价，磁不等价二者间关系：化学等价，不一定磁等价；但磁等价的二者间关系：化学等价，不一定磁等价；但磁等价的一定是化学等价的。一定是化学等价的。例如，例如，化学等价，磁等价化学等价，磁等价 (键的快速旋转导致键的快速旋转导致)4.5 偶合常数偶合常数每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以Jab表示。即两峰的频率差：表示。即两峰的频率差：下标下标ab表示相互偶合的磁不等性表示相互偶合的磁不等性H H核的种类。核的种类。自旋自旋-自旋偶合裂分后，两峰之自旋偶合裂分后，两峰之间的距离，即两峰的频率差：间的距离，即
38、两峰的频率差：a-b ；单位单位:Hz。偶合常数偶合常数反映了核磁矩间相互作用能的大小，和两核之间相隔化学键的反映了核磁矩间相互作用能的大小，和两核之间相隔化学键的数目密切相关，数目密切相关，与外加磁场强度、使用仪器的频率无关。与外加磁场强度、使用仪器的频率无关。A与与B是相互偶合的核，是相互偶合的核，n为为A与与B之间相隔之间相隔 的化学键数目。的化学键数目。依据化学位移值，计算偶合常数，依据化学位移值，计算偶合常数，Jab固定频率，扫场固定频率，扫场固定磁场，扫频固定磁场，扫频 0：仪器的公称频率：仪器的公称频率 0：60MHz B0：1.4092T 1ppm=60Hz 100MHz 2.
39、3488T 100Hz 200MHz 4.6975T 200Hz 400MHz 9.3951T 400Hz60MHz仪器仪器二裂分峰的位移差二裂分峰的位移差=1.26ppm-1.14ppm=0.12ppmJ=0.12ppm(60Hz/1ppm)=7.2Hz10 8 6 4 2 010 8 6 4 2 010 8 6 4 2 0100MHz250MHz 相互偶合的两组质子相互偶合的两组质子,彼此间作用相同彼此间作用相同,其偶合常数相同。其偶合常数相同。1)同碳偶合同碳偶合(2J)同一碳原子上的化学环境不同的两个氢的偶合。同一碳原子上的化学环境不同的两个氢的偶合。2)邻碳偶合邻碳偶合(3J)两个相
40、邻碳上的质子间的偶合。两个相邻碳上的质子间的偶合。3JH-C-C-H 同种相邻氢不发生偶合。同种相邻氢不发生偶合。（一个单峰）（一个单峰）偶合常数的大小偶合常数的大小,表示偶合作用的强弱表示偶合作用的强弱.它与两个作用核之它与两个作用核之间的相对位置、核上的电荷密度、键角、原子序以及核的间的相对位置、核上的电荷密度、键角、原子序以及核的磁旋比等因素有关。磁旋比等因素有关。一般，间隔一般，间隔四个单键四个单键以上，以上，J值趋于零。值趋于零。超过超过3个化学键的偶合。个化学键的偶合。分子分子中插入重键的两个氢核可发中插入重键的两个氢核可发 生偶合。生偶合。3)远程偶合远程偶合一些常见的偶合常数一
41、些常见的偶合常数（J/Hz）FunctionalGroupJ(Hz)6-811-186-154-106-108-11cis:6-12trans:4-85-74.5 核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪3 射射频频接接受受器器：当质子吸收能量发生能级跃迁时，在感应线圈中产生毫伏级信号，经放大，检波后记录成谱图。4样品管样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。1永久磁铁、电磁铁、永久磁铁、电磁铁、超超导磁铁导磁铁。2 射射频频发发射射器器：线圈垂直于外磁场，发射电磁辐射信号：60MHz、90MHz、200MHz。Spectrometer Control:Xwin-Nmr磁磁磁磁铁铁铁铁控
42、控控控制制制制器器器器PC WorkstationPC WorkstationAn NMR Spectrometer固定磁场强度，通过连续改变电磁辐射固定磁场强度，通过连续改变电磁辐射的频率，产生共振，称为扫频法；的频率，产生共振，称为扫频法；固定电磁辐射的频率，通过连续改变磁固定电磁辐射的频率，通过连续改变磁场的强度，产生共振，称为扫场法；场的强度，产生共振，称为扫场法；2.由由吸收峰的组数，吸收峰的组数，可以判断有可以判断有几种不同类型的几种不同类型的H核；核；3.由由峰的强度峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断（峰面积或积分曲线高度），可以判断各各类类H的相对数目；的相对数目；4.
43、4.由由峰的裂分数目，峰的裂分数目，可以判断可以判断相邻相邻H核的数目；核的数目；5.由由峰的化学位移峰的化学位移（值），可以判断值），可以判断各类型各类型H所属的所属的化学结构；化学结构；6.由由裂分峰的外型或偶合常数，裂分峰的外型或偶合常数，可以判断可以判断哪种类型哪种类型H是是相邻的。相邻的。4.6 简单一级谱图解析 1.1.标识杂质峰，最主要的杂质峰是溶剂峰。标识杂质峰，最主要的杂质峰是溶剂峰。一级谱图（一级谱图（first-order spectra）：）：1）/J 6；2）同一核组（其化学位移）同一核组（其化学位移相同）的核均为磁等价。相同）的核均为磁等价。常见氢核的化学位移CHC
44、l3(7.26)D常用溶剂的质子常用溶剂的质子的化学位移值的化学位移值 分子内氢键分子内氢键,其化学位移变化与溶液浓度无关其化学位移变化与溶液浓度无关,取决于分子取决于分子 本身结构。本身结构。高温使高温使OH、NH、SH等氢键程度降低等氢键程度降低,信号的共振位置移信号的共振位置移 向较高场。向较高场。识别活泼氢可采用重水交换。识别活泼氢可采用重水交换。活泼氢的活泼氢的 值与样品的浓度温度及所用溶剂的化学性质有关。值与样品的浓度温度及所用溶剂的化学性质有关。溶剂和水的化学位移溶剂和水的化学位移例1，正己烷 饱和碳氢的化学位移在0.7-1.7ppm.例2 1-戊烯烯烃 1)不饱和碳上的氢 4.
45、5-6.0ppm,2)烯丙基位上的氢 1.62.6 ppm例3，2-己炔例例4CH2CH3CH3COCH2CH31例例5CH(CH3)2CH3COCH(CH3)22例例6CH2CH3(CH3)2CHCH(CH3)2CH2CH33例例74CH3CHCH2CH2CHCH2OCH3CH2Cl例例89 5.30 3.38 1.37例例9，C7H16O3，推断其结构推断其结构61C7H16O3，U=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b)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
46、能具有(OCH2)3c)C7H16O3-C6H16O2=CHd)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正确结构：正确结构：例例10，化合物化合物 C10H12O2，推断结构。推断结构。7.3 5.211.22.35H2H2H3H 化合物化合物 C10H12O2，U=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哪个正确?正确：B为什么?例例11、联合谱图解析、联合谱图解析、联合谱图解析、联合谱
47、图解析 C C6 6H H1212OO 1700cm-1,C=0,醛,酮3000 cm-1,-C-H 饱和烃两种质子 1：3或3：9-CH3 ：-C(CH3)9无裂分，无相邻质子例例例例1 12 2、C C8 8H H1414OO4 4 1700cm-1,C=0,醛醛,酮，排除羧酸，醇，酚酮，排除羧酸，醇，酚3000 cm-1,-C-H 饱和烃，无芳环饱和烃，无芳环 1三种质子三种质子 4：4：.裂分，有相邻质子；裂分，有相邻质子；.=1.3(6H)两个两个 CH3 裂分为裂分为3,相邻相邻C有有2H;CH3-CH2-4.=2.5(4H),单峰单峰,CO-CH2CH2-CO-5.=4.1(4H)低场低场(吸电子吸电子),两个两个-O-CH2-446