【正文】 1 第三章 核磁共振波譜法 ? 核磁共振（ NMR）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1945 年， Stanford 大學(xué) F. Bloch （波塞爾） 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和 Harvard 大學(xué) E. M. Purcell （布洛赫） 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了核磁共振 (Nuclear Magic Resonance, NMR)現(xiàn)象 ，他們分別觀測到水、石蠟中質(zhì)子的核磁共振信號(hào) 。 ? 對 NMR 作出貢獻(xiàn)的 12位 Nobel得主 他們二人因此獲得 1952 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 ? Richard R. Ernst 唯一一位因?yàn)樵诤舜殴舱穹矫娴耐怀鲐暙I(xiàn)獲而 得 Nobel化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家 . ? 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 今天，核磁共振已成為鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)及研究化學(xué)動(dòng)力學(xué)等的極為重要的方法。在有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)、物理化學(xué)、無機(jī)化學(xué)及多種工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用。另外，核磁共振成像技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于臨床。 ? 【基本要求】 理解核磁共振譜的基本原理，基本概念和常用術(shù)語 掌握核磁共振譜與有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 掌握運(yùn)用核磁共振譜解析分子結(jié)構(gòu)的方法 ? 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 核磁共振譜與有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 核磁共振譜解析分子結(jié)構(gòu)的方法 ? 167。1 核磁共振的基本原理 原子 核的自旋和自旋磁矩 量子力學(xué)和實(shí)驗(yàn)都證明原子核的自旋運(yùn)動(dòng)與自旋量子數(shù) I 有關(guān)，而自旋量子數(shù) I 取決于原子的質(zhì)量數(shù) (A)和原子序數(shù) (Z)： 2 原子核是由中子與質(zhì)子組成。質(zhì)子與中子數(shù)為偶數(shù)的核，其自旋量子數(shù) I=0，沒有自旋運(yùn)動(dòng)，例如 12C、 18O、 32S等核。 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)其中之一 為奇數(shù) I≠0，具有自旋現(xiàn)象，例如 1H、 13C、 19F、 31P、 14N、 35Cl等核。 （質(zhì)子數(shù) =核電荷數(shù) =原子序數(shù)） ? 自旋量子數(shù) I ≠ 0 的原子核都有自旋運(yùn)動(dòng)， 并且核帶有一定的正電荷。這些電荷也圍繞著自旋軸旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生循環(huán)電流，循 環(huán)電流就會(huì)產(chǎn)生磁場。因此凡是 I ≠ 0的原子核都會(huì)產(chǎn)生磁矩。 其自旋磁矩 μ = γ P。 μ是一個(gè)矢量，其方向與自旋軸重合； γ為磁旋比，代表磁核的性質(zhì)，是核的特征常數(shù)。 如， 1H核的 γ值為107 T1s1（ 每秒特斯拉，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的單位為特斯拉（ T） ） ； 13C核的 γ值為 107 T1s1。 P為 自旋角動(dòng)量為： h—普朗克常數(shù)。 I—自旋量子數(shù)。 有自旋磁矩的原子核通常稱為磁性核。 γ（磁旋比） 值越大，核的磁性越強(qiáng)，檢測靈敏度越高。 自旋量子數(shù) I ≠ 0 的原子核都有自旋磁 矩存在，都有核磁共振現(xiàn)象。 I = 1/2的原子核，電荷均勻地分布在原子核表面，核磁共振的譜線窄，是核磁共振研究最適宜的對象。下面主要以自旋量子數(shù) I = 1/旋磁比比較大的氫核為代表，介紹核磁共振的基本原理。先來了解具有磁性的原子核的運(yùn)動(dòng)。 ? 原子核在外磁場 B0中的自旋運(yùn)動(dòng) ——進(jìn)動(dòng) 3 當(dāng)自旋核置于外磁場 B0中，自旋核的行為就象一個(gè)在地心引力場中的陀螺。 ? 自旋量子數(shù) I =1/2 的原子核的運(yùn)動(dòng)情況如 右 圖所示。核的自旋軸與外磁場（ B0）方向有一定的角度 θ，自旋軸繞外磁場方向發(fā)生回旋。外磁場方向稱為回旋軸 （ 鉛直軸） ， ? 自旋核的這種運(yùn)動(dòng)就叫做 Larmor（拉莫爾） 進(jìn)動(dòng)。 自旋量子數(shù) I = 1/2 的自旋核在外磁場中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有（ 2I+1） 兩種，分別用 （ 磁量子數(shù) ） m = + 1/2 和 m = ?1/2 來表示， 見下圖， 其含義后面介紹。核回旋的頻率（ ν0）就叫做 Larmor（ 進(jìn)動(dòng) ） 頻率，與外磁場強(qiáng)度成正比。 （ γ為核的磁旋比，又稱旋磁比、回旋比等。 ） ? 自旋磁矩的空間取向量子化 按照量子力學(xué)規(guī)律，原子核自旋磁矩的空間取向是量子化的。自旋量子數(shù)為I的核在外磁場中存在（ 2I + 1）個(gè)不同的自旋狀態(tài) ，其自旋磁矩有（ 2I + 1）個(gè)不同的空間取向，每個(gè)取向可由一個(gè)自旋磁量子數(shù)（ m）表示， m = I, I ?1, I ?2, , ?I等。如上圖所示， I為 1/2 的核就有兩種不同的自旋狀態(tài)：順著外磁場（ B0）方向進(jìn)動(dòng)（ m = + 1/2）、逆著外磁場（ B0）方向進(jìn)動(dòng)（ m = ?1/2）。所以，其自旋 4 磁矩在空間就有兩種取向。 I為 1 的核自旋磁矩的空間取向有三種 （ m = I, I ?1, I ?2, , ?I） 。 如將外磁場 B0的磁力線方向定為 z軸方向，則原子核自旋角動(dòng)量在 B0方向（ z軸）的分量（即自旋角動(dòng)量在 z軸上的投影 ）只能取一些不連續(xù)的數(shù)值，即 相應(yīng)的自旋磁矩在 B0方向（ z軸）的分量（即核磁矩在 z軸上的投影 ）也是量子化的。 ? 核磁能級(jí) 自旋量子數(shù)為 I 的核在外磁場中存在（ 2I + 1）個(gè)不同的自旋狀態(tài)，各自旋狀態(tài)的能量為： 當(dāng)然也是量子化的，故稱為核磁能級(jí)。自旋量子數(shù)為 1/2 的核在外磁場中存在兩種不同的自旋狀態(tài)，有兩個(gè)核磁能級(jí)，如下左圖所示 ，說圖 。 ? 兩核磁能級(jí)的能量差與外磁場強(qiáng)度成正比，如下右圖所示。 5 ? 核磁共振的產(chǎn)生 在外磁場中，有自旋磁矩的原子 核的兩個(gè)相鄰核磁能級(jí)的能量差與無線電波的能量相當(dāng)。如用一無線電波來照射樣品，當(dāng)無線電波的能量與原子核的兩個(gè)相鄰核磁能級(jí)的能量差相等時(shí)，原子核就會(huì)吸收該無線電波的能量，發(fā)生能級(jí)躍遷，由低能自旋狀態(tài)變成高能自旋狀態(tài)。這種現(xiàn)象就是核磁共振現(xiàn)象。 ? 吸收的無線電波的頻率等于磁性核的 Larmor頻率（ ν0）。 ? B0 一定時(shí)，不同的核， γ（核的磁旋比） 不同， υ不同。 核 磁共振譜儀的工作頻率 。 表為常見核的共振頻率。 ? 167。2 核磁共振譜 核磁共振譜的表示方法 （ 1）核磁共振譜圖 6 下圖是用 300 MHz脈沖 Fourier（傅里葉）變換超導(dǎo)核磁共振儀 做的乙酸乙酯（ CH3COOCH2CH3）的核磁共振氫譜。 ? NMR 譜儀都配備有自動(dòng)積分儀，對每組峰的峰面積進(jìn)行自動(dòng)積分，在譜中以積分高度顯示。各組峰的積分高度之簡比，代表了相應(yīng)的氫核數(shù)目之簡比。例如：從左至右，三組峰的積分高度之簡比為 2:3:3，其質(zhì)子數(shù)目之比亦為 2:3:3。 記錄 NMR 譜的圖紙已打印好刻度，上標(biāo) △ ν (Hz)，下標(biāo) δ (ppm)為 對應(yīng)于6000 Hz（ 60MHz譜儀） 或 10000 Hz（ 100MHz譜儀） ，便于讀出各組峰的化學(xué)位移及裂距。超出此范圍，可通過儀器的簡單操作，以附加圖記錄在同一張譜上，并注明偏移 (offset)的 Hz或 ppm。 附圖吸收峰的化學(xué)位移為正常讀出值加偏移值。 現(xiàn)代 PFTNMR 譜儀 (脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀 )，使用計(jì)算機(jī)打印，通過計(jì)算機(jī)操作，譜圖的 δ值范圍可任意選擇，并且每條譜線的積分高度、化學(xué)位移 （ ppm或 Hz） 均可打印出來。 從一張核磁共振氫譜我們能夠得到以下信息，分別與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)因子有關(guān)。 信號(hào)的位置 → 化學(xué)位移 (δ/ ppm) → 質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境 信號(hào)的數(shù)目 → 化學(xué)等價(jià)質(zhì)子的 組數(shù) 7 信號(hào)的 強(qiáng)度 → 引起該信號(hào)的氫原子數(shù)目，積分面積 信號(hào)的裂分 → 鄰近質(zhì)子的數(shù)目， J / Hz，偶合常數(shù) ? （ 2）核磁共振數(shù)據(jù) 乙酸乙酯的核磁共振氫譜 也可以這樣來表示。 1H NMR ( 300 MHz, CDCl3 ),δ( ppm) ( t, J= Hz, 3H ), ( s, 3H ), ( q, J= Hz, 2H ) s—單峰； d—雙峰（二重峰）； t—三峰（三重峰）； q—四峰（四重峰）；m—多峰（多重峰） 。 H的自旋量子數(shù)為 1/2，氘的自旋量子數(shù)為 1，在做 H核 磁共振譜圖時(shí)，氘不會(huì)發(fā)生核磁共振而產(chǎn)生吸收，因此這些氘代試劑常用于核磁共振做溶劑，防止其中的 H的干擾。 注： ppm（百萬分之一）。 CDCl3是氯仿 CHCl3中 H 被其同位素氘（ D）替代了生成了 CDCl3，但是CDCl3比 CHCl3有好處，更容易做核磁共振。最正確的讀法是氘代三氯甲烷或者氘代氯仿。 ? 167。3 化學(xué)位移 (Chemical shift) 我們知道氫原子核的自旋量子數(shù) I 是 1/2，其核磁共振的條件是： 對于氫原子核來說，旋磁比 γ是一個(gè)常數(shù)，為 107 T1s1（每秒特斯拉） ，在 一固定外加磁場中，外磁場強(qiáng)度 B0也是一個(gè)定值。這樣，似乎所有有機(jī)物的 1H核磁共振譜都只有一個(gè)峰，都在頻率為 γB0/2π，即 1H的 Larmor頻率（ ν0）處產(chǎn)生共振吸收。如果是這樣，核磁共振對結(jié)構(gòu)分析將毫無意義。實(shí)際上，化學(xué)環(huán)境不同的 1H核以不同的 Larmor頻率進(jìn)動(dòng)。通常把因?yàn)?1H核在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同而引起的 Larmor頻率位移叫做化學(xué)位移（ Chemical shift）。 一個(gè)分子中有幾個(gè)化學(xué)環(huán)境不同的 1H核就有幾個(gè)不同的 Larmor頻率，在核磁共振譜中就可以觀察到幾個(gè)吸收信號(hào)。這是核磁共振用于有 機(jī)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。為什么化學(xué)環(huán)境不同的 1H核以不同的 Larmor頻率進(jìn)動(dòng)呢？ ? 屏蔽效應(yīng)和屏蔽常數(shù) 8 如上圖所示，分子中的 1H核不是一個(gè)裸核， 1H核外還有電子，在外磁場的作用下，核外電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)與外磁場方向相反的感應(yīng)磁場（ B感應(yīng) ）。 因此，1H核實(shí)際感受到的磁場強(qiáng)度比外磁場強(qiáng)度（ B0）要?。?B = B0 ?B感應(yīng) ；電磁學(xué)知識(shí)告訴我們，核外電子的感應(yīng)磁場強(qiáng)度（ B感應(yīng) ）與外磁場強(qiáng)度（ B0）成正比： B感應(yīng) = σ B0。這樣， 1H核實(shí)際感受到的磁場強(qiáng)度為 B = B0 (1 ? σ )。 ? 核外電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn) 生的感應(yīng)磁場導(dǎo)致 1H核實(shí)際感受到的磁場強(qiáng)度小于外磁場強(qiáng)度。 這就是核外電子對 1H核的 屏蔽效應(yīng) 。 σ稱為屏蔽常數(shù)。因此，在外磁場 B0中 1H核的 Larmor進(jìn)動(dòng)頻率實(shí)際上是 所以，在分子中所處化學(xué)環(huán)境不同的 1H核受到的屏蔽作用不同，導(dǎo)致不同的Larmor頻率，產(chǎn)生化學(xué)位移。 ? 化學(xué)位移的表示方法 質(zhì)子的化學(xué)位移的變化只有百萬分之十左右 ，很難精確地測定出其絕對值。所以采取其相對數(shù)值表示，即以某標(biāo)準(zhǔn)化合物的共振峰為原點(diǎn)，測定樣品各共振峰與原點(diǎn)的相對距離： Δν樣品 =ν樣品 ?ν標(biāo)準(zhǔn)。由于核外電子的感應(yīng)磁場強(qiáng)度（ B感應(yīng) ）與外磁場強(qiáng)度（ B0）有關(guān)，所以化學(xué)位移值 Δν樣品與儀器采用的頻率或磁場強(qiáng)度有關(guān)。 例如： 乙醚： CH3——CH2——O——CH2——CH3 60 MHz 核磁共振儀： 69 Hz 202 Hz 200 MHz 核磁共振儀： 230 Hz 674 Hz （ δ 值： ppm ppm） ? 因同一磁核在不同磁場強(qiáng)度的核磁共振儀上所測得的 Δν值不同，這就給各磁核間共振信號(hào)的比較帶來很多麻煩。為了克服這一缺點(diǎn)， 便于比較，規(guī)定了一個(gè) 9 無量綱的化學(xué)位移值 δ，由于該值很小，故乘上 106，用 ppm為單位。 ? 標(biāo)準(zhǔn)化合物（ δ = 0）：四甲基硅烷（ TMS）， (CH3)3SiCH2CH2CH2SO3Na（ DSS）。通常在報(bào)道核磁數(shù)據(jù)時(shí)還要注明所使用的標(biāo)樣及方法（內(nèi)標(biāo)或外標(biāo)）。 ? 化學(xué)位移 δ值與儀器采用的頻率或磁場強(qiáng)度無關(guān)。但樣品中某一質(zhì)子的化學(xué)位移 δ值與其共振頻率（掃頻）或共振磁場強(qiáng)度（掃場）的關(guān)系必須明確，化學(xué)位移 δ值大，其共振頻率大、共振的磁場強(qiáng)度?。?1H核受到的屏蔽作用小）；反之，化學(xué)位移 δ值小，其共振頻率小、共振的磁場強(qiáng)度大（ 1H核受到的屏蔽作用大）。在核磁共振譜圖上，橫坐標(biāo)為化學(xué)位 移 δ值，左大右小，左邊高頻低場，右邊低 頻高場。 注： 共振頻率與共振的磁場強(qiáng)度大小由式中 ν樣品 和 B樣品 判斷。 1H核受到的屏蔽作用大小由 1H核的 Larmor進(jìn)動(dòng)頻率判斷。 見下圖： ? 10 ? 影響化學(xué)位移的因素 質(zhì)子的化學(xué)位移質(zhì)子所在位置感應(yīng)磁場的方向和大小分子中其它電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場1 H 核外電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場屏蔽作用 屏蔽作用 去屏蔽作用使化學(xué)位移 δ 值減小 使化學(xué)位移 δ 值增大與 B 0 反向與 B 0 反向 與 B 0 同向 前面說到化學(xué)位移是由于 1H核外電子對核的屏蔽作用引起的，實(shí)際上分子中質(zhì)子的鄰近基團(tuán)也對其化學(xué)位移有著相當(dāng)大的影響。準(zhǔn)確地說，質(zhì)子的化學(xué)位移是由該質(zhì)子所在位置感應(yīng)磁場的方向和大小決定的。如感應(yīng)磁場的方向與外磁場的方向相反，則該質(zhì)子實(shí)際感受到的磁場強(qiáng)度比外磁場強(qiáng) 度小，其共振頻率小，化學(xué)位移 δ值就小，譜線向高場移動(dòng)，質(zhì)子受到屏蔽作用，簡稱正屏蔽；相反，如感應(yīng)磁場的方向與外磁場的方向相同，則該質(zhì)子實(shí)際感受到的磁場強(qiáng)度比外磁場強(qiáng)度大，其共振頻率大，化學(xué)位移 δ值就大，譜線向低場移動(dòng)，質(zhì)子受到去屏蔽作用。感應(yīng)磁場的強(qiáng)度越大，正屏蔽或去屏蔽的作用就越大，向高場或低場位移的就越多。 分子中某一質(zhì)子所在位置感應(yīng)磁場的大小和方向與周圍基團(tuán)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及空間位置有關(guān)。因此，了解影響化學(xué)位移的因素可以得到更多的信息，對確定