质子磁共振谱

null第四章 质子磁共振谱 第四章 质子磁共振谱 第一节 影响化学位移的因素 主要有以下几种：电性效应、各向异性效应、氢键效应、快速质子效换反应和溶剂效应等。其中电性效应、各向异性效应是在分子内发生的效应；快速质子交换、溶剂效应是在分子间起作用的因素；氢键效应则在分子内、分子间都会发生。 一、电性效应 一、电性效应 (一)、诱导效应 电负性强的取代基，可使邻近质子的电子云密度减少，即屏蔽效应减小，δ值增加(共振峰向低磁场移动)。 例如，碳、氮和氧的电负性不同 (C、N、O的电负性分别为2.5、3.0和3.5)导致与之相连的甲基，其质子化学位移不同 -OCH3 -δ3.24-4.02 ；-NCH3 -δ2.12-3.10 ；-CCH3 -δ 0.77~1.88 诱导作用具有加和性：电负性原子取代越多，诱导效应越强。但由于富电子聚集，取代越多，诱导效应递增相对减小，又称为重原子效应。 null(二)、共轭效应 共轭取代基可使与之共轭结构中的价电子分布发生改变，从而引起质子的化学位移变化。 醛基(-CHO)与苯环间呈吸电子共轭效应 甲氧基(-OCH3)与苯环间呈供电子共轭效应 二、各向异性效应二、各向异性效应各向异性效应：具有π电子的基团（叁键、芳环、双键和羰基等）在外磁场中，π电子环流产生感应磁场，使与这些基团邻近的某些位置的质子处于该基团的屏蔽区，δ值向高场移动，而另一些位置的质子处于该基团的去屏蔽区，δ值向低场移动，这种现象称为各向异性效应。(一)、苯环的各向异性效应(一)、苯环的各向异性效应在外磁场中，苯环的π键电子环流与苯环平行，所以，电子环流引起的感应磁场与苯环平面垂直。苯环的外周区域为顺磁性去屏蔽区，而苯环的内侧上下方区域为反磁性的屏蔽区 位于芳环外侧去屏蔽区的质子化学位移增大；而位于芳环内侧或上下方屏蔽区的质子化学位移减小。 位于芳环外侧去屏蔽区的质子化学位移增大；而位于芳环内侧或上下方屏蔽区的质子化学位移减小。 (二)、炔键的各向异性效应(二)、炔键的各向异性效应炔键电子环流在键轴方向附近产生对抗外磁场的感应磁场-屏蔽效应 (三)、双键的各向异性效应(三)、双键的各向异性效应双键电子环流对其邻近的质子也会产生各向异性效应，双键所在平面的上下方圆锥区为反磁性的屏蔽区，化学位移将减小。而在双键所在平面环绕双键的区带，受到顺磁性磁场的影响，相应质子在较低的磁场发生共振。nullα-蒎烯 α-蒎烯 由于在双键平面正上方的甲基质子受到较强的双键反磁性屏蔽效应，因而其化学位移较同位的另一甲基质子的要小 降冰片烯 降冰片烯 由于在双键平面正上方的质子受到较强的双键反磁性屏蔽效应，因而其化学位移较同位的另一质子的要小 null(a)质子比(b)质子更靠近C=O，并处在羰基的顺磁性去屏蔽区，所以(a)质子比(b)质子有更大的δ值。 null6.86 5.98(四)、单键的各向异性效应(四)、单键的各向异性效应C-C单键的价电子(σ电子)也能产生各向异性效应。C-C单键两端键轴方向的圆锥区域是去屏蔽区，而围绕C-C单键的侧边区域是屏蔽区。但是，C-C单键的各向异性效应与π电子环流所产生的相比要弱得多。null He当有取代基存在时，环己烷的构象固定，环上CH2平伏键氢和直立键氢受环上C-C单键的各向异性效应影响并不完全相同。C1上两个氢受C1-C6和C1-C2两个单键的各向异性影响完全相同；但是，它们受C2-C3或C5-C6的影响却不同。平伏氢He处在去屏蔽区，而直立氢Ha处在屏蔽区。因此，平伏氢和直立氢的化学位移不同。一般情况下，δHe>δHa，两者之差约为0.5ppm。 三、氢键效应三、氢键效应连接在杂原子(如O、N、S)上的质子易解离，常称为活泼氢，也易形成氢键。氢键状态对形成氢键质子化学位移的影响称为氢键效应,醇、酚、胺、羧酸等类化合物中常有氢键效应。 与没有形成氢键相比，活泼氢形成氢键后，受杂原子上未用电子对的各向异性作用，所受的屏蔽显著较小。因而，形成氢键的程度愈大，氢键质子的化学位移愈大。 四、质子快速交换反应四、质子快速交换反应连接在杂原子(如O、N、S)上的质子是活泼氢，容易发生质子交换反应。例如： CH3COOH + DOD  CH3COOD + HOD 当测定含有-OH、-COOH、-NH2、-SH等基团的化合物，采用重水作溶剂时，这类活泼氢均可被重氢交换，活泼质子峰消失，而在δ=4.7处产生与DOH相应的单峰 。 nullnullnullnullnullnullnullnullnull五、溶剂的影响五、溶剂的影响高分辨核磁共振谱都是在溶液条件下进行测定。不同的溶剂对化合物的相互作用也不同。因而，同一化合物由于采用不同的溶剂，其化学位移可能也不完全相同，有时相差很大。 由于溶剂不同而使化学位移发生改变的现象称为溶剂效应。 由于溶剂效应的存在，在报道核磁共振谱数据时，或与文献上已知化合物光谱进行比较时，都应注意所用的溶剂。第二节 质子化学位移与分子结构的相关性第二节 质子化学位移与分子结构的相关性质子的化学位移是由于电性效应、各向异性效应、氢键效应、质子的快速交换等多种效应作用引起的，而这些效应又与质子相连的基团有关。 1H-NMR谱中，各种基团上质子的化学位移都有一定的区域范围，并与分子结构特征相关。 一、烷基质子一、烷基质子当质子和sp3杂化碳原子相连，其β位亦是sp3杂化碳原子时，烷基质子在δ0.9~1.5高场处有共振峰，烷基取代越多被取代烷基上质子化学位移越大。 烷基与杂原子基团(卤素、氧、氮、硫等)、sp2(C=O、C=C)或sp(C≡C)杂化的碳原子基团相连时，由于这些基团的电性和各向异性等效应均大于烷基，去屏蔽效应使烷基质子的共振峰向低场位移，δ值为1.5~5.0。氧和卤素的去屏蔽效应大于氮、硫、羰基及双键，故与氧或卤素相连烷基质子的化学位移增大最显著。 经验公式经验公式对多取代烷基的质子的化学位移δ值，可以用经验公式进行预测： δ=0.23+∑a 式中，常数0.23为甲烷中质子的化学位移δ值，∑a为取代基位移常数之和。二、烯质子二、烯质子烯质子受sp2杂化碳原子的诱导和中等程度的双键各向异性效应作用，化学位移较大，乙烯(H2C=CH2)质子的化学位移为δ5.28。 取代烯(表4-5)质子的化学位移受取代基的影响，变化范围较宽，δ值在4.5～8.0之间。非共轭烯质子δ值在4.5～5.7之间，共轭体系的烯质子有较大的δ值。经验公式经验公式取代烯上质子的化学位移可计算预测： δ=CH = 5.28 +Σz 式中，常数5.28为乙烯质子的化学位移；∑z为取代基对被计算烯质子的位移常数之和，用于校正取代基对烯质子位移的影响。 三、炔质子三、炔质子三键的各向异性效应使炔质子的化学位移介于烷质子和烯质子化学位移之间。典型炔质子的化学位移范围为δ1.8～2.9(表4-7)，乙炔质子δ2.88。四、芳香质子 四、芳香质子 苯环的各向异性效应使芳环质子的共振峰比烯质子的出现在更低的磁场处(δ6.5～8.0)。 苯环未被取代时，环上六个氢所处的化学环境相同，在δ7.27呈现单峰。经验公式经验公式取代基对苯环质子化学位移的影响常数见表4-8，可用于取代苯质子化学位移的计算预测： δ=7.27+Σs 式中常数7.27为未取代苯质子的δ值，s为取代基对苯环质子(ortho, meta, para)化学位移的影响常数(表4-8)。五、芳杂环质子 五、芳杂环质子 当芳香环中引入杂原子(N、O、S等)之后，由于杂原子的电性效应作用，使芳杂环上质子化学位移的改变比芳环上引入取代基后的变化更大。第三节 质子自旋-自旋偶合与分子结构的相关性第三节 质子自旋-自旋偶合与分子结构的相关性自旋-自旋偶合(spin-spin coupling)作用通过价键电子传递。因此J值不受外加磁场的影响，溶剂改变对它的影响也很小。 偶合裂分提供了分子结构中基团类型、相应的质子数目以及分子立体结构的信息，是1H-NMR谱中除化学位移和积分线高度(共振峰面积)之外反映分子结构的又一重要参数。特别是对确定分子构型提供了一个独特的信息。常见化学结构类型中质子之间偶合产生的J值一般不超出20Hz。 一、质子自旋偶合的分类一、质子自旋偶合的分类质子自旋偶合按照偶合核之间间隔的价键数目可分为：偕偶(geminal coupling)、邻偶(vicinal coupling)和远程偶合(long range coupling)。 按照偶合核之间的化学位移之差()和偶合常数J之比值的大小可分为：一级偶合(ν>>J，一般ν/J ≥ 10，裂分行为符合“2nI+1”规律)和高级偶合(ν与偶合常数J数值接近，ν/J < 10，裂分行为不符合“2nI+1”规律)。 二、偕偶(geminal coupling)二、偕偶(geminal coupling)间隔两个单键的质子(H)偶合称偕偶。即同碳原子上的质子之间偶合。常用符号2J、Jgem或J偕表示。 对于同碳磁全同质子间的偕偶，可根据其氘代化合物测定的结果(2JHD)估算： 2JHH/2JHD = γH/γD ≈ 6.51 因此，由测得的2JHD，即可计算出同碳磁全同质子间的偶合常数2JHH。 例如，测得氘代丙酮中杂质(acetone-D5H, CD3-CO-CD2H)的1H-NMR谱为五重峰2JHD为-2.2Hz，因此估算得甲基质子的同碳偶合常数2JHH ≈6.512JHD，为-14.3Hz。(一)、碳氢键(H-C-H)夹角θ对2J的影响 (一)、碳氢键(H-C-H)夹角θ对2J的影响 同碳质子偶合受H-C-H键角的显著影响。随着θ角增大，2J绝对值相对地减小。根据偕偶的Dirac矢量模型，夹角θ的大小决定了两个C-H轨道电子云交盖的程度，从而直接影响价键电子云传递核的自旋信息。Θ角越小(一般不可能小于109o)，轨道重叠越大，越有利于电子传递自旋信息，偶合作用就越强，2J亦越大。反之，θ角越大，轨道重叠越小，越不利于电子传递自旋信息，偶合作用越弱，2J亦减小。 (二)、相连基团电性对2J的影响 (二)、相连基团电性对2J的影响同碳质子偶合随取代基键吸电子诱导的增加，使2J值变得更正。同时受电子的超共轭效应影响，杂原子孤对电子对的给电子作用，使2J值变得更正；而键电子的吸电子电性作用，使Jgem值变得稍负。 三、邻偶(vicinal coupling) 三、邻偶(vicinal coupling) 间隔三个价键的偶合称邻偶。常用符号3J，Jvic或J邻表示，3J为正值。非环烷系统3J的平均值为7Hz。 (一)、3J是二面角()的函数 邻碳两质子所在的两H-C-C平面构成的夹角称为二面角(图4-11)。根据邻偶的Dirac矢量模型(图4-11)可见，当二面角为0o或180o时，两C-H轨道最大程度交盖，偶合作用强，3J最大；当为90o，相邻C-H轨道正交，几乎不交盖，偶合作用弱，3J最小。 null(二)、刚性构象环己烷衍生物的邻偶 在刚性固定构象分子(如取代环烷)结构中，邻位质子偶合常数与二面角() 密切相关，可用Karplus经验式计算预测： 3J = 11.16cos2 - 1.28cos + 0.77 Фaa≈180o Фae≈60o Фee≈60o 3Jaa 8～14Hz 3Jae 1～6Hz 3Jee 0～5Hz (三)、烯质子的偶合分裂(vinyl) (三)、烯质子的偶合分裂(vinyl)除非具有通过C=C键为中心的对称元素，sp2杂化烯碳双键上质子化学不等价，偶合常数的差别也很大，并且3Jtrans > 3Jcis > 2Jgem(绝对值)： 3Jtrans > 3Jcis > 2Jgem(绝对值) 3Jtrans 10～24Hz(典型值16Hz) 3Jcis 6～15Hz(典型值10Hz) 2Jgem 0～5Hz(绝对值，典型值2Hz) null烯质子的顺式、反式和同碳偶合作用的差别是由于他们的C-H轨道交盖程度不同所致。 四、远程偶合(long range coupling)四、远程偶合(long range coupling)间隔四个以上价键的偶合作用称为远程偶合。通常在饱和烃的开链化合物中大于三个价键间隔时，即不发生偶合作用。但对于某些特殊结构，如π键共轭体系和张力环体系中的质子之间，则可发生远程偶合作用。远程偶合作用通过π键或张力环传递，最佳的传递途径是平面锯齿链式结构(W-conformation)。 烯丙式结构(allylic)烯丙式结构(allylic)烯丙基中的远程偶合常称为烯丙式偶合。当烷基C-H键与π键平行时，与π电子云交盖程度大，对烷基质子与烯质子间的远程偶合作用传递更好。因此，在构型固定的环烯结构中常有较明显的烯丙式偶合，甚至跨越双键的双烯丙式偶合(homoallylic, doubly allylic)；而在链烯中烯丙式偶合由于取代烷基的C-C键旋转，得到平均化的烯丙式偶合。 4JAC(E) = -3.5～3.0Hz 4JBC(Z) = -3～2Hz 通常(绝对值)：4JAC(E) > 4JBC(Z) 小环或桥环结构(bridged ring) 小环或桥环结构(bridged ring) 在张力环结构中，平面锯齿链式构型(W-conformation)特别有利于自旋作用的价键电子传递。因此，远程偶合具有突出的立体选择性(4Jab >> 4Jcb)： 4Jab=7.0Hz 4Jcb≈0.0Hz 4Jab=7.4Hz 4Jcb≈0.2Hz 4Jab=18Hz 第八节 1H-NMR谱的解析第八节 1H-NMR谱的解析复杂分子结构的有机化合物以及天然未知化合物单体，仅用1H-NMR一种光谱常常难以确定其分子结构式，必须和其它谱图(UV、IR、13C-NMR、2D-NMR、MS)及物理常数测定同时进行，综合分析才能确定分子结构式。但是，对于简单的化合物，或特定结构的目标化合物的结构确证，可依下列步骤用1H-NMR谱进行谱图解析： (1)根据分子式预测化合物的不饱和度，以确定可能的双键或环数。null(1)仔细阅读图谱上方的标题和旁边的参数，明确测试所用的仪器以及溶剂。 (2)根据化学位移和积分高度确定结构单元。首选确定孤立的未偶合的结构单元(基团)，然后分析偶合基团。易形成氢键的活泼质子(HO-、NH2-)化学位移变化较大，鉴定时可滴加重水(D2O)进行重氢交换，以确定其共振峰位置。 (3)根据偶合裂分峰数、偶合常数、及化学位移确定结构单元(基团)的连接关系。 (4)对复杂光谱可以用图谱简化技术进行分析测定。 nullnullnullnull重水交换谱重水交换谱null头孢地尼 头孢地尼 nullnullnullnull NH4a4b 4b 4a6 7 6 7 5` 5` null1” 2”a 2”b 1” 2”a 2”b 6 6 7 7 NH2 NH2 nullnull4 2” 6 7 1” null1” 1” 5` 2” 2” null 6 7 nullnull=N-OH 5` 6` 4` null2 1” 2”a 2”b 3 null2` 8 7` COOH nullTMS DMSO杂质4 6 2” 7 5` CONH NH2 1” =N-OH COOH 核的Overhauser效应(nuclear Overhauser effect, NOE) 核的Overhauser效应(nuclear Overhauser effect, NOE) 2D-NOESY2D-NOESY2D-NOESY2D-NOESY西他沙星 西他沙星 nullH19 H18 H15 H11 H14 H1 H10 H12 H4 H1 null5JHF=3.0Hz 3JHF=13.5Hz nullJ=4.0Hz H15 H14 H17 H10 H12 nullH11 H19 H18 nullnullC8 C6 2JCF=12.5 Hz C5 1JCF=205Hz C1 C13 C3 4JCF=2.5 Hz nullC15 C17 4JCF=8.8 Hz C14 4JCF=6.3 Hz C12 1JCF=223Hz C2 C4 2JCF=23.8 Hz C9 C7 3JCF=7.5Hz nullC19 C18 C11 C16 C10 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullThe End !