12345678910112002 2002 年的诺贝尔化学奖之一半授予了年的诺贝尔化学奖之一半授予了Kurt Kurt WthrichWthrich 博士博士,以表彰他在应用核磁共振技以表彰他在应用核磁共振技术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓越贡献http:/www.mol.biol.ethz.ch/wuthrich/people/kw/cv2en.htmlThe Nobel Prize in Chemistry 2002John B.Fenn Koichi Tanaka Kurt Wthrich 1/4 of the prize 1/4 of the prize 1/2 of the prize USA Japan Switzerland Virginia Commonwealth University Richmond,VA,USA Shimadzu Corp.Kyoto,Japan Eidgenssische Technische Hochschule(Swiss Federal Institute of Technology)Zurich,Switzerland;The Scripps Research Institute La Jolla,CA,USA b.1917b.1959b.1938for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules 13141516一、一、原子核的自旋原子核的自旋自旋角动量：自旋角动量：I I：自旋量子数自旋量子数h h：普朗克常数普朗克常数质量数质量数 原子序数原子序数 自旋量子数自旋量子数I I偶数偶数 偶数偶数 0 0偶数偶数 奇数奇数 1 1，2 2，3 3.奇数奇数 奇数或偶数奇数或偶数 1/2 1/2；3/23/2；5/25/2.)1(2IIh17二、二、原子核的磁矩原子核的磁矩核磁矩（核磁子）核磁矩（核磁子）：=P P 磁旋比磁旋比181 I=0 的原子核的原子核 O(16)；C（12）；）；S（22）等等 无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。
无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收2 I=1 或或 I 的原子核的原子核 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，研究应用较少荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少193 31/21/2的原子核：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，是象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振核磁共振研究的主要对象研究的主要对象20氢核氢核（I=1/2），），两种取向（两个能级）两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2211/2-1/2 E=2223 E=24（1 1）对于同一种核，磁旋比）对于同一种核，磁旋比 为定值，为定值，H0变，变，射频频率射频频率 变2 2）不同原子核，磁旋比）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条不同，产生共振的条 件不同，需要的磁场强度件不同，需要的磁场强度H0和射频频率和射频频率 不同。
不同3 3）固定）固定H0,改变改变（扫频（扫频),),不同原子核在不同不同原子核在不同 频率处发生共振频率处发生共振;也可固定也可固定 ,改变改变H H0 0（扫场（扫场)扫场方式应用较多扫场方式应用较多 25氢核氢核（1H）：）：1.409 T 共振频率共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率共振频率 100 MHz 磁场强度磁场强度H0的单位的单位：1高斯高斯（GS）=10-4 T（特斯拉特斯拉）26kTENNexp21212728理想化的、裸露的氢核满足共振条件：理想化的、裸露的氢核满足共振条件：0=H0/(2 )产生单一的吸收峰产生单一的吸收峰 实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响，使氢实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响，使氢核实际受到的外磁场作用减小：核实际受到的外磁场作用减小：H=（1-）H0 0=/(2 )（1-）H029 在有机化合物中，各种在有机化合物中，各种氢核氢核 周围的电子云密度不周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现振吸收峰的位移，这种现象称为象称为化学位移化学位移。
30 ：屏蔽常数屏蔽常数越大，屏蔽效应越大越大，屏蔽效应越大由于屏蔽作用的存在，氢核产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生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响消屏蔽影响311 1位移的标准位移的标准没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准没有完全裸露的氢核，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=0322 2为什么用为什么用TMSTMS作为基准作为基准?(1)12(1)12个氢处于完全相同的化学环境，只产生个氢处于完全相同的化学环境，只产生 一个尖峰；一个尖峰；（2 2）屏蔽强烈，位移最大；）屏蔽强烈，位移最大；（3 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33 =（样样-TMS)/TMS 106 (ppm)小，屏蔽强，共振小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧在高场出现，图右侧 大，屏蔽弱，共振大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧在低场出现，图左侧0123456789101112131415化学位移HCCHCOHCOOHH3CO3.7H3CN3.0H3CC2.1OH3CC1.8CH3CC0.9(ppm)常见结构单元化学位移范围常见结构单元化学位移范围35影响化学位移的因素影响化学位移的因素改变电子改变电子云密度云密度36吸电子作用强，电子云密度降低，屏蔽作用减弱，吸电子作用强，电子云密度降低，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。
信号峰在低场出现37CH3，=1.62.0；-CH2I，=3.0 3.538CH3Br (2.68 ppm)CH3CH2Br (1.65 ppm)CH3CH2CH2Br (1.04 ppm)3940(3)(3)磁各向异性效应磁各向异性效应 （41(3)(3)磁各向异性效应磁各向异性效应各向异性效应各向异性效应 当化合物的电子云分布不是球形对称时，当化合物的电子云分布不是球形对称时，就对邻近氢核附加了一个各向异性磁场，从就对邻近氢核附加了一个各向异性磁场，从而对外磁场起着增强或减弱的作用，使在某而对外磁场起着增强或减弱的作用，使在某些位置上的核受到屏蔽效应，些位置上的核受到屏蔽效应，移向高场，移向高场，而另一些位置上的核受到去屏蔽效应，而另一些位置上的核受到去屏蔽效应，故故 移向低场移向低场3)(3)磁各向异性效应磁各向异性效应三键三键(3)(3)磁各向异性效应磁各向异性效应双键双键(3)(3)磁各向异性效应磁各向异性效应苯环苯环45（4）氢键的影响氢键的影响 分子形成氢键后，使质子周围电子云分子形成氢键后，使质子周围电子云密度降低，产生去屏蔽作用，使化学位移密度降低，产生去屏蔽作用，使化学位移向低场移动，形成氢键趋势越大，质子向向低场移动，形成氢键趋势越大，质子向低场移动越显著。
低场移动越显著46 同一化合物在不同溶剂中的化学位移是同一化合物在不同溶剂中的化学位移是不相同的，溶质质子受到各种溶剂的影响不相同的，溶质质子受到各种溶剂的影响而引起化学位移的变化称为而引起化学位移的变化称为溶剂效应溶剂效应5）溶剂效应溶剂效应溶剂的磁化率、氢键等影响溶剂的磁化率、氢键等影响47自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分 分子中的氢由于所处的化学环境不同，其核分子中的氢由于所处的化学环境不同，其核磁共振谱与相应的磁共振谱与相应的 值处出现不同的峰，各峰的值处出现不同的峰，各峰的面积与氢原子数成正比，借此可鉴别各峰的归属面积与氢原子数成正比，借此可鉴别各峰的归属但在高分辨的仪器上，但在高分辨的仪器上，每类氢核不总表现为单峰，每类氢核不总表现为单峰，有时裂分为多重峰裂分峰是由于分子内部邻近有时裂分为多重峰裂分峰是由于分子内部邻近氢核自旋的相互干扰引起的，这种邻近氢核自旋氢核自旋的相互干扰引起的，这种邻近氢核自旋之间的相互干扰作用称为之间的相互干扰作用称为自旋耦合自旋耦合，由自旋耦合，由自旋耦合引起的谱线增多现象称为引起的谱线增多现象称为自旋裂分自旋裂分48自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分49自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分 峰面积峰面积 1：2：351由自旋耦合引起的谱线增多现象称为由自旋耦合引起的谱线增多现象称为自旋裂分自旋裂分。
裂分峰是由于分子内部邻近氢核自旋的相互裂分峰是由于分子内部邻近氢核自旋的相互干扰引起的干扰引起的邻近氢核自旋之间的相互干扰作用称为邻近氢核自旋之间的相互干扰作用称为自旋耦合自旋耦合自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分52如果如果HaHa邻近没有其他质子，则邻近没有其他质子，则HaHa共振条件为：共振条件为：0=/(2 )(1-)H0 Ha Ha邻近有邻近有HbHb存在，存在，HbHb 在外磁场中有两在外磁场中有两种自旋取向，相应产生两种自旋磁场，对种自旋取向，相应产生两种自旋磁场，对HaHa核有干扰核有干扰自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分53一种磁场与外磁场一种磁场与外磁场Ho同方向，作用于同方向，作用于Ha的磁场的磁场 HHoH另一种与外磁场反方向，作用于另一种与外磁场反方向，作用于Ha的磁场的磁场 HHoH 1=/(2 )（1-）H0H 2=/(2 )（1-）H0H自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分54 多重峰的峰间距：多重峰的峰间距：偶合常数（偶合常数（J J），），用用来衡量偶合作用的大小反映邻近氢核来衡量偶合作用的大小反映邻近氢核自旋之间的相互干扰程度自旋之间的相互干扰程度。
原子核间的自旋偶合是通过成键电子传原子核间的自旋偶合是通过成键电子传递的，偶合常数的大小与外加磁场无关递的，偶合常数的大小与外加磁场无关偶合常数偶合常数-J55偶合常数与分子结构的关系偶合常数与分子结构的关系 根据偶合质子之间相隔间的数目，可将偶合分根据偶合质子之间相隔间的数目，可将偶合分为：同碳质子偶合为：同碳质子偶合(J J同同)、邻碳质子偶合、邻碳质子偶合(J J邻邻)、远程偶、远程偶合（三个键以上的质子间的偶合）合（三个键以上的质子间的偶合）偶合常数偶合常数-J56偶合常数有正负值，一般间隔奇数键时偶合常数有正负值，一般间隔奇数键时J为为正值，间隔偶数键时正值，间隔偶数键时J为负值1.1.同碳质子偶合常数同碳质子偶合常数(J J同同)1)SP3杂化轨道上的杂化轨道上的J同同=-10-15Hz;2)SP2杂化杂化-C=CH2的的J同同=-2+2Hz;3)环丙烷的环丙烷的J同同=-3-9Hz偶合常数偶合常数-J572.2.邻碳质子偶合常数邻碳质子偶合常数(J J邻邻)饱和型邻位偶合饱和型邻位偶合(H-C-C-H)和烯型和烯型邻位偶合邻位偶合(H-C-C-H).1)饱和型饱和型J邻邻:自由旋转时约为自由旋转时约为7Hz,构型固定时约为构型固定时约为018Hz；2)2)烯型烯型J J邻邻：J J邻（顺）邻（顺）=614Hz，J J邻（反）邻（反）=1118Hz；J J邻（反）邻（反）J J邻（顺）邻（顺）偶合常数偶合常数-J583.3.远程偶合常数远程偶合常数 1)芳香质子偶合常数芳香质子偶合常数 J J邻邻=610Hz,J J间间 =13Hz,J J间间 =0.21.5Hz;2)烯丙基型偶合长常数烯丙基型偶合长常数(H-C=C-C-H)偶合常数为负值，在偶合常数为负值，在0-3Hz之间。
之间偶合常数偶合常数-J59核的化学等价和磁等价性核的化学等价和磁等价性化学等价核：化学等价核：化学位移相同的一组核叫化学等价核化学位移相同的一组核叫化学等价核磁等价：磁等价：分子中有一组化学位移相同的核，他们分子中有一组化学位移相同的核，他们对组外任何一个核的偶合相等值表现出一种耦合对组外任何一个核的偶合相等值表现出一种耦合常数，则这组核称为磁等价的核常数，则这组核称为磁等价的核磁等价的核一定为化学等价的，磁等价的核一定为化学等价的，但化学等价的核不一定磁等价但化学等价的核不一定磁等价60化学不等价核化学不等价核凡符合下列情况之一的，均为化学不等价核：凡符合下列情况之一的，均为化学不等价核：1 1）化学环境不同的核；）化学环境不同的核；2 2）固定环上的）固定环上的CHCH2 2的两个氢；的两个氢；3)3)与不对称碳相连的与不对称碳相连的CHCH2 2的两个氢；的两个氢；4 4）单键带有双键时，会产生磁不等价核；）单键带有双键时，会产生磁不等价核；5 5）单键不能自由旋转时会产生化学不等价核单键不能自由旋转时会产生化学不等价核61核磁共振氢谱谱图分分为一级谱和高级谱核磁共振氢谱谱图分分为一级谱和高级谱。
一级谱的特征：一级谱的特征：自旋裂分峰的数目为自旋裂分峰的数目为2nI+1,I为核的自旋量子数，为核的自旋量子数，n n为相邻基团上发生偶合的磁全同核的数目为相邻基团上发生偶合的磁全同核的数目自旋体系的分类自旋体系的分类 对于氢核则裂分峰的数目为对于氢核则裂分峰的数目为 n+1,称为称为n+1规律62 n+1规律规律（1）当某基团上的氢有）当某基团上的氢有n个相邻氢时，它将裂分为个相邻氢时，它将裂分为n+1个峰若这些相邻氢核处于不同的化学环境中，如一种个峰若这些相邻氢核处于不同的化学环境中，如一种环境为环境为n个，另一种为个，另一种为n个，将裂分为（个，将裂分为（n+1)(n+1)个峰个峰;（2）自旋裂分峰的强度比基本上为二项式各项系数之比）自旋裂分峰的强度比基本上为二项式各项系数之比.（3）一组多重峰的中心即为化学位移，各重峰间的距离）一组多重峰的中心即为化学位移，各重峰间的距离即为偶合常数即为偶合常数63 n+1规律规律（4）磁全同核之间没有自旋裂分现象，其吸收峰为）磁全同核之间没有自旋裂分现象，其吸收峰为单一峰，如：单一峰，如：CH3-CH3，Cl-CH2-CH2-Cl,CH3-O-等等.峰面积与同类质子数成正比，仅峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例能确定各类质子之间的相对比例64 n+1规律规律-活泼氢活泼氢 活泼氢的峰形与活泼氢之间交换速度有密切关系。
如活泼氢的峰形与活泼氢之间交换速度有密切关系如果交换速度快，即活泼氢在果交换速度快，即活泼氢在O原子上停留时间比原子上停留时间比1/1000秒秒短很多，它就不能感觉到邻近质子两种自旋态的不同影短很多，它就不能感觉到邻近质子两种自旋态的不同影响，而是处于一种平均环境之中邻近质子不对活泼氢响，而是处于一种平均环境之中邻近质子不对活泼氢峰形产生裂分，故显示单峰如羟基、亚氨基等峰形产生裂分，故显示单峰如羟基、亚氨基等邻近质子也只能处于活泼氢的两自旋态平均环境之中邻近质子也只能处于活泼氢的两自旋态平均环境之中，故活泼氢也不对邻近质子产生峰的裂分故活泼氢也不对邻近质子产生峰的裂分65谱图解析与应用谱图解析与应用 核磁共振谱图能够提供的化合物结构信息：核磁共振谱图能够提供的化合物结构信息：（1 1）峰的数目：）峰的数目：多少种多少种（2 2）峰的强度）峰的强度(面积面积)：多少个多少个（3 3）峰的位移）峰的位移()：每类质子所处的化学环境每类质子所处的化学环境（4 4）峰的裂分数：）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数相邻碳原子上质子数（5 5）偶合常数）偶合常数(J J)：确定化合物构型确定化合物构型66谱图解析的步骤谱图解析的步骤(1)(1)检查谱图是否规则：检查谱图是否规则：四甲基硅烷的信号应在零点，四甲基硅烷的信号应在零点，基线平直，积分曲线在没有信号的地方也应平直。
基线平直，积分曲线在没有信号的地方也应平直2)(2)从积分曲线，算出各组信号的相对面积，再参考从积分曲线，算出各组信号的相对面积，再参考分子式中氢原子数目，来决定各组峰代表的质子分子式中氢原子数目，来决定各组峰代表的质子数目也可用可靠的甲基信号或孤立的次甲基信也可用可靠的甲基信号或孤立的次甲基信号为标准计算各组峰代表的质子数号为标准计算各组峰代表的质子数67(3)3)从各组峰的化学位移，偶合常数及峰型，根据它从各组峰的化学位移，偶合常数及峰型，根据它们与化学结构的关系，推出可能的结构单元们与化学结构的关系，推出可能的结构单元可可先解析一些特征的强峰、单峰，如先解析一些特征的强峰、单峰，如CHCH3 3OO，CHCH3 3NN，CHCH3 3-C=C-C=C等，识别低场的信号，醛机、羧基、烯等，识别低场的信号，醛机、羧基、烯醇、磺酸基质子均在醇、磺酸基质子均在9 91616ppmppm之间，再考虑其它之间，再考虑其它偶合峰，推导集团的相互关系偶合峰，推导集团的相互关系4)4)识别谱图中的一级裂分谱，读出识别谱图中的一级裂分谱，读出J J值，值，验证验证J J值是值是否合理谱图解析的步骤谱图解析的步骤68(5)5)结合元素分析、红外光谱、紫外光谱、质谱、结合元素分析、红外光谱、紫外光谱、质谱、1313C C核磁共振谱和化学分析核磁共振谱和化学分析的数据推导化合物的数据推导化合物的结构。
的结构6)6)仔细核对个组信号的化学位移和偶合常数与仔细核对个组信号的化学位移和偶合常数与推定的结构是否相符，必要时，找出类似化推定的结构是否相符，必要时，找出类似化合物的共振谱进行比较，合物的共振谱进行比较，进而确定化合物的进而确定化合物的结构式结构式 谱图解析的步骤谱图解析的步骤6970例例1某化合物分子式为某化合物分子式为C6H10O3，其核磁共振谱其核磁共振谱图如下，试确定该化合物的结构图如下，试确定该化合物的结构示例示例-1 171 解：从化合物分子式解：从化合物分子式C6H10O3求得未知物的不饱和度为求得未知物的不饱和度为2，说明分子中，说明分子中含有含有C=O或或C=C但核磁共振谱中化学位移但核磁共振谱中化学位移5以上没有吸收峰，表明不以上没有吸收峰，表明不存在烯氢谱图中有存在烯氢谱图中有4组峰，化学位移及峰的裂分数目为组峰，化学位移及峰的裂分数目为4.1ppm（四四重峰），重峰），3.5ppm（单峰）单峰）,2.2ppm（单峰），单峰），1.2ppm（三重峰），各三重峰），各组峰的积分高度比为组峰的积分高度比为2：2：3：3，这也是各组峰代表的质子数从化学，这也是各组峰代表的质子数。
从化学位移和峰的裂分数可见位移和峰的裂分数可见4.1ppm和和1.2ppm是互相偶合是互相偶合,与强拉电子基团与强拉电子基团相连，表明分子中存在乙酯基（相连，表明分子中存在乙酯基（COOCH2CH3),3.50ppm为为CH2，2.2ppm为为CH3，均不与其它质子偶合，根据化学位移均不与其它质子偶合，根据化学位移2.2ppm应于拉应于拉电子的羰基相连，即电子的羰基相连，即CH3-C=O示例示例-1 1CH3COCH2COOCH2CH372示例示例-2 273示例示例-2 2 解：从 化 合 物 分 子 式解：从 化 合 物 分 子 式C6H8O3求得未知物的不饱求得未知物的不饱和度为和度为3，说明分子中没有，说明分子中没有苯环苯环根据红外信息，可根据红外信息，可能为酸酐能为酸酐NMR谱图中有谱图中有2组峰，各组峰的积分高度组峰，各组峰的积分高度比为比为1：3，这也是各组峰，这也是各组峰代表的质子数代表的质子数74示例示例-3 3例例3某化合物分子式为某化合物分子式为C9H12，其核磁共振谱图如其核磁共振谱图如下，试确定该化合物的结构下，试确定该化合物的结构75 解：从化合物分子式解：从化合物分子式C C9 9H H1212求得未知物的不饱和度为求得未知物的不饱和度为5 5，说明分子中含有苯环，说明分子中含有苯环。
NMRNMR谱图中有谱图中有4 4组峰，各组峰，各组峰的积分高度比为组峰的积分高度比为5 5：2 2：2 2：3 3，这也是各组峰代，这也是各组峰代表的质子数表的质子数示例示例-3 376示例示例-4 477 解：从化合物分子式解：从化合物分子式C C9 9H H1010OO求得未知物的不饱和度求得未知物的不饱和度为为5 5，说明分子中含有苯环，说明分子中含有苯环根据红外信息，可知结根据红外信息，可知结构中含有羟基、苯环和构中含有羟基、苯环和C=CC=C双键NMRNMR谱图中有谱图中有4 4组峰，各组峰的积分高度比为组峰，各组峰的积分高度比为5 5：2 2：2 2：1 1，这也是，这也是各组峰代表的质子数各组峰代表的质子数示例示例-4 478核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪1 1永久磁铁：永久磁铁：2 2 射频振荡器射频振荡器：3 3 射频信号接受器射频信号接受器（检测器）（检测器）4 4样品管样品管：791 1永久磁铁：永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一匀，不均匀性小于六千万分之一2 2 射频振荡器：射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。
频率的电磁辐射信号200MHz200MHz或或400MHz400MHz3 3 射频信号接受器（检测器）：射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号在感应线圈中产生毫伏级信号4 4样品管：样品管：外径外径5 5mmmm的玻璃管的玻璃管,测量过程中旋转测量过程中旋转,磁场作用均匀磁场作用均匀核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪80核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪81核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪82本章小结本章小结。