天然产物核磁共振图解实例

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第1章 核磁共振基础
　　1.1 核磁共振基本知识
　　1945年，F. Bloch和E. M. Purcell几乎同时观察到核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）现象，并于1952年获得诺贝尔物理学奖[1]。核磁共振是指在外磁场作用下，核磁矩不为零的核自旋能级发生分裂，共振吸收某一特定频率的电磁波的物理过程，是能级发生共振跃迁的物理现象。核自旋能级分裂的大小与分子的化学结构密切相关，通过对这些信息的分析，可以了解原子核的化学环境、原子个数、连接基团的种类及分子的空间构型。1951 年，M. E. Packard首次报道乙醇的质子磁共振谱后，揭开了磁共振技术在有机化学中应用的序幕。1953年，美国Varian公司成功研制了世界上第一台商品化的核磁共振仪（30MHz）。随着磁场超导化和脉冲傅里叶变换技术的发展，核磁共振仪的分辨率和灵敏度大大提高。1970～1980年，R. R. Ernst建立二维核磁共振（2D NMR）的理论基础和实验方法，并于1991年获得诺贝尔化学奖；K. Wuthrich发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子的三维结构的方法[2]，并于2002年获得诺贝尔化学奖。如今，核磁共振已经成为鉴定有机化合物结构必不可少的手段，在研究有机分子构型、构象和化学反应动力学等方面也具有突出作用[3-5]。
　　1.1.1 核磁共振的基本原理
　　部分同位素的原子核（如H、C等）之所以能够产生磁共振现象是因为这些核显示磁性，而产生磁性的内在根本原因在于这些核具有本身固有的“自旋”这一运动特性。存在自旋现象的原子核具有自旋角动量（P）：
　　式中，h为普朗克常量；I为核自旋量子数。由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩μ：
　　γ为磁旋比，即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核具有不同的磁旋比，不同的磁性核有特定的γ值。
　　自旋量子数I值与原子核的质量数A和核电荷数Z（质子数或原子序数）有关。质子和中子都是微观粒子，都能自旋，并且同种微观粒子自旋方向相反且配对，所以当质子和中子都为奇数或其中之一是奇数时，就能对原子核的旋转做贡献。因此，只有I≠0的原子核才有自旋运动。I = 0的原子核如16O、12C和32S等无自旋，没有磁矩，也就不会产生共振吸收。I = 1的原子核如2H、14N，I = 3/2的原子核如11B、35Cl、79Br和81Br，I = 5/2的原子核如17O和127I等，这类原子核的核电荷分布接近一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少。I = 1/2的原子核如1H、13C、19F、31P可看作核电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样自旋，有磁矩产生，这样的原子核核磁共振谱线最窄，最适宜于核磁共振检测。此外，C和H也是有机化合物的主要组成元素，因此1H和13C是核磁共振研究的主要对象。
　　自旋核在外加磁场中有2I + 1种取向（在无外电场时，自旋核的取向是任意的）。氢核的I为1/2，因此为两种取向，产生两个能级，一个与外磁场平行，能量低；另一个与外磁场相反，能量高（图1.1）。带有磁性的原子核在外磁场的作用下发生自旋能级分裂，当吸收外来电磁辐射时，将发生核自旋能级的跃迁，从而产生核磁共振现象[6， 7]。
　　图1.1 自旋核在外加磁场作用下的定向分布
　　1.1.2 核磁共振仪
　　商用核磁共振仪始于1953年，使用永久磁铁或电磁体提供自旋核共振的磁场，在高分辨率高灵敏度要求下，目前300～800MHz的高功率仪器已经投入了广泛使用[6]。
　　简单地讲，核磁共振仪主要由永久磁铁、射频发射器、射频接收器、探头、放大器和记录仪等部分组成（图1.2）。样品（一般为外径5 mm的玻璃管中加有氘代试剂的溶液体系）置于探头中，探头由发射线圈（射频发射器）和接收线圈（射频接收器）组成，还有一个旋转装置使样品管沿着垂直方向旋转以平均掉磁场的非均匀性。其中永久磁铁提供外磁场；射频发射器的线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号；射频接收器（检测器）则在自旋核发生能级跃迁，吸收能量时，在感应线圈中产生毫伏级信号，由记录仪完成信号记录，形成核磁共振谱图。
　　图1.2 核磁共振仪原理示意图
　　1.2 氢 谱
　　氢核磁共振谱图简称氢谱，显示为一系列的谱峰，峰的面积与它们所代表的质子数目成正比。峰面积可以数字化采集，得到一系列阶梯状曲线，阶梯的高度与峰面积成正比（图1.3）。通过积分计算质子数，对于确定或验证化合物分子式、检测隐藏峰、确定样品纯度和定量分析都非常有用。峰的位置（即化学位移）是相对于参照谱峰的频率值。
　　图1.3 氢核磁共振谱图实例
　　1.2.1 峰面积
　　在1H NMR谱图中，峰面积正比于等价质子的数目，仪器可以对各吸收峰下的面积进行自动积分，并用阶梯式曲线高度（数值）表示，此曲线称为积分曲线。故而用积分曲线表示峰面积，积分曲线的高度与峰面积呈正比关系。各积分曲线的表示高度（数值）为相对高度，而并非绝对氢核数目。例如，乙醇（CH3CH2OH）中3组质子的积分曲线高度比为3∶2∶1。
　　1.2.2 化学位移
　　当磁性原子核在外磁场的作用下吸收外来电磁辐射而发生核自旋能级的跃迁时，理论上，相同的原子核应该有相同的共振频率，然而即使相同的原子核，只要化学环境不同，其化学位移也会产生微弱的不同，这是核磁共振研究有机化合物结构的理论基础[8]。产生这一现象的原因是核外电子运动会产生一种与外磁场相反的磁场，削弱了外磁场，使原子核实际受到的磁场强度改变，从而导致共振频率发生微弱改变，这种在分子中处于不同化学环境的磁性核的共振频率（Hz）的差异，称为化学位移。
　　1.2.2.1 化学位移的表示方法
　　化学位移的变化只有十万分之一左右，精确测量十分困难。此外，化学位移的大小与磁场强度成正比，仪器的磁场强度不同，所测得的同一原子核的化学位移也不同。为了方便研究，促进核磁共振应用，实际工作中常用一种与磁场强度无关的值来表示化学位移。于是引入了δ的概念，用δ这个相对数值来表示化学位移。目前规定以四甲基硅烷（TMS）为标准物质，将其化学位移定为零，根据样品吸收峰与TMS的相对距离来确定其化学位移值。
　　式中，δ的单位为ppm（百万分之一），是无量纲单位，乘以106是为了使数值便于读取； 表示样品的共振频率； 表示TMS的共振频率； 表示核磁共振仪的射频频率。
　　例如，在60MHz的仪器上，测得CHCl3与TMS间吸收频率之差为437Hz，则CHCl3中1H NMR的化学位移为
　　根据上式，CHCl3在60MHz仪器上的化学位移为7.28ppm。而在600MHz的仪器上，CHCl3与TMS间吸收频率之差为4370Hz，根据上式，CHCl3在600MHz仪器上的化学位移同样为7.28ppm。由此可见，δ的引入避免了仪器的磁场强度不同导致同一原子核的化学位移产生差异。
　　为什么要选用TMS作为标准参考物？因为TMS有以下五个优点：①TMS的甲基受到的屏蔽效应强，其共振信号出现在高场区，把TMS的共振频率定为0，绝大多数样品中氢核和碳核受到的屏蔽效应均比TMS甲基中的氢核和碳核小，不论是在1H NMR谱还是13C NMR谱中其共振吸收峰均出现在它的左边，为正值，氢核和碳核化学位移为负值的样品非常少；②TMS的结构对称，在1H NMR谱和13C NMR谱中均只出现一个单峰，易与样品区分；③TMS沸点只有27℃，易从样品中除去，便于样品回收；④TMS化学性能稳定，与大部分样品分子不易反应，不会缔合；⑤TMS与溶剂或样品的相互溶解性非常好。
　　1.2.2.2 影响化学位移的因素
　　化学位移与核外电子的屏蔽效应密切相关，一般来说，氢原子核外电子云密度越大，氢核所受到的屏蔽作用越大，共振吸收峰越靠近高场位置，化学位移值越小。影响氢核化学位移的因素主要包括诱导效应、共轭效应、各向异性效应、氢键效应和范德华效应等。
　　1）诱导效应
　　与1H相连的C原子上直接连接的取代基X（原子或原子团）的电负性对该1H的化学位移有较大影响，X的电负性越大，整个分子中的成键电子云密度越向X一方偏移，使分子发生极化，这种效应称为诱导效应。诱导效应越强，1H周围电子云密度会越低，屏蔽效应越小，其化学位移也就越靠近低场，δ值越大（表1.1）[9]。
　　表1.1 取代基电负性与化学位移的关系
　　常见有机官能团的电负性都大于氢原子的电负性，当碳原子上的取代基增多时，化学位移向低场移动。取代基数目越多，向低场移动越显著，如化学位移 δ 值的大小顺序为CH4(0.23ppm)＜CH3Cl(3.05ppm)＜CH2Cl2(5.33ppm)＜CHCl3(7.27ppm)。
　　取代基的诱导效应随碳链增长迅速降低，对α-碳原子上的氢化学位移影响最大，对β-碳原子上的氢化学位移影响较小，对γ-碳原子上的氢化学位移的影响非常微小（图1.4）。
　　图1.4 诱导效应随碳链增长迅速降低（单位：ppm）
　　2）共轭效应
　　苯环上的氢被供电子基（如CH3O—、NH2—）取代，由于p-π共轭，杂原子上的孤对电子会向苯环上转移，使苯环的电子云密度增大，化学位移向高场移动，一般来说，这种供电子共轭效应对杂原子邻位氢的屏蔽作用最大，对对位氢的屏蔽作用其次，而对间位氢的屏蔽作用最小（图1.5）。这种效应在取代烯中也有相同的影响。
　　图1.5 共轭效应对苯环氢化学位移的影响（单位：ppm）
　　苯环上被吸电子基（如C=O、NO2）取代时，由于π-π共轭，苯环上的电子向取代基转移，导致苯环的电子云密度降低，化学位移向低场移动。这种效应在取代的烯烃中也有相同的影响（图1.6），但是与氧直接相连的烯氢受诱导效应的影响更大，因此化学位移出现在较低场。
　　图1.6 共轭效应对双键的影响（单位：ppm）
　　3）各向异性效应
　　图1.7 sp杂化的屏蔽作用