核磁共振原理及其在
生物学中的应用
第二章 化学位移
§ 2.1 — § 2.3
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移
?化学位移的定义
?化学位移和分子结构
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移的定义
?核磁共振的共振条件是 ?= ?H0。 同一种原
子核，由于旋磁比相同，因而在相同外磁场下只应
有一个共振频率。
同一种核在分子中
不同化学环境下共
振频率的位移称为
化学位移
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移产生的原因
原子核处于分子内部，分子中运动的电子受到外
磁场的作用，产生感生电流。这一感生电流在核
上产生 感生磁场,感生磁场与外磁场相互叠加，
使核上受到的有效场发生变化。我们把这一现象
称为核受到了 屏蔽 。屏蔽作用的大小可用 屏蔽因
子 ?来表示
Htotal＝ H0－ ?H0 ＝ (1－ ?)H0
?抗磁性物质
?顺磁性物质
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移的 各向异性
?由于化学键造成电荷分布的不对称性，
使化学位移具有 各向异性,所以一般来
说屏蔽因子是一个两阶张量,有九个分量。
?在液体中，由于分子的快速旋转，我们
看到的只是其平均值，即各向同性值
?固态
?液晶
?生物膜
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
固体粉末谱
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
液晶溶剂中的核磁谱
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移的表示方法
?实际工作中测量的都是相对的化学位移，即以某一参考
物的谱线为标准。最常用的参考物是四甲基硅 (CH3)4Si，
简称 TMS
?因为化学位移的大小与磁场强度成正比，为了比较
在不同场强谱仪的化学位移，实际工作中常用一种与
磁场强度无关的，无量刚的值,?，来表示化学位移
的大小
? ? ? ?H HH ppmr e f sa m
r e f
10 6?
? ?
??
? ?sa m ref
ref
ppm10 6
?高场低频，低场高频。其实这是对于两种不同的扫描方
式而言的，不要混淆
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
1H谱化学位移的分布
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移
?化学位移的定义
?化学位移和分子结构
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移和分子结构的关系
?分子中电子对核的屏蔽作用是化学位移形成的原因。屏
蔽的大小和外加磁场的大小、核的种类、核所处化学键
的类型、核周围邻近的化学基团以及其它分子的相互作
用都有关系
?局部逆磁作用
?局部顺磁作用
?邻近基团的磁各向异性
?环流效应
?氢键
?溶剂作用
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部逆磁作用
局部逆磁作用 -1
s电子对核的屏蔽
Lamb首先计算了球对称的 s态电
子对核的屏蔽。在外磁场的作用
下，诱导产生感生电流。这一感
生电流产生一个与外磁场方向相
反的诱导磁场，它使核上所受到
的有效磁场减小,即使核受到了屏
蔽,产生了高场位移。 若电子密
度增加,?d增加，屏蔽增加，引
起高场位移；若减少电子密度，
?d减少，屏蔽减少，引起低场位
移
z
r
H
0
?
i
H
?
?
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部逆磁作用 -2
诱导效应 即相连原子或基团的电负性对核化学位移的影响：
?附近的 吸电子基团 使核周围的电子云密度降低，屏蔽效应也
降低，去屏蔽增加,化学位移向低场移动
?附近的 推电子基团 使核周围的电子云密度增加，屏蔽效应也
增加,化学位移向高场移动
例如在 CH3X中,CH3 的化学位移 ?值与取代基 X的电负性 Ex
有显著的依赖关系：
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部逆磁作用 -3
共轭效应, 在具有多重键或共轭多重键的分子体系中，
由于 ?电子的转移,导致某基团电子密度和磁屏蔽的改变
3
.,
3
5, 2 8
a
a
O C H
H
CC
H
H H
CC
H
H
H
H
CC
H
H
C C H
O
3, 8 8
4, 0 3 6, 2 7
5, 9 0
p-?共轭 (推电子给邻位 ) ? -?共轭 (从邻位拉电子 )
H H
C H
O
7, 8 1
H
H?
??
H
6, 7 3 ? ?? ?
?
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部顺磁作用
局部顺磁效应, 当分子中具有不对称的电子云分布时，外
加磁场引起激发态和基态波函数之间的混合，导致去屏蔽
作用产生。 s电子的电子云分布具有球对称性，轨道角动量
为零，局部顺磁屏蔽项 ?p为零。
?质子没有局部顺磁屏蔽作用
?非氢原子的局部顺磁屏蔽作用往往很重要,57Fe 化学位移
范围可达几千 PPM
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
邻近基团的磁各向异性
SP2 碳电子云分布各向同性
SP3碳电子云分布各向异性
邻近基团的磁各向异性
双键和羰基的屏蔽
CC
+
+
__
C
+
+
__
O
H O H
3, 5 5 p p m
O H H
3, 7 5 p p m
醛基质子位于去屏
蔽区，加上由于羰
基电负性引起的去
屏蔽效应因此其共
振峰出现在低场位
置 (?＝ 9.2-10.5ppm)
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
邻近基团的磁各向异性 -3
三键的屏蔽
+
+
H 0
_ _
乙炔质子位于正屏蔽区，因
此其共振峰出现在高场区
( =1.8ppm)
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
邻近基团的磁各向异性 -3
环流效应, 由于苯环 ?电子的离
域性，在外磁场 H0的作用下，当
H0的方向垂直于苯环平面时,? 电
子便沿着苯环碳链流动，形成所
谓环电流，电子流动的结果产生
磁场，感应磁场的方向与 H0 相反
+
+
__
H
0
芳烃质子的 ?=7.30ppm
烯烃质子的 ?=5.25ppm
?环流效应的存在与否可作
为化合物有无芳香性的判据
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
苯环和三键
各种 π系统的化学位移各向异性
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
溶剂效应
?由于溶剂与溶质分子间的相互作用，使得在不
同溶剂下的溶质分子的化学位移不同
?CDCl3和 CCl4等溶剂对化合物的 ?值基本上没有
影响
?芳香性的溶剂，如 C6H6,C6D6或 C5H5N,则变化
较大
?对于 OH,SH,NH2和 NH等活泼氢而言，溶剂效
应更为强烈
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
氢键效应
?氢键形成对质子化学位移的影响不能简
单予以解释。当 H和 Y形成氢键 X-H???Y时，
一方面Ｙ的存在使 X-H键的电子云受到畸
变，使质子去屏蔽，化学位移增加。另
一方面，给体原子或基团的磁各向异性
可能使质子受到屏蔽，化学位移减少。
其中去屏蔽作用是主要的，所以观测到
的是 氢键形成低场位移
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
H H O
O H H.,,
在常温下，水分子间就存在缔合
温度降低时缔合作用增强，水的谱线向低场方向移动
水的化学位移：
4.5 --- 5 3.4 (DMSO) 2.6 (丙酮 ) 1.5 (氯仿 )
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
在烯醇型中存在着分子内部氢键，这种具
有内部氢键的质子共振峰往往出现在低场
位置上，其 ?值可高达 15-19ppm
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
氢键对于生物大分子构象研究非常重要
?氢键是维持生物大分子构象的一种重要的
相互作用
研究氢键通常有下面几种方法,
?测定酰胺质子 -NH的 H-D交换速率
?观察溶剂变化时化学位移所受到的影响
?跟踪酰胺质子化学位移随温度的变化
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
pH的影响
不同 pH下分
子的带电状态
不同，而不同
带电状态下基
团中质子共振
峰的位置也不
同
H N CRH C O O H H N - CRH C O O H N CRH C O O3+ H 3 OH 2+ -? ? ? ?? ? ? ??? ? ?? ? ?
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
解离平衡常数的测定
考虑存在如下平衡,XH?X-+H+
平衡常数为 KA=[X-][H+]/[HX]
假定在这两种情况下 X的化学位移分别是 ?min (当它以 X- 存
在时 )以及 ?+?min (当它以 HX形式存在时 )
? ? ?? ? ? ? ?? ? ?[ ][ ] [ ] ( ) [ ][ ] [ ]m i n m i nHXHX X XHX X?
? ?? ? ??
? ?
? ?min
( )
( )
? 10
1 10
pH pK A
pH pK A
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吴季辉
生物学中的应用
第二章 化学位移
§ 2.1 — § 2.3
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移
?化学位移的定义
?化学位移和分子结构
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移的定义
?核磁共振的共振条件是 ?= ?H0。 同一种原
子核，由于旋磁比相同，因而在相同外磁场下只应
有一个共振频率。
同一种核在分子中
不同化学环境下共
振频率的位移称为
化学位移
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移产生的原因
原子核处于分子内部，分子中运动的电子受到外
磁场的作用，产生感生电流。这一感生电流在核
上产生 感生磁场,感生磁场与外磁场相互叠加，
使核上受到的有效场发生变化。我们把这一现象
称为核受到了 屏蔽 。屏蔽作用的大小可用 屏蔽因
子 ?来表示
Htotal＝ H0－ ?H0 ＝ (1－ ?)H0
?抗磁性物质
?顺磁性物质
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移的 各向异性
?由于化学键造成电荷分布的不对称性，
使化学位移具有 各向异性,所以一般来
说屏蔽因子是一个两阶张量,有九个分量。
?在液体中，由于分子的快速旋转，我们
看到的只是其平均值，即各向同性值
?固态
?液晶
?生物膜
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
固体粉末谱
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
液晶溶剂中的核磁谱
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移的表示方法
?实际工作中测量的都是相对的化学位移，即以某一参考
物的谱线为标准。最常用的参考物是四甲基硅 (CH3)4Si，
简称 TMS
?因为化学位移的大小与磁场强度成正比，为了比较
在不同场强谱仪的化学位移，实际工作中常用一种与
磁场强度无关的，无量刚的值,?，来表示化学位移
的大小
? ? ? ?H HH ppmr e f sa m
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? ?
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? ?sa m ref
ref
ppm10 6
?高场低频，低场高频。其实这是对于两种不同的扫描方
式而言的，不要混淆
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
1H谱化学位移的分布
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移
?化学位移的定义
?化学位移和分子结构
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
化学位移和分子结构的关系
?分子中电子对核的屏蔽作用是化学位移形成的原因。屏
蔽的大小和外加磁场的大小、核的种类、核所处化学键
的类型、核周围邻近的化学基团以及其它分子的相互作
用都有关系
?局部逆磁作用
?局部顺磁作用
?邻近基团的磁各向异性
?环流效应
?氢键
?溶剂作用
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部逆磁作用
局部逆磁作用 -1
s电子对核的屏蔽
Lamb首先计算了球对称的 s态电
子对核的屏蔽。在外磁场的作用
下，诱导产生感生电流。这一感
生电流产生一个与外磁场方向相
反的诱导磁场，它使核上所受到
的有效磁场减小,即使核受到了屏
蔽,产生了高场位移。 若电子密
度增加,?d增加，屏蔽增加，引
起高场位移；若减少电子密度，
?d减少，屏蔽减少，引起低场位
移
z
r
H
0
?
i
H
?
?
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部逆磁作用 -2
诱导效应 即相连原子或基团的电负性对核化学位移的影响：
?附近的 吸电子基团 使核周围的电子云密度降低，屏蔽效应也
降低，去屏蔽增加,化学位移向低场移动
?附近的 推电子基团 使核周围的电子云密度增加，屏蔽效应也
增加,化学位移向高场移动
例如在 CH3X中,CH3 的化学位移 ?值与取代基 X的电负性 Ex
有显著的依赖关系：
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
局部逆磁作用 -3
共轭效应, 在具有多重键或共轭多重键的分子体系中，
由于 ?电子的转移,导致某基团电子密度和磁屏蔽的改变
3
.,
3
5, 2 8
a
a
O C H
H
CC
H
H H
CC
H
H
H
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CC
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C C H
O
3, 8 8
4, 0 3 6, 2 7
5, 9 0
p-?共轭 (推电子给邻位 ) ? -?共轭 (从邻位拉电子 )
H H
C H
O
7, 8 1
H
H?
??
H
6, 7 3 ? ?? ?
?
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吴季辉
局部顺磁作用
局部顺磁效应, 当分子中具有不对称的电子云分布时，外
加磁场引起激发态和基态波函数之间的混合，导致去屏蔽
作用产生。 s电子的电子云分布具有球对称性，轨道角动量
为零，局部顺磁屏蔽项 ?p为零。
?质子没有局部顺磁屏蔽作用
?非氢原子的局部顺磁屏蔽作用往往很重要,57Fe 化学位移
范围可达几千 PPM
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
邻近基团的磁各向异性
SP2 碳电子云分布各向同性
SP3碳电子云分布各向异性
邻近基团的磁各向异性
双键和羰基的屏蔽
CC
+
+
__
C
+
+
__
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H O H
3, 5 5 p p m
O H H
3, 7 5 p p m
醛基质子位于去屏
蔽区，加上由于羰
基电负性引起的去
屏蔽效应因此其共
振峰出现在低场位
置 (?＝ 9.2-10.5ppm)
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
邻近基团的磁各向异性 -3
三键的屏蔽
+
+
H 0
_ _
乙炔质子位于正屏蔽区，因
此其共振峰出现在高场区
( =1.8ppm)
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
邻近基团的磁各向异性 -3
环流效应, 由于苯环 ?电子的离
域性，在外磁场 H0的作用下，当
H0的方向垂直于苯环平面时,? 电
子便沿着苯环碳链流动，形成所
谓环电流，电子流动的结果产生
磁场，感应磁场的方向与 H0 相反
+
+
__
H
0
芳烃质子的 ?=7.30ppm
烯烃质子的 ?=5.25ppm
?环流效应的存在与否可作
为化合物有无芳香性的判据
核磁共振基本原理 3讲
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苯环和三键
各种 π系统的化学位移各向异性
核磁共振基本原理 3讲
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核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
溶剂效应
?由于溶剂与溶质分子间的相互作用，使得在不
同溶剂下的溶质分子的化学位移不同
?CDCl3和 CCl4等溶剂对化合物的 ?值基本上没有
影响
?芳香性的溶剂，如 C6H6,C6D6或 C5H5N,则变化
较大
?对于 OH,SH,NH2和 NH等活泼氢而言，溶剂效
应更为强烈
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
氢键效应
?氢键形成对质子化学位移的影响不能简
单予以解释。当 H和 Y形成氢键 X-H???Y时，
一方面Ｙ的存在使 X-H键的电子云受到畸
变，使质子去屏蔽，化学位移增加。另
一方面，给体原子或基团的磁各向异性
可能使质子受到屏蔽，化学位移减少。
其中去屏蔽作用是主要的，所以观测到
的是 氢键形成低场位移
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
H H O
O H H.,,
在常温下，水分子间就存在缔合
温度降低时缔合作用增强，水的谱线向低场方向移动
水的化学位移：
4.5 --- 5 3.4 (DMSO) 2.6 (丙酮 ) 1.5 (氯仿 )
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
在烯醇型中存在着分子内部氢键，这种具
有内部氢键的质子共振峰往往出现在低场
位置上，其 ?值可高达 15-19ppm
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
氢键对于生物大分子构象研究非常重要
?氢键是维持生物大分子构象的一种重要的
相互作用
研究氢键通常有下面几种方法,
?测定酰胺质子 -NH的 H-D交换速率
?观察溶剂变化时化学位移所受到的影响
?跟踪酰胺质子化学位移随温度的变化
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
pH的影响
不同 pH下分
子的带电状态
不同，而不同
带电状态下基
团中质子共振
峰的位置也不
同
H N CRH C O O H H N - CRH C O O H N CRH C O O3+ H 3 OH 2+ -? ? ? ?? ? ? ??? ? ?? ? ?
核磁共振基本原理 3讲
吴季辉
解离平衡常数的测定
考虑存在如下平衡,XH?X-+H+
平衡常数为 KA=[X-][H+]/[HX]
假定在这两种情况下 X的化学位移分别是 ?min (当它以 X- 存
在时 )以及 ?+?min (当它以 HX形式存在时 )
? ? ?? ? ? ? ?? ? ?[ ][ ] [ ] ( ) [ ][ ] [ ]m i n m i nHXHX X XHX X?
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1 10
pH pK A
pH pK A
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