核磁共振波譜基本原理和應(yīng)用

1、核磁共振波譜基本原理和應(yīng)用 利用核磁共振進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定，定性與定量分析的方法稱為核磁共振波譜法。簡(jiǎn)稱 NMR。 將磁性原子核放入強(qiáng)磁場(chǎng)后，用適宜頻率的電磁波照射，它們會(huì)吸收能量，發(fā)生原子核能級(jí)躍遷，同時(shí)產(chǎn)生核磁共振信號(hào)，得到核磁共振 在有機(jī)化合物中，經(jīng)常研究的是1H和13C的共振吸收譜，本章重點(diǎn)介紹1H核共振的原理及應(yīng)用。核磁共振波譜與紫外可見(jiàn)光譜和紅外光譜的比較紫外-可見(jiàn)紅外核磁共振吸收能量紫外可見(jiàn)光200780nm紅外光780nm1000m無(wú)線電波1100m波長(zhǎng)最長(zhǎng)，能量最小,不能發(fā)生電子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷躍遷類型電子能級(jí)躍遷振動(dòng)能級(jí)躍遷自旋原子核發(fā)生能級(jí)躍遷共同點(diǎn)都是吸收光譜NMR是結(jié)構(gòu)分析

2、的重要工具之一，在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、臨床等研究工作中得到了廣泛的應(yīng)用。分析測(cè)定時(shí)，樣品不會(huì)受到破壞，屬于無(wú)破損分析方法。 回顧: 1945年哈佛大學(xué)Purcell小組和斯福大學(xué)Block小組幾乎同時(shí)觀測(cè)了石蠟中質(zhì)子的信號(hào)， 1952年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1951年Arnold發(fā)現(xiàn)化學(xué)位移現(xiàn)象。1952年Hahn等發(fā)現(xiàn)自旋偶合現(xiàn)象，顯示NMR技術(shù)可用來(lái)研究分子結(jié)構(gòu)。1953年第一臺(tái)30MHz(CW-30MHz，Varian公司)。1965年提出快速FT變換方法。1966年等實(shí)現(xiàn)了FT-NMR實(shí)驗(yàn)。將信號(hào)采集由頻率域時(shí)域，使信號(hào)累加變得容易，大大提高了NMR靈敏度，13C核的測(cè)量成為可能，這是一次NM

3、R的革命。1971年首次引入二維譜的概念。1974年小組首次成功地實(shí)現(xiàn)二維實(shí)驗(yàn)， NMR進(jìn)入全新時(shí)代。1991年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2002年獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)(K. Wthrich)。NMR示意圖：一、原子核的自旋與磁矩二、核磁共振現(xiàn)象三、核磁共振條件第一節(jié) 核磁共振的基本原理一、 原子核的自旋與磁矩若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩：自旋角動(dòng)量：核 磁 矩：I：自旋量子數(shù)；h：普朗克常數(shù)； ：磁旋比或旋磁比自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩，原子的自旋情況可以用（I）表征：質(zhì)量數(shù) 核電荷數(shù) 自旋量子數(shù)I偶數(shù) 偶數(shù) 0偶數(shù) 奇數(shù) 1，2，3.奇數(shù) 奇數(shù)或偶數(shù) 1/2；3/2；5/2. 1 I=0 的

4、原子核 16O；12C；32S等 ， 無(wú)自旋，沒(méi)有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收。2 I=1 或 I 1的原子核 I=1： 2H， 14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2： 17O，127I 這類原子核的核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少；31/2的原子核 1H，13C，15N,19F，31P 原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象，C，H也是有機(jī)化合物的主要組成元素。二、 核磁共振現(xiàn)象 自旋量子數(shù) I=1/2的原子核（氫核），可當(dāng)作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，類似一個(gè)

5、小磁鐵。當(dāng)置于外加磁場(chǎng)H0中時(shí)，相對(duì)于外磁場(chǎng)，可以有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：(1)與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù)1/2;(2)與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù)1/2;核自旋能級(jí)和取向： 把自旋核放在場(chǎng)強(qiáng)為B0的磁場(chǎng)中，由于磁矩 與 磁場(chǎng)相互作用，核磁矩相對(duì)外加磁場(chǎng)有不同的取向，共有2I+1個(gè)，各取向可用磁量子數(shù)m表示 m=I, I-1, I-2, -I每種取向各對(duì)應(yīng)一定能量狀態(tài) I=1/2的氫核在B0中只有兩種取向 I=1的氫核在B0中有三種取向根據(jù)電磁理論，磁矩在外磁場(chǎng)中與磁場(chǎng)的作用 能E的關(guān)系為：E B0與外磁場(chǎng)平行，能量較低，m=+1/2, E 1/2

6、= B0與外磁場(chǎng)方向相反, 能量較高, m= -1/2, E -1/2=B0I=1/2的氫核兩種取向不完全與外磁場(chǎng)平行，5424 和 125 36相互作用, 產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)(拉莫進(jìn)動(dòng))，進(jìn)動(dòng)頻率 0； 角速度0；0 = 2 0 = B0 磁旋比； B0外磁場(chǎng)強(qiáng)度；兩種進(jìn)動(dòng)取向不同的氫核之間的能級(jí)差：E=2 B0 （: 磁矩）I=1/2的核自旋能級(jí)裂分與B0的關(guān)系:由式 E = -B0及圖可知1H核在磁場(chǎng) 中，由低能級(jí)E1向高能級(jí)E2躍遷,所需能量為： E=E2E1= B0 -(-B0) = 2 B0E與核磁矩及外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，外加磁場(chǎng)B0越大，能級(jí)分裂越大，E越大。無(wú)磁場(chǎng)(簡(jiǎn)并） E1= - B0

7、E2= +B0E=2 B0m= -1/2m= +1/2三、核磁共振條件 在外磁場(chǎng)中，原子核能級(jí)產(chǎn)生裂分，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，需要吸收能量。 能級(jí)量子化。射頻振蕩線圈產(chǎn)生電磁波。對(duì)于氫核，能級(jí)差： E= 2H0 （磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E= 2H0 = h 0由拉莫進(jìn)動(dòng)方程：0 = 20 = H0 ; 共振條件： 0 = H0 / (2 )(核磁共振理論基礎(chǔ)）磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，對(duì)某元素是定值。是磁性核的一個(gè)特征常數(shù)（/=eg/2Mc)例：H原子H=2.68108T-1S-1(特斯拉-1 秒-1) C13核的C =6.73107 T-1S-1核磁共振的條件：(1) 核有自旋

8、(磁性核)(2) 外磁場(chǎng),能級(jí)裂分;(3) 進(jìn)動(dòng)頻率與外磁場(chǎng)的比值0/H0=/2由共振條件 0 = H0 / (2 ) 可知：（1）對(duì)于同一種核 ，磁旋比 為定值， H0變，射頻頻率變。（2）不同種原子核，磁旋比 不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和射頻頻率不同。 （3） 固定H0 ，改變（掃頻） ，不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振。也可固定 ，改變H0 （掃場(chǎng)）。 掃場(chǎng)方式應(yīng)用較多。 氫核（1H）： 1.409 T 共振頻率 60 MHz 2.305 T 共振頻率 100 MHz 磁場(chǎng)強(qiáng)度H0的單位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉，Tesla）討論：核磁共振現(xiàn)象:如果以一定頻率

9、的電磁波照射處于磁場(chǎng)H0中的核，且射頻頻率恰好滿足下列關(guān)系時(shí)： h =E E=2 H0 處于低能態(tài)的核將吸收射頻能量而躍遷至高能態(tài)，這種現(xiàn)象叫做核磁共振現(xiàn)象。自旋核的躍遷能量磁性核h =E高能級(jí)低能級(jí)結(jié)論：（1）對(duì)自旋量子數(shù)I=1/2的同一核來(lái)說(shuō)，因磁矩為一定值，為常數(shù)，所以發(fā)生共振時(shí)，照射頻率的大小取決于外磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，為使核發(fā)生共振，照射頻率也相應(yīng)增加；反之，則減小。例：外磁場(chǎng)B0（特斯拉，法定計(jì)量單位） 如外磁場(chǎng) B0=2.35T =100MHz1H 的共振頻率為:(2)對(duì)自旋量子數(shù)I=1/2的不同核來(lái)說(shuō)，若同時(shí)放入一固定磁場(chǎng) 中，共振頻率取決于核本身磁矩的大小, 大

10、的核，發(fā)生共振 所需的照射頻率也大；反之，則小。例：13C的共振頻率為: 一些磁核的性質(zhì)同位素I天然豐度（%）u/107絕對(duì)靈敏度共振頻率（MHz)/B=7.0463T1H1/299.982.7926.751.003002H10.0150.861.45*10-646.0513C1/21.110.706.731.76*10-475.4314N199.630.401.01*10-321.6715N1/20.37-0.28-2.713.85*10-630.4019F1/21002.6325.180.83282.2331P1/21001.1310.846.63*10-2121.40 核自旋能級(jí)分布和馳

11、豫：(一)核自旋能級(jí)分布 1H核在磁場(chǎng)作用下,被分裂為m=+1/2和m=-1/2兩個(gè)能級(jí)，處在低能態(tài)核和處于高能態(tài)核的分布服從波爾茲曼分布定律： 當(dāng)B0 = 1.409 T,溫度為300K時(shí),高能態(tài)和低能態(tài)的1H核數(shù)之比為： 處于低能級(jí)的核數(shù)比高能態(tài)核數(shù)多十萬(wàn)分之一,而NMR信號(hào)就是靠這極弱過(guò)量的低能態(tài)核產(chǎn)生的=高能態(tài)m=-1/2若以合適的射頻照射處于磁場(chǎng)的核，核吸收能量后，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，其凈效應(yīng)是吸收能量，產(chǎn)生共振信號(hào)。若高能態(tài)核不能通過(guò)有效途徑釋放能量回到低能態(tài)，低能態(tài)的核數(shù)越來(lái)越少，一定時(shí)間后， N(-1/2)=N(+1/2)，這時(shí)不再吸收，核磁共振信號(hào)消失，這種現(xiàn)象為“飽和”。

12、必須通過(guò)核自旋弛豫來(lái)保持低能態(tài)的核的數(shù)目占微弱多數(shù)。據(jù)波爾茲曼定律，提高外磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低工作溫度，可減少 N(-1/2) / N(+1/2)值,，提高觀察NMR信號(hào)的靈敏度。(二)核自旋馳豫 馳豫過(guò)程是核磁共振現(xiàn)象發(fā)生后得以保持的必要條件。高能態(tài)核 低能態(tài)核自發(fā)輻射的概率近似為零通過(guò)一些非輻射途徑 將自身的能量傳遞給周?chē)h(huán)境或其它低能級(jí)態(tài)。這種過(guò)程叫核自旋馳豫 激發(fā)到高能態(tài)的核必須通過(guò)適當(dāng)?shù)耐緩綄⑵浍@得的能量釋放到周?chē)h(huán)境中去，使核從高能態(tài)回到原來(lái)的低能態(tài),這一過(guò)程稱為振動(dòng)馳豫。自旋弛豫分為自旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫兩種形式。第二節(jié) 核磁共振波譜儀與實(shí)驗(yàn)方法核磁共振波譜儀按掃描方式不同分為兩大

13、類： 連續(xù)波核磁共振儀 脈沖傅里葉變換核磁共振儀一、連續(xù)波核磁共振儀核磁共振儀可設(shè)計(jì)為兩種方法： 固定磁場(chǎng)B0，改變射頻頻率掃頻法。較困難 固定射頻頻率，改變磁場(chǎng)B0掃場(chǎng)法。通常用1、永久磁鐵：提供外磁場(chǎng)，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬(wàn)分之一。2、射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場(chǎng)，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號(hào)。60MHz至600MHz或更高。3、射頻信號(hào)接受器（檢測(cè)器）：當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率與輻射頻率相匹配時(shí)，發(fā)生能級(jí)躍遷，吸收能量，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生毫伏級(jí)信號(hào)。4、掃場(chǎng)線圈（掃描發(fā)生器線圈）：用于進(jìn)行掃描操作。在磁鐵的強(qiáng)磁場(chǎng)外，提供可變的附加磁場(chǎng)。5、樣品管：外徑5mm的玻璃管,測(cè)量過(guò)程中旋轉(zhuǎn),

14、 磁場(chǎng)作用均勻。儀器組成： 射頻振蕩線圈安裝在探頭中，產(chǎn)生一定頻率的射頻輻射，用來(lái)激發(fā)核。射頻接受圈也安裝在探頭中，用來(lái)探測(cè)核磁共振時(shí)的吸收信號(hào)，一組掃描線圈安裝在磁鐵兩極上，在磁場(chǎng)方向B0上疊加小磁場(chǎng)B0,改變B0的大小, 以達(dá)掃場(chǎng)的目的。 用磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)而穩(wěn)定、均勻的磁場(chǎng)B0, 在兩磁極中間安裝1個(gè)探頭, 在探頭中央插入試樣管; 試樣管在壓縮空氣推動(dòng)下, 勻速而平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)。工作原理：二 傅立葉變換核磁共振波譜儀 不是通過(guò)掃場(chǎng)或掃頻產(chǎn)生共振； 恒定磁場(chǎng)，施加全頻脈沖，產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換獲得核磁共振譜圖。核磁共振波譜的測(cè)定：樣品：樣品要求純度高，固體樣品和粘度大液體

15、樣 品溶解后測(cè)定靈敏度高。溶劑：氘代試劑(CDCl3, C6D6 ,CD3OD, CD3COCD3, C5D5N )標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷 (CH3)4Si ，縮寫(xiě)：TMS 優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)簡(jiǎn)單，且在高場(chǎng)，其他信號(hào)在低 場(chǎng)；沸點(diǎn)低（26.5 oC)，利于回收樣品；易溶 于有機(jī)溶劑；化學(xué)惰性。方法：內(nèi)標(biāo)法和外標(biāo)法。第三節(jié) 1H的化學(xué)位移一、電子屏蔽效應(yīng)與化學(xué)位移二、影響化學(xué)位移的因素一、電子屏蔽效應(yīng)與化學(xué)位移 理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件： 0 = B0 / (2 ) 產(chǎn)生單一的吸收峰； 實(shí)際上，氫核受周?chē)粩噙\(yùn)動(dòng)著的電子影響。在外磁場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)著的電子產(chǎn)生相對(duì)于外磁場(chǎng)方向的感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向

16、與外磁場(chǎng)相反，減弱了外磁場(chǎng)對(duì)氫核的作用，對(duì)氫核起到屏蔽作用，使氫核實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減弱： Beff=B0-B0 = (1- )B0 ：屏蔽常數(shù)。 越大，屏蔽效應(yīng)越大。 0 = / (2 ) (1- )B0 這種感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)外磁場(chǎng)的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應(yīng)?；瘜W(xué)位移： 0 = / (2 ) （1- ）B0 由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)生共振需要更大的外磁場(chǎng)強(qiáng)度（相對(duì)于裸露的氫核），來(lái)抵消屏蔽影響。 在有機(jī)化合物中，由于分子中各組質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同，各種氫核 周?chē)碾娮釉泼芏炔煌舱耦l率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。化學(xué)位移的表示方法：1位移的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有完全裸露的氫核，

17、沒(méi)有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4(Tetramethysilane,TMS)(內(nèi)標(biāo)) 位移常數(shù) TMS=02為什么用TMS作為基準(zhǔn)? (1) 12個(gè)氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰； （2）屏蔽強(qiáng)烈，位移最大。與有機(jī)化合物中的質(zhì)子峰不重迭； （3）化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。 與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位移最大，但規(guī)定 TMS=0，其他種類氫核的位移為負(fù)值，負(fù)號(hào)不加。 = （ 樣 - TMS) / TMS 106 (ppm) 小，屏蔽強(qiáng)，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，在高場(chǎng)出現(xiàn)，圖右側(cè)； 大，屏蔽弱，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度小，在低場(chǎng)出現(xiàn)，圖左側(cè)；二、影響化學(xué)位

18、移的因素 化學(xué)位移是由于核外電子云的對(duì)外磁場(chǎng)的屏蔽引起的，核外電子云密度的強(qiáng)弱決定了屏蔽的大小，凡是能使核外電子云密度改變的因素都能影響化學(xué)位移。影響因素內(nèi)部 元素電負(fù)性，磁的各向異性效應(yīng)等外部 溶劑效應(yīng)，氫鍵的形成等具體因素主要有：誘導(dǎo)效應(yīng)化學(xué)鍵的各向異性共軛效應(yīng)氫鍵效應(yīng)溶劑效應(yīng)1、誘導(dǎo)效應(yīng)( 電負(fù)性取代基的影響 )CH3OHCH3FCH3ClCH3BrCH3I CH4TMS3.54.03.02.82.52.11.83.144.263.052.682.160.230CH4CH3ClCH2Cl2CHCl3(ppm)0.233.055.337.27氫核與電負(fù)性的原子或基團(tuán)相連時(shí), 使氫核周?chē)娮?/p>

19、云密度降低，產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng)。去屏蔽效應(yīng)大，化學(xué)位移 值大，低場(chǎng) 去屏蔽作用小， 值小，處在高場(chǎng)。元素的電負(fù)性越大，或者取代基團(tuán)的吸電子作用越強(qiáng)，去屏蔽作用越大，化學(xué)位移越大。電負(fù)性大的元素距離氫核越遠(yuǎn)，去屏蔽效應(yīng)越小，化學(xué)位移值越小。討論:CH3CH2CH2X 0.93 1.53 3.49 OH1.06 1.81 3.47 Cl2、化學(xué)鍵的磁各向異性效應(yīng)在外磁場(chǎng)的作用下，分子中處于某一化學(xué)鍵（單鍵 , 雙鍵, 三鍵和大 鍵）的不同空間位置的氫核，受到不同的屏蔽作用，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)鍵的磁各向異性效應(yīng)。原因: 電子構(gòu)成的化學(xué)鍵，在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生一個(gè)各向異性的次級(jí)磁場(chǎng)，使得某些位置上氫核受到屏蔽

20、效應(yīng)，而另一些位置上的氫核受到去屏蔽效應(yīng)。例如，芳環(huán)的大鍵在外磁場(chǎng)的作用下形成上下兩圈電子環(huán)電流，因而苯環(huán)平面上下電子云密度大，形成屏蔽區(qū)“+”,而環(huán)平面各側(cè)電子云密度低，形成去屏蔽區(qū) “”苯環(huán)的氫核正處于去屏蔽區(qū)，共振信號(hào)向低場(chǎng)區(qū)移動(dòng)，其化學(xué)位移值大；如果分子中有的氫核處于苯環(huán)的屏蔽區(qū),則共振信號(hào)向高場(chǎng)區(qū)移動(dòng)，值會(huì)減小。+HH18-輪烯：HHHHHHHHHHHHHHHd =-2.99 d =9.28 HCH3位于苯環(huán)上方的屏蔽區(qū)CH3位于苯環(huán)旁邊的去屏蔽區(qū) 雙鍵 電子的情況與苯環(huán)相似，如乙烯的氫核處于弱屏蔽區(qū)，其化學(xué)位移較大，達(dá)到。 三鍵的各向異性使乙炔的H核處于屏蔽區(qū)，化學(xué)位移較小， 單鍵

21、：較弱的磁各向異性效應(yīng) 3、共軛效應(yīng)4、氫鍵效應(yīng)鍵合在雜原子上的質(zhì)子易形成氫鍵。氫鍵質(zhì)子比沒(méi)有形成氫鍵的質(zhì)子有較小的屏蔽效應(yīng)?；瘜W(xué)位移值變大。形成氫鍵傾向越強(qiáng)烈，質(zhì)子受到的屏蔽效應(yīng)就越小，因此在較低場(chǎng)發(fā)生共振，即化學(xué)位移值較大。形成氫鍵傾向受溶液的濃度影響，如在極稀的甲醇中，形成氫鍵傾向小，故羥基中質(zhì)子的化學(xué)位移小，；而在濃溶液中形成氫鍵傾向大,化學(xué)位移值大，。同一試樣在不同溶劑中由于受到不同溶劑分子的作用，化學(xué)位移發(fā)生變化，稱為溶劑效應(yīng)。溶劑效應(yīng)的產(chǎn)生是由于溶劑的磁各向異性造成或者是由于不同溶劑極性不同,與溶質(zhì)形成氫鍵的強(qiáng)弱不同引起的。5、溶劑效應(yīng) 提示：在核磁共振波譜分析中,一定要注明是在

22、什么溶劑下的 ；一般在惰性溶劑的稀溶液中，化學(xué)位移變化不大，所以盡量選用惰性溶劑，少用或不用強(qiáng)極性溶劑； 如在CCl4、CDCl3、CS2中。 溶液濃度0.050.5molL-1。 被測(cè)物純度要高。400 MHz NMR Spectrometer400 MHz Avance System計(jì)算機(jī)電子控制柜超導(dǎo)體（鈮鈦超導(dǎo)材料）400 MHz Superconducting Magnetmagnetic field strength 9.4 Tesla (94,000 gauss) 400 MHz is the frequency usedfor proton detection in this

23、fieldNMR sample tube and holderdescend into center of magnetKeep metal (ferromagnetic)objects, pacemakers, and credit cards several feet away!NMR Sample Position(prior to release into probe)Liquid Helium K)Liquid Nitrogen K)NMR samplepositioned at top of probeSuperconducting magnetsrequire continuous cooling.5