核磁共振波譜法 (6)課件

1、關(guān)于核磁共振波譜法 (6)第一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月核磁共振波譜法(NMR)定義：通過(guò)測(cè)量原子核對(duì)射頻輻射的吸收來(lái)確定有機(jī)物或某些生化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型核進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一種極為重要的方法只有那些磁性核（I0）的才能產(chǎn)生吸收在外磁場(chǎng)作用下，原本簡(jiǎn)并的核自旋能級(jí)分裂呈（2I1）個(gè)分立的核磁能級(jí)，當(dāng)外來(lái)輻射能量與相鄰磁能級(jí)的能量間隔相等時(shí)，產(chǎn)生能級(jí)躍遷，發(fā)生核磁共振現(xiàn)象。第二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月發(fā)展簡(jiǎn)史三次諾貝爾獎(jiǎng)，說(shuō)明了核磁共振的重要性。開(kāi)拓在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)：處于不同化學(xué)環(huán)境的同種原子核具有不同的共振頻率（化學(xué)位移）；相鄰自旋核引起的多重譜線（自旋自旋耦

2、合）脈沖技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了FTNMR，使13C在有機(jī)分子結(jié)構(gòu)確定方面得到第三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月近年的發(fā)展譜儀磁場(chǎng)發(fā)展到高強(qiáng)度（1K MHz）：大大提高了靈敏度和分辨率。二維及多維核磁共振譜、多量子躍遷等新測(cè)定技術(shù)：在歸屬?gòu)?fù)雜分子，尤其是溶液中蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的譜線方面非常有用。固體高分辨NMR及核磁共振成像技術(shù)。第四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析，動(dòng)態(tài)過(guò)程：最有效的結(jié)構(gòu)鑒定方法。可獲得化學(xué)鍵、熱力學(xué)參數(shù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。定性、定量分析；產(chǎn)品質(zhì)量鑒定?；瘜W(xué)家、生物化學(xué)家、物理學(xué)家以及醫(yī)學(xué)家的重要工具：有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)、物理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)

3、以及工業(yè)部門。第五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.2 基本原理 原子核的自旋第六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩I與原子的質(zhì)量數(shù)A及原子序數(shù)Z有關(guān)1）質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均為偶數(shù)，I0。2）質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)，I為半整數(shù)倍。3）質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù)，I為整數(shù)。 從而只有2）、3）兩類原子核是核磁共振研究的對(duì)象。第七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月討論:(1) 1/2的原子核 1H，13C，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

4、素。(2) I=1 或 I 0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；第八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月H0m=1/2m=-1/2m=1m= - 1m=0m=2m=1m=0m= - 1m= - 2I=1/2I=1I=2zzz第十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 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)，

5、類似一個(gè)小磁鐵。當(dāng)置于外磁場(chǎng)H0中時(shí)，相對(duì)于外磁場(chǎng)，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;第十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月核磁共振：采用橫向外加適當(dāng)能量的射頻場(chǎng)B1，儀適當(dāng)頻率的電磁波照射核時(shí)可發(fā)生能級(jí)間的躍遷。滿足條件：不同的原子核，由于不同，在同一磁場(chǎng)中發(fā)生共振時(shí)的頻率不同：鑒別元素或同位素；同一種核，磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，共振頻率改變。第十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月弛豫過(guò)程弛豫(relaxtion)高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和(satu

6、rated)低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。第十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月馳豫過(guò)程1.自旋-晶格馳豫：高能態(tài)的以熱能形式傳遞給周圍的離子。 全體核的總能量下降，縱向馳豫。 馳豫時(shí)間T1：反映馳豫過(guò)程效率， 粘度不大，濃度合適的溶液2.自旋-自旋馳豫：相鄰兩能態(tài)不同的相同核之間發(fā)生的能量交換過(guò)程。體系的總能量不變，橫向馳豫。 馳豫時(shí)間T2：固體試樣的小，使得共振吸收峰的寬度增大，分辨率降低。 固體試樣配置成溶液 第十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)位移定義：同一種核，由于在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同，吸收峰有所變化。理想化：裸露的原子核。原子核受周圍不斷運(yùn)動(dòng)著的電子影響

7、。由楞次定律產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)B會(huì)起到屏蔽作用，使實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減小。第十五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月各官能團(tuán)的原子核具有不同的屏蔽常數(shù)，共振吸收峰對(duì)應(yīng)不同的頻率或磁場(chǎng)強(qiáng)度。固定射頻，掃描磁感應(yīng)強(qiáng)度作圖。大的原子核B0需增大才產(chǎn)生共振，將在高磁場(chǎng)處出現(xiàn)吸收峰：原子核結(jié)構(gòu)類型鑒定。第十六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 化學(xué)位移的表示方法位移通常很小，難以準(zhǔn)確測(cè)定絕對(duì)值。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）以其峰位為譜圖坐標(biāo)原點(diǎn)，測(cè)定試樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的共振頻率差。第十七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月位移的表示方法 與裸露的氫核相比，T

8、MS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。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)； 為什么用TMS作為基準(zhǔn)? a. 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； b.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； c.化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。第十八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)位移的測(cè)定測(cè)定時(shí)將內(nèi)標(biāo)TMS和試樣溶于氘代溶劑中。試驗(yàn)方法： 1）固定照射的電磁波頻率，不斷改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，從低場(chǎng)向高場(chǎng)變化，稱為掃場(chǎng) 2）固定磁感應(yīng)強(qiáng)度，改變照射頻率的方法稱

9、為掃頻。第十九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.2.4自旋偶合與自旋裂分 每類核磁共振峰不總表現(xiàn)為單峰，有時(shí)多重峰。原因：核磁矩之間的相互作用，稱為自旋-自旋耦合作用第二十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月峰的裂分多重峰的峰間距：偶合常數(shù)（J），用來(lái)衡量偶合作用的大小，取決于所涉及到的兩個(gè)核的性質(zhì)及相隔鍵的數(shù)目，因耦合作用一般是通過(guò)成鍵電子對(duì)傳遞的，范圍一般不超過(guò)三個(gè)鍵。第二十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月自旋偶合第二十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 峰裂分?jǐn)?shù)：n+1 規(guī)律；相鄰碳原子上的質(zhì)子數(shù)； 系數(shù)符合二項(xiàng)式的展開(kāi)式系數(shù)； 峰面積與同類質(zhì)子數(shù)

10、成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例。第二十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月峰裂分?jǐn)?shù)：教材以乙醇為例第二十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在常規(guī)乙醇中由于微量H3O或OH能促進(jìn)乙醇分子間OH質(zhì)子的迅速交換，消除了亞甲基與羥基質(zhì)子之間的自旋自旋相互作用，使亞甲基仍保持四重峰。在高純乙醇中不發(fā)生分子間羥基質(zhì)子交換，由于羥基質(zhì)子的兩種自旋狀態(tài)，使亞甲基四重峰的每一條線有分裂為雙線，成為八重峰，羥基分裂為三重峰。 詳見(jiàn)教材P202 圖8-7第二十五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)論1）n+1規(guī)律：Mn+1 n表示鄰近的產(chǎn)生耦合的原子核數(shù)（I1/2)2）每相鄰兩條譜

11、線間的距離相等。3）具有I1/2的耦合核，每組多重譜線間強(qiáng)度比為（a+b)n展開(kāi)式的各項(xiàng)系數(shù)。第二十六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月峰裂分?jǐn)?shù)1:11:3:3:11:11:2:1第二十七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月峰裂分?jǐn)?shù)1H核與n個(gè)不等價(jià)1H核相鄰時(shí)，裂分峰數(shù)：（n+1)( n+1)個(gè)；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=22 2=8Ha裂分為8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:1第二十八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月峰裂分?jǐn)?shù)Ha裂分為多少重峰？01234JcaJbaJca JbaHa裂分峰:(3+1)(2+1)=12實(shí)際H

12、a裂分峰:(5+1)=6強(qiáng)度比近似為：1:5:10:10:5:1第二十九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月耦合常數(shù) J1）J的大小表示相鄰兩核間作用力的強(qiáng)弱。2）耦合作用通過(guò)成鍵電子對(duì)傳遞從而耦合常數(shù)的大小與相隔化學(xué)鍵的數(shù)目密切相關(guān)。 隨化學(xué)鍵數(shù)目增加，J迅速下降；四個(gè)以上的單鍵難以存在耦合作用，若有就是遠(yuǎn)程耦合。 3）J值與取代基團(tuán)、分子結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。4）在譜圖中觀測(cè)不到等價(jià)核之間的耦合作用。 耦合常數(shù)是NMR提供的極為重要的參數(shù)之一。 第三十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.3核磁共振波譜儀：測(cè)量化學(xué)位移及自旋耦合的精細(xì)結(jié)構(gòu)，需具有高分辨率。射頻不同：連續(xù)波核磁共振儀

13、CW-NMR和脈沖傅立葉變換核磁共振儀（PFT-NMR)連續(xù)波核磁共振儀組成：磁體、射頻發(fā)生器、射頻接收器以及探頭等部分。第三十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月核磁共振波譜儀第三十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1永久磁鐵：提供強(qiáng)的穩(wěn)定均勻外磁場(chǎng)。 超導(dǎo)磁體是方向，但維護(hù)費(fèi)用高 采用頻率鎖定（內(nèi)或外）系統(tǒng)保證磁場(chǎng)的穩(wěn)定性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)儀提供能量產(chǎn)生躍遷。要求穩(wěn)定性好。3 射頻信號(hào)接受器：檢測(cè)器的作用。4探頭：心臟，使試樣管保持在磁場(chǎng)中某一固定的位置。整個(gè)探頭置于磁體的磁極之間。5.掃描單元：控制掃描速度，掃描范圍等。第三十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月工作原理掃場(chǎng)方式：掃場(chǎng)線圈在磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度基礎(chǔ)上連續(xù)作微小改變，掃過(guò)全部可能發(fā)生共振的區(qū)域，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度恰好符合某一化學(xué)環(huán)境的磁核的共振條件，該核便吸收能量發(fā)生躍遷。單通道儀器，只能依次逐個(gè)掃過(guò)設(shè)定的磁場(chǎng)范圍。從而掃描效率低，信息量少，靈敏度低且難以實(shí)現(xiàn)信號(hào)累加。優(yōu)點(diǎn)：適合于大磁矩、I 為1/2和高天然豐度的靈敏核素的波譜測(cè)定。第三十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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)，施加強(qiáng)而短的全頻脈沖，使不同核素同時(shí)產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)，累加后經(jīng)