緒論研究生波譜分析

1、第四章 核磁共振波譜NMR1234前 言 過去50年，波譜學(xué)已全然改變了化學(xué)家、生物學(xué)家和生物醫(yī)學(xué)家的日常工作，波譜技術(shù)成為探究大自然中分子內(nèi)部秘密的最可靠、最有效的手段。NMR是其中應(yīng)用最廣泛研究分子性質(zhì)的最通用的技術(shù)：從分子的三維結(jié)構(gòu)到分子動力學(xué)、化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)性和超分子體系、有機(jī)化學(xué)的各個領(lǐng)域。 51945年 Purcell（哈佛大學(xué)） 和 Bloch（斯坦福大學(xué)）發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，他們獲得1952年Nobel物理獎1951年 Arnold 發(fā)現(xiàn)乙醇的NMR信號，及與結(jié)構(gòu)的關(guān)系1953年 Varian公司試制了第一臺NMR儀器6NMR發(fā)展1近二十多年發(fā)展 高強(qiáng)超導(dǎo)磁場的NMR儀器，大

2、大提高靈敏度和分辨率； 脈沖傅立葉變換NMR譜儀，使靈敏度小的原子核能被測定； 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和多脈沖激發(fā)方法采用，產(chǎn)生二維譜，對判斷化合物的空間結(jié)構(gòu)起重大作用。英國R.R.Ernst教授因?qū)ΧS譜的貢獻(xiàn)而獲得1991年的Nobel獎。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼鼐S特里希因“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎。7核磁共振的發(fā)展2固體高分辨NMR技術(shù)， HPLC-NMR連用技術(shù)核磁共振成像技術(shù)等分支領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)診斷8910111213acetonide141516NMR譜的結(jié)構(gòu)信息 化學(xué)位移 偶合常數(shù) 積分高度171H-NMRhow many types

3、of hydrogen ? how many of each type ? what types of hydrogen ? how are they connected ?184.1. 核磁共振的基本原理原子核的磁矩 自旋核在磁場中的取向和能級核的回旋和核磁共振核的自旋弛豫19 4.1.1 核自旋和共振(Nuclear spin and resonance) 1. 核的自旋 Spin quantum number for various nuclear Odd Even 1/2 1H 19F 31P 3/2 11B 79Br Even （偶） Even 0 12C 16O 32SEven O

4、dd 1/2 13C 3/2 127IOdd Odd 1,2,3 2H 14NNumber of Number of Spin quantum Examples Protons neutrons number I當(dāng)質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)都是偶數(shù)時,I = 0當(dāng)質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)時, I為半整數(shù)當(dāng)質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)而原子序數(shù)為奇數(shù)時,I 為正整數(shù)20自旋角動量（PN），自旋量子數(shù)（I）I=0，1/2，1，3/2 磁矩（N*），核磁矩單位（N），核磁子；磁旋比（N） 21自旋核在磁場中的取向和能級 具有磁矩的核在外磁場中的自旋取向是量子化的，可用磁量子數(shù)m來表示核自旋不同的空間取向，其數(shù)值可?。簃 =I,I-1,I

5、-2, ,-I ，共有2I +1個取向。 2223在磁場中的取向兩種取向代表兩個能級，m=-1/2能級高于m=1/2能級。24原子核的進(jìn)動- Larmor運(yùn)動在磁場中，原子核的自旋取向有2I+1個。各個取向由一個自旋量子數(shù)m表示。 自旋角速度，外磁場H0，進(jìn)動頻率磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯 25核磁共振的條件:E = h v迴= h v射= h Bo /2或 v射= v迴= BO /2 射頻頻率與磁場強(qiáng)度Bo是成正比的，在進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)時，所用的磁強(qiáng)強(qiáng)度越高，發(fā)生核磁共振所需的射頻頻率也越高。 原子核在磁場中發(fā)生能級分裂，在磁場的垂直方向上

6、加小交變電場，如頻率為v射，當(dāng)v射等于進(jìn)動頻率，發(fā)生共振。低能態(tài)原子核吸收交變電場的能量，躍遷到高能態(tài)，稱核磁共振。 26Boltzmann分布在質(zhì)子群中處于高低能態(tài)的核各有多少？在絕對溫度0度時，全部核處于低能態(tài)在無磁場時，二種自旋取向的幾率幾乎相等在磁場作用下，原子核自旋取向傾向取低能態(tài)，但室溫時熱能比原子核自旋取向能級差高幾個數(shù)量級，熱運(yùn)動使這種傾向受破壞，當(dāng)達(dá)到熱平衡時，處于高低能態(tài)的核數(shù)的分布服從Boltzmann分布： n+/n- 1+ E / kT 式中：n+ - 低能態(tài)的核數(shù) n- - 高能態(tài)的核數(shù) k - Boltzmann 常數(shù) T - 絕對溫度 當(dāng)T=27 C,磁場強(qiáng)度為

7、1.0特斯拉時，高低能態(tài)的核數(shù)只差6.8ppm 磁場強(qiáng)度為1.4092時，高低能態(tài)的核數(shù)只差10ppm27核的自旋馳豫：由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過程 馳豫過程可分為兩種類型：自旋-晶格馳豫和自旋-自旋馳豫。 28自旋晶格馳豫：核與環(huán)境進(jìn)行能量交換。體系能量降低而逐漸趨于平衡。又稱縱向馳豫。速率1/T1，T1為自旋晶格馳豫時間。 自旋自旋馳豫：自旋體系內(nèi)部、核與核之間能量平均及消散。又稱橫向馳豫。體系的做能量不變，速率1/T2，T2為自旋自旋時間。 馳豫時間與譜線寬度的關(guān)系 ：即譜線寬度與馳豫時間成反比。 飽和：高能級的核不能回到低能級，則NMR信號消失的現(xiàn)象。 29化學(xué)位移（Chemical S

8、hift）屏蔽常數(shù)（Shielding Constant）核屏蔽原子的屏蔽(近程屏蔽)抗磁屏蔽：以s電子為主（1H）順磁屏蔽：以p, d電子為主（13C, 19F等）分子的屏蔽(遠(yuǎn)程屏蔽)分子內(nèi)的屏蔽：分子間的屏蔽：誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、磁各向異性效應(yīng)、氫鍵效應(yīng)、范德華效應(yīng)、順磁效應(yīng)溶劑效應(yīng)、介質(zhì)磁化率效應(yīng)、氫鍵效應(yīng)、順磁效應(yīng)30屏蔽效應(yīng) 化學(xué)位移的根源 磁場中所有自旋核產(chǎn)生感應(yīng)磁場，方向與外加磁場相反或相同，使原子核的實(shí)受磁場降低或升高，即屏蔽效應(yīng)。 H核=HO（1-） 其中H核表示氫核實(shí)際所受的磁場，為屏蔽常數(shù)分類：順磁屏蔽，抗磁屏蔽3132化學(xué)位移固定頻率，掃場固定磁場，掃頻0：儀器的公稱

9、頻率0：60MHz B0：1.4092T 1ppm= 60Hz 100MHz 2.3488T 100Hz 200MHz 4.6975T 200Hz 400MHz 9.3951T 400Hz3310 8 6 4 2 0 10 8 6 4 2 010 8 6 4 2 0100MHz250MHz3435自旋偶合和自旋裂分自旋-自旋偶合與自旋自旋裂分 n + 1規(guī)律偶合常數(shù)36自旋自旋耦合（Spin-Spin Coupling）自旋自旋耦合裂分一級譜：1) 譜線數(shù)目nI+1（與n個等價核相耦合） I=1/2時，n+1規(guī)則2) 相鄰兩條譜線間距離都相等（）3) 譜線強(qiáng)度分布符合(a+b)n展開式的各項(xiàng)系

10、數(shù)耦合常數(shù)（Coupling Constant) JJ反映了核磁矩間相互作用能的大小，和兩核之間相隔化學(xué)鍵的數(shù)目密切相關(guān)，與儀器的工作頻率無關(guān)。如：13C-1H: 1J; 1H-12C- 12C-1H: 3J長程耦合（ong-Range Spin-Spin Coupling）37自旋核的核磁矩可以通過成鍵電子影響鄰近磁核是引起自旋自旋偶合的根本原因。磁性核在磁場中有不同的取向，產(chǎn)生不同的局部磁場，從而加強(qiáng)或減弱外磁場的作用，使其周圍的磁核感受到兩種或數(shù)種不同強(qiáng)度的磁場的作用，故在兩個或數(shù)個不同的位置上產(chǎn)生共振吸收峰。這種由于自旋-自旋偶合引起譜峰裂分的現(xiàn)象稱為自旋-自旋裂分（Spin-Spin

11、 Splitting）。38n +1規(guī)律：當(dāng)某組質(zhì)子有n個相鄰的質(zhì)子時，這組質(zhì)子的吸收峰將裂分成n +1重峰。n數(shù) 二項(xiàng)式展開式系數(shù) 峰形0 1 單峰111 二重峰21 2 1 三重峰3 1 3 3 1 四重峰4 1 4 6 4 1 五重峰5 1 5 10 10 5 1 六重峰39嚴(yán)格來說, n+1規(guī)律應(yīng)該是2nI+1規(guī)律,對氫原子核(H1)來說,因它的I=1/2, 所以就變成了規(guī)律.40n + 1規(guī)律只適合于互相偶合的質(zhì)子的化學(xué)位移差遠(yuǎn)大于偶合常數(shù)，即vJ時的一級光譜。而且在實(shí)際譜圖中互相偶合的二組峰強(qiáng)度還會出現(xiàn)內(nèi)側(cè)高，外側(cè)低的情況，稱為向心規(guī)則。利用向心規(guī)則，可以找到吸收峰間互相偶合的關(guān)系。 41PFT-NMR譜儀PFT-NMR譜儀與CW譜儀主要區(qū)別：信號觀測系統(tǒng)，增加了脈沖程序器和數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)。各種核同時激發(fā)，發(fā)生共振，同時接受信號，得到宏觀磁化強(qiáng)度的自由衰減信號（FID信號），通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和FT變換運(yùn)算，使FID時間函數(shù)變成頻率函數(shù)，再經(jīng)數(shù)模變換后，顯示或記錄下來，即得到通常的NMR譜圖。FT-NMR譜儀