第十五章核磁共振波譜法

(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)

將有磁矩的原子核放入磁場后，用適宜頻率的電磁波照射，原子核吸收能量后發(fā)生能級的躍遷，同時產(chǎn)生核磁共振信號，得到核磁共振譜，這種方法稱為核磁共振波譜法。核磁共振波譜法也屬于吸收光譜法，只是研究的對象是處于強磁場中的原子核對射頻輻射的吸收。

方法特點：核磁共振波譜法是各種有機和無機成分結構分析的最強有力的工具之一；分析時樣品不會受到破壞，屬無損分析，在化學、生物、醫(yī)學等研究領域應用廣泛。但儀器價格昂貴。

在磁場中，原子核分裂出的磁能級之間的能量差很小,在這樣的磁能級之間產(chǎn)生躍遷，其所需的電磁輻射能量極小，只要處于109－1010nm間的射頻輻射已足夠了。射頻區(qū)§15－1核磁共振基本原理

原子核是帶正電荷的粒子，本身有自旋現(xiàn)象，并且在沿著自旋軸方向上存在一個核磁矩μ和角動量P，兩者均為矢量，方向相同，它們的關系為：式中自旋量子數(shù)I可以為0，1/2，1，3/2，…等值

h為普朗克常數(shù)

為磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，代表核的特性。核的自旋角動量P的值是量子化的，可用自旋量子數(shù)I表征：一、原子核的磁性質(zhì)和能級的能量1、原子核的自旋

當I=0時,P=0，即原子核沒有自旋現(xiàn)象；只有當I>0時，原子核才有自旋角動量和自旋現(xiàn)象。自旋量子數(shù)與原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)有關：I=0的原子核：因其原子核電荷分布不均勻，產(chǎn)生的共振信號復雜，應用很少；沒有自旋現(xiàn)象，沒有磁矩，也就不產(chǎn)生共振信號；I1的原子核：只有I=1/2的原子核，因核電荷呈球體均勻分布，自旋時有磁矩產(chǎn)生，可產(chǎn)生共振信號，包括

核的磁性質(zhì)m為磁量子數(shù)，核的自旋軸在空間是不能連續(xù)地任意指向的，是量子化的，它只能有2I＋1個取向，I為自旋量子數(shù)；

每種取向代表一種磁能級，用m表示，其值為：I、I－1、I－2、…、－I。2、自旋核在磁場中的行為當自旋核置于外加磁場B0中，則沿著磁場方向的角動量分量為：的氫核在外加磁場（BO）中，只能是兩種取向：平行于外磁場方向，能量較低與外磁場逆平行，能量較高

在外磁場中的質(zhì)子核，由于本身自旋而產(chǎn)生磁場，并與外磁場相互作用，而產(chǎn)生一個以外磁場方向為軸線的回旋運動，稱為進動或拉摩爾（Larmorprecession)進動。這樣原子核一面自旋，一面繞磁場方向回旋，類似于陀螺的運動；為進動頻率拉摩爾進動行為自旋核的角速度：當I=1/2（如氫核1H）時，m有兩個取向:-1/2,+1/2在外加磁場中能級的能量E可由下式確定當進動核便與輻射光子相互作用，即發(fā)生共振，

0為光子頻率，也是核的進動頻率，所以能級能量E取決于磁矩及磁場強度3、核磁共振吸收則質(zhì)子的高能級與低能級之間的能量差為：

在給定的磁場強度下，質(zhì)子的進動頻率是一定的。若此時以相同頻率的射頻輻射照射質(zhì)子，即滿足“共振條件”，該質(zhì)子就會有效地吸收射頻的能量，使其磁矩在磁場中的取向逆轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了從低能級到高能級的躍遷過程。此過程就是核磁共振吸收過程。

二、弛豫處在兩種能級上的原子核分布應滿足玻耳茲曼方程由于磁能級的能量差很小，因此可以用上式計算出在室溫（300K)及1.41T磁場強度下，處于低能級的核的數(shù)目僅僅比高能級核約多百萬分之十。當?shù)湍芗壓宋樟松漕l能量后，被激發(fā)到高能級上，同時給出共振信號。但因處于低能級核只占微弱多數(shù)，因而越來越少，很快高能級與低能級上分布的核數(shù)目相等，相當于達到動態(tài)平衡。此時，體系的凈能量吸收為零，共振信號消失。這種現(xiàn)象稱為“飽和”。Ni、N0分別為在高能級和低能級上的核總數(shù)弛豫過程

1、縱向弛豫（又稱自旋－晶格弛豫）：處于高能級的核將其能量轉(zhuǎn)移給周圍分子骨架（晶格）中的其它核，而使自己返回到低能級，這種方式稱縱向弛豫；

2、橫向弛豫（又稱自旋－自旋馳豫）：當兩個相鄰的核處于不同能級，但進動頻率相同時發(fā)生橫向弛豫。高能級核與低能級核互相通過自旋狀態(tài)的交換而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，每種自旋狀態(tài)的總數(shù)并未改變，也不可能改變兩種能級上的核數(shù)目的比例，但確實使某些高能級核的壽命減短了；事實上，“飽和”狀態(tài)時信號并未中止，處于高能級的核可以通過非輻射途徑釋放能量后而回復到低能級，這一過程稱為弛豫過程，弛豫過程分為縱向弛豫和橫向弛豫兩類：

弛豫可用馳豫時間T來表征，表示處于高能級磁核壽命的量度，縱向弛豫時間T1，橫向弛豫時間T2表示?！?5－2核磁共振波譜儀（一）連續(xù)波核磁共振譜儀(CW-NMR)：

磁鐵

按工作方式不同，可分成兩類：連續(xù)波核磁共振譜儀(CW-NMR)和脈沖傅立葉核磁共振譜儀(PFT-NMR)一、核磁共振波譜儀的類型：由磁鐵、磁場掃描發(fā)生器、射頻發(fā)生器、射頻接受器及信號記錄系統(tǒng)等組成1、磁鐵與磁場掃描發(fā)生器

磁鐵的質(zhì)量和強度決定了核磁共振波譜儀的靈敏度和分辨率。靈敏度和分辨率隨磁場強度的增加而增加。

對磁場的要求：均勻性、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性必須十分良好。

磁鐵的類型：永久磁鐵、電磁鐵以及超導磁鐵。

永久磁鐵及電磁鐵獲得的磁場強度一般不超過2.4T相應于氫核的共振頻率為100MHZ。超導磁鐵的分辨率最高，也最昂貴，其提供的磁場強度可達17.5T，相當于質(zhì)子的吸收頻率為750MHZ。為便于儀器適合于各種原子核的核磁共振測定，一般以：固定射頻頻率，改變磁場強度，采用磁場掃描，稱為掃場；固定磁場強度,改變頻率，采用射頻頻率掃描，稱為掃頻；許多儀器同時有這兩種裝置。2、射頻發(fā)射和接收器

將射頻發(fā)射器連接到發(fā)射線圈上，該線圈與掃描線圈垂直，然后將能量傳遞給樣品，而射頻發(fā)射方向垂直于磁場。射頻接收器連接到一個圍繞樣品管的線圈上，發(fā)射線圈與接收圈互相垂直，又同時垂直于磁場方向。當振蕩器發(fā)生的電磁波頻率

0和磁場強度B0達到特定的組合時，就與試樣中氫核發(fā)生共振而吸收能量，其吸收情況被射頻接受器所檢出，通過放大而記錄下來。對1H波譜，樣品一般在50mg以上。但對于13C等核，自然豐度小，靈敏度低，或在很稀的溶液中，則應采用脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀來獲得高靈敏度的圖譜。對高靈敏度傅里葉變換1H波譜，只需0.1mg樣品，對13C只需1mg。（二）脈沖傅里葉變換核磁共振波譜(PFT-NMR)PFT-NMR是采用多道發(fā)射機同時發(fā)射多種頻率，使處于不同化學環(huán)境的核同時共振，再采用多道接收裝置同時得到所有的共振信息，因此大大提高了分析速度和靈敏度。

CW-NMR采用的是單頻發(fā)射和接收方式，在某一時刻內(nèi)，只能記錄譜圖中很窄一部分信號，即單位時間內(nèi)獲得的信息很少,對于低濃度及信號強度弱的試樣（如13C）測定靈敏度低；二、樣品容器及樣品處理1、樣品容器

應由不吸收射頻輻射的材料制成。用于研究1H核磁共振譜的樣品管外徑約5mm，通常以硼硅酸鹽玻璃制成。由于13C的自然豐度低，研究13C核磁共振譜則用外徑為10mm的管子。管長15－20cm，加入樣品量約占1／8－1／6管長。利用高速氣流使樣品管圍繞Y軸以每秒鐘30轉(zhuǎn)的速率急速旋轉(zhuǎn)，以消除磁場的非均勻性，提高譜峰分辨率。2、樣品的處理

非粘滯液體樣品：可不必處理，只要置于樣品管中即行；

粘滯液體樣品：一般配成約2－10％的稀溶液后實驗；

固體樣品：若將固體樣品直接進行實驗，其圖譜往往有許多互相疊合的譜帶組成，且很寬，因此對結構分析沒有什么意義。對固體樣品，可預先將其溶解，如果溶液的制備會引起分子結構的變化，就必須采用固體樣品直接實驗，但必須采用一些特殊技術；若研究1H核磁共振譜，樣品溶劑應不含質(zhì)子。常用溶劑有四氯化碳、二硫化碳及氘代溶劑。氘代溶劑對樣品的溶解度比四氯化碳和二硫化碳更好，但價格貴。常用氘代溶劑為CDCl3和C6D6。水溶性樣品則應用D2O。溶劑選擇主要決定于樣品溶解度；樣品溶液應不含磁性及不溶雜質(zhì),且粘度小?！?5－3化學位移與核磁共振譜圖

據(jù)前討論可知，當一個自旋量子數(shù)不為零的核置于外磁場中，它只有一個共振頻率，圖譜上只有一個吸收峰，如圖為玻璃管中放入蒸餾水后在低分辨核磁共振波譜儀上測得的水、玻璃及線圈銅絲中各成分在不同磁場強度下的共振譜圖；

因此，核磁共振波譜法可成為無機化合物定性鑒定強有力的手段，且只需低分辨儀器就可以了。(a)低分辨；(b)高分辨乙醇的核磁共振圖譜如圖所示（60MHZ）但是，實際上在分辨率較高的核磁共振儀上測得的有機物氫譜往往會得到許多條氫核共振譜線，且存在許多精細結構。1.化學位移及其表示

化學位移的產(chǎn)生：當原子核置于強磁場中，其周圍運動著的電子就會產(chǎn)生一個方向相反的感應磁場，這種對抗外磁場的作用，稱為電子的屏蔽效應。由于核外電子云的屏蔽作用，使原子核實際受到的磁場作用減小，為使核磁發(fā)生共振，必須增加外加磁場的強度以抵消電子云的屏蔽作用。

為屏蔽常數(shù)；B為實受磁場強度；一、化學位移及其影響因素由于核的共振頻率的化學位移只有百萬分之幾，采用絕對表示法非常不便，因而采用相對表示法。為此選擇一個參比化合物，并按下式表示相對化學位移值δ（有些文獻中常以ppm為單位來表示）。另一種表示方法采用τ：

τ=10–δ化學位移的表示：所選參比物所受屏蔽最強，所以一般有機物氫核的相對化學位移值

為負值，為方便負號一般不加。

因此，由于氫核周圍化學環(huán)境的不同，受到不同的屏蔽作用，使它的共振頻率不同，這種現(xiàn)象稱為化學位移；

最常用的參比物是四甲基硅烷，Si(CH3)4簡稱TMS，將它的δ值人為定為零。實驗時加入到樣品溶液中。

選用TMS作為標準的原因:

(1)TMS中12個質(zhì)子處于完全相同的化學環(huán)境中，只有一

個尖峰；

（2）TMS中質(zhì)子外圍的電子云密度和一般有機物相比是最

密的，因此氫核受到最強烈的屏蔽，共振時需要外加

磁場強度最強，化學位移最大，不會和其它化合物的

峰重疊；

（3）TMS是化學惰性，不會和試樣反應；

（4）易溶于有機溶劑，沸點低，回收試樣容易。對水溶樣品，應選擇4，4－二甲基－4－硅代戊磺酸鈉（DSS）作為參比化合物。(CH3)3SiCH2CH2CH2SO3Na參比物的選擇

由于核所處的化學環(huán)境對核磁共振吸收的影響；不同的化學環(huán)境就會產(chǎn)生不同的核磁共振信息，因此就使核磁共振波譜成為研究有機分子結構的重要手段；

兩類化學環(huán)境的影響：質(zhì)子周圍基團的性質(zhì)不同，使它的共振頻率不同，即產(chǎn)生化學位移；(2)所研究的質(zhì)子受相鄰基團的質(zhì)子的自旋狀態(tài)影響，使其吸收峰裂分的現(xiàn)象稱為自旋－自旋裂分。2.兩類化學環(huán)境影響電子云密度的各種因素均會影響化學位移

電負性對化學位移的影響

CH3Si(CH3)3，

CH3-H，CH3-N，CH3-Br，

0 0.2 2.2 2.7CH3-C1，CH3-OH

，CH3-NO2CH2Cl2

3.0 3.2 4.35.