1、第九章 核磁共振波譜法 (NMR) Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,第一節(jié) 概述 一、什么是NMR NMR的研究對象磁性核與電磁波的相互作用,磁性核在磁場中,磁性核：109種元素所有的核均帶電荷，有些核具有角動量，即其電荷可以繞自旋軸自轉(zhuǎn)(似帶電的陀螺),磁棒在磁場中,圖示：磁性核在外加磁場中的行為,圖1: (1)無外加磁場時，樣品中的磁性核任意取向。 (2)放入磁場中，核的磁角動量取向統(tǒng)一，與磁場方向 平行或反平行,圖2: (1)無外加磁場時，磁性核的能量相等。 (2)放入磁場中，有與磁場平行（低能量）和反平行（高能量）兩種，出現(xiàn)能量差E=h。

2、,用能量等于E的電磁波照射磁場中的磁性核，則低能級上的某些核會被激發(fā)到高能級上去(或核自旋由與磁場平行方向轉(zhuǎn)為反平行)，同時高能級上的某些核會放出能量返回低能級，產(chǎn)生能級間的能量轉(zhuǎn)移，此即共振。,NMR利用磁場中的磁性原子核吸收電磁波時產(chǎn)生的能級分裂與共振現(xiàn)象。,N,S,N,S,S N,N S,電磁波與不同種類核的作用,N,S,N S,不同頻率,頻率,強(qiáng)度,二、NMR發(fā)展簡史,1924年P(guān)auli W.假設(shè)特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁場中會產(chǎn)生能級分裂,1952年Standford大學(xué)的Bloch和Harvard大學(xué)的Purcell 獨(dú)立證實(shí)了上述假設(shè)。獲Nobel Prize,1953

3、年，第一臺NMR儀器FT-NMR 1991年 ，Ernst 對高分辨核磁共振方法發(fā)展（獲Nobel Prize） 2002年 （生物大分子的核磁分析）,三、設(shè)計(jì)NMR儀器的關(guān)鍵考慮,a) NMR產(chǎn)生的外因：外加磁場,b) NMR信號產(chǎn)生的內(nèi)因：樣品是否吸收，由核的種類決定,c) 樣品的吸收頻率范圍：無線電電磁波,d) NMR譜記錄：吸收峰頻率(化學(xué)位移）與峰強(qiáng)度的關(guān)系,第二節(jié) 核磁共振理論基礎(chǔ),一、 核磁共振的產(chǎn)生,1、 磁性核和非磁性核,自旋角動量與磁矩,磁矩,原子核荷正電，當(dāng)其繞軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生電流，周圍形成磁場，使得原子核存在磁距。 磁距與自旋角動量 P成正比，比例常數(shù)為 ： = P 稱為磁

4、旋比，是原子核的重要屬性（見下頁圖）。 但是，不是所有的原子核都有磁性。,經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：,（1） 原子核的總核自旋角動量P為零，此類核無NMR信號。 如4He, 12C, 16O，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)相等。,（2）自旋角動量P不為零，稱為磁性核： I 0,I 0的核為磁性核，可以產(chǎn)生NMR信號。 I = 0的核為非磁性核，無NMR信號。,自旋角動量P是量子化的，可用自旋量子數(shù)I表示。I為整數(shù)、半整數(shù)或零。,原子核組成(質(zhì)子數(shù)p與中子數(shù)n)與自旋量子數(shù)I的 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：,p與n同為偶數(shù)，I = 0。如 12C, 16O, 32S等。 p + n =奇數(shù)，I =半整數(shù)(1/2, 3/2等)。 如 1H, 13

5、C, 15N, 17O, 31P等。 p與n同為奇數(shù)，I =整數(shù)。如2H, 6Li等。,I 0的核為磁性核，可以產(chǎn)生NMR信號。 I = 0的核為非磁性核，無NMR信號。,I=1/2的原子核，其電荷均勻分布于原子核表面，這樣的原子核不具有四極矩，其核磁共振的譜線窄，最宜于核磁共振檢測。,自旋量子數(shù)與原子核的質(zhì)量數(shù)及質(zhì)子數(shù)關(guān)系,2、核磁共振的頻率 磁距與磁場B0的相互作用能 E 為 E = - B0 = PB0 原子核間進(jìn)行能級躍遷的能量為,（選律 m = 1）, = B0 /2,自旋量子數(shù)為1/2的核核磁矩與能級的關(guān)系,(a)地球重力場中陀螺的進(jìn)動 (b)磁場中磁性核的進(jìn)動,核的進(jìn)動圓頻率：

6、= 2 = B0,核磁共振的產(chǎn)生,靜磁場中，磁性核存在不同能級。用一特定頻率的電磁波(能量等于E)照射樣品，核會吸收電磁波進(jìn)行能級間的躍遷，此即核磁共振。, E =h = (h/2) B0 = B0 /2,核磁共振的基本方程式,討論： （1）磁場固定時，不同頻率的電磁波可使不同的核(不同)產(chǎn)生共振； （2）同樣的核(一定)，改變磁場時，吸收頻率不同。,不同核的NMR,B0 = 2.35T（特士拉）： = 25MHz時，13C共振；分別為100MHz、94MHz、40.5MHz時，可分別觀測1H, 19F, 31P核的吸收。,磁性核的共振頻率與外加磁場成比例： B0,3、 馳豫過程 Relaxa

7、tion Process,熱平衡時各能級上核的數(shù)目服從Boltzmann分布,N / N= exp(- E / kT) E =h = h B0 /2 N / N = exp(-h B0 /2kT),N ：高能級的原子核數(shù) N ：低能級的原子核數(shù) k：Boltzmann常數(shù)，1.3810-23JK-1,若1H 核，B0 = 4.39T, 20C時，則： N / N = exp-(2.681086.6310-344.39) / (21.3810-23293) = 0.999967 對于106個高能級的核，低能級核的數(shù)目： N = 106/ 0.999967 = 1,000,033,(a)核在態(tài)與態(tài)

8、間達(dá)到熱平衡的狀態(tài)。,(b)比(a)處于高熱能的狀態(tài)，不再有熱平衡,(c)兩能級間原子核數(shù)目相等的飽和狀態(tài)，在馳豫之前不再有凈能量吸收,馳豫過程：飽和狀態(tài)時觀測不到NMR信號。要觀測到凈能量吸收， 必須有核從態(tài)返回態(tài)，此即馳豫過程。即必須保持上圖的(a)或 (b)狀態(tài)。, 自旋-晶格馳豫(spin-lattice relaxation)：高能級核返回低能級時失去能量，該能量被周圍 分子吸收轉(zhuǎn)變成熱運(yùn)動，稱自旋-晶格馳豫。晶格既可以是結(jié)晶晶格，也可以是溶液中待測分子的溶劑分子群。自旋-晶格馳豫反映體系與環(huán)境的能量交換。自旋-晶格馳豫速度服從一級反應(yīng)速率方程，自旋-晶格馳豫的時間用T1表示。, 自

9、旋-自旋馳豫(spin-spin relaxation)：樣品分子核之間的相互作用。高能態(tài)的核把能量傳給低能態(tài)而自己回到基態(tài)。這種弛豫不改變高、低能級上核的數(shù)目，但任一選定核在高能級上的停留時間(壽命)改變。自旋-自旋馳豫的時間用T2表示。,馳豫的兩種方式：,4、NMR信號的靈敏度 N / N = exp( E / kT) = exp(h B0 /2kT) 由于 E / kT很小， N / N 1+ E / kT = 1+h B0 /2kT N B0，即：低能級核的數(shù)目與磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，NMR信號的強(qiáng)弱隨磁場強(qiáng)度成比例增加,53年第一臺儀器：B0 =0.7T，1H共振于30MHz 93年前

10、后，用于NMR的超導(dǎo)磁體場強(qiáng)達(dá)17.5T，1H共振于750MHz 化學(xué)系90MHz； 200MHz；生物系500MHz,二、 核磁共振參數(shù),1、 化學(xué)位移 chemical shift,核磁共振條件: = B0 /2。依此公式，只有單個質(zhì)子峰未考慮核外電子云的影響。實(shí)際上質(zhì)子受到屏蔽作用,氫核實(shí)際所受的磁場為： B0-Be = (1-) B0 = (1-) B0/ 2 ：屏蔽常數(shù) 即：1H核所處的化學(xué)環(huán)境不同，不同，也不同。,特定質(zhì)子的吸收位置與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子的吸收位置之差，稱為該質(zhì)子的化學(xué)位移，用(ppm)表示。,乙醇的氫譜,乙醇的氫譜,1H-NMR： TMS 13C-NMR： TMS 14N,

11、15N-NMR： 液NH3 17O-NMR： H2O 19F-NMR： CFCl3 31P-NMR： 85%H3PO4,NMR標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇標(biāo)準(zhǔn) 禿核(無屏蔽作用) 或電子云密度非常大的核(屏蔽作用非常大， = 0)，例如：,TMS 四甲基硅烷,TMS的優(yōu)點(diǎn),1）單峰：TMS中所有質(zhì)子等同，只有一個吸收峰,2）TMS的屏蔽系數(shù)幾乎比所有其他物質(zhì)的都大(電子云密度大)， 處在高場位置，化學(xué)位移定為零，則其他化合物H核的共振頻率都 在左側(cè),3）一個分子中有12個等價H和4個等價C，故加入低含量如1-5% v/v 的TMS可得到足夠強(qiáng)的尖峰。,4）TMS穩(wěn)定，在大多數(shù)有機(jī)液體中的溶解性好，沸點(diǎn)低(b

12、.p. = 27C)，蒸汽壓高，可揮發(fā)除去，便于回收樣品。,5）TMS不溶于水，對于水溶液，有DDS和TSP-d4等鈉鹽替代 品。它們的甲基H在幾乎與TMS相同的位置出峰，亞甲基H 出一系列小峰，市售亞甲基H均為氘代產(chǎn)品。,2、自旋-自旋耦合spin-spin coupling, 核自旋通過成鍵電子與附近相鄰磁性核自旋間的相互作用所引起的NMR譜線分裂現(xiàn)象。 以下列分子結(jié)構(gòu)單元為例分析譜線裂分現(xiàn)象：,CCH,H,H,H,H,CH2對CH3的影響,B0,(2),(3),(1),(4),Field direction,Possible spin orientations of methylene

13、proton,自旋同時相反， CH3三重峰右邊的第一個峰。,(1),(4),自旋同時相同， CH3三重峰左邊的第一個峰。,(2) (3),自旋相反，影響抵消。中間峰,裂分為3， 峰面積比1:2:1。,CH3對CH2的影響,B0,可能的組合方式:,23=8種,中間6組為兩組等同的磁效應(yīng),裂分為4,峰面積比為1:3:3:1,相鄰原子上的質(zhì)子數(shù)以n表示，則簡單氫譜NMR譜線的裂分?jǐn)?shù)為n+1。,譜線分裂數(shù)的n+1規(guī)則:,(a+b)n展開式的各項(xiàng)系數(shù),n 二項(xiàng)式展開系數(shù) 峰型,1 1 1 2 1 3 3 1 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1,0 1 2 3 4 5,單峰 雙峰 三重峰 四重

14、峰 五重峰 六重峰,3、耦合常數(shù)J (coupling constant),譜線裂分產(chǎn)生的裂距，反映兩個核之間的作用力強(qiáng)弱，單位Hz。與兩核之間相隔的化學(xué)鍵數(shù)目關(guān)系很大：,nJ：,n化學(xué)鍵的個數(shù)。,同碳上的氫，無耦合。不同種磁性核時，有耦合。,相鄰碳上的氫。如HA-CH2-CH2-HB, HA與HB的耦合。,相隔4個化學(xué)鍵，耦合作用很弱。,2J:,3J:,4J:,4、峰面積,反映某種原子核的定量信息。,各峰組的面積之比反映了各官能團(tuán)的氫原子數(shù)之比,5、弛豫時間,與核在分子中所處的環(huán)境有關(guān)，因此可以表征分子大小、分子與溶劑的作用、分子運(yùn)動的各向異性等。,三、影響化學(xué)位移的因素,和紅外光譜需要記憶

15、一些官能團(tuán)特征吸收頻率一樣，核磁共振波譜圖譜解析的關(guān)鍵是要首先記住不同類型的質(zhì)子的化學(xué)位移。 例如： CH3 0.9左右 CH2 1.2左右 PhH 7-8之間,1.常見官能團(tuán)的氫譜,A) CH3,0.9 ppm (飽和),在高場出峰，峰強(qiáng)，易于辨認(rèn),0.8 1.2; 2.12.6; 2.2 3.2; 2.0 2.7; 3.2 4.0, 1H(CH3),(1)烷基：02 ppm (烷烴),B) CH2, 1H(CH2),1.17 2.47 3.40,C) CH,一般比CH2的值大0.3ppm,(2)烯：,一般1Hc最大。,(3)苯環(huán)：,無取代基時，,47 ppm (6.5 ppm左右較普遍 )

16、,1H=7.3 ppm, 單峰,A) 單取代,a.烴基單取代,一組峰，分辨不開,b.鄰對位單取代,鄰對位質(zhì)子受屏蔽作用，在高場，分辨不開,間位質(zhì)子在低場，三重峰,c.間位單取代,苯環(huán)電子云密度降低，鄰位質(zhì)子受影響大,Jab：7 10 Hz ； Jac：2 3 Hz ； Jad：0 1 Hz,鄰位質(zhì)子受去屏作用，大，粗略呈雙峰； 其它質(zhì)子位移不大。,B) 二取代,a.對位二取代,最具特色，兩對3J耦合,四重峰，左右對稱,HA = 7.27-0.8+0.3 = 6.77,HB = 7.27+1.0-0.15 = 8.12,o-NO2:1.0; m-NO2: 0.3 o-NH2: 0.8; m-NH

17、2: 0.15,b.鄰位二取代,相同取代基時，譜圖左右對稱,不同取代基時，譜圖復(fù)雜,c.間位二取代,譜圖復(fù)雜。中間質(zhì)子顯示粗略單峰。,4)活潑氫：,值變化大。易受溫度、添加重水、 改變?nèi)軇┘八岫鹊挠绊?醇OH,3.0-6.0 ppm(CCl4等惰性溶劑),羧酸COOH,10-13 ppm,脂肪胺NH2,0.5-5.5 ppm,一般不產(chǎn)生峰的裂分，對相鄰C上的H影響復(fù)雜,活潑氫,1）惰性溶劑稀釋，移向高場。 甲醇OH的甚至可降至負(fù)值。,2）活潑氫形成氫鍵，去屏作用， 增加。,3）活潑氫易發(fā)生質(zhì)子交換，屬于特定分子 的時間短，峰不裂分， 可變。,4）重水可以確認(rèn)活潑氫,=4.7 ppm,1、取代基

18、的電負(fù)性,屏蔽作用,電子云密度,電負(fù)性,化學(xué)位移,與CH3連接基團(tuán)的電負(fù)性對其質(zhì)子化學(xué)位移的影響,化合物 (CH3),(CH3)4-Si, TMS 0.0 定義 (CH3)3-Si(CD2)2CO2-Na+, TSP-d4 0 CH3I 2.2 CH3Br 2.6 CH3Cl 3.1 CH3F 4.3 CH3NO2 4.3 CH2Cl2 5.5 CHCl3 7.3,CH3X的質(zhì)子位移,2、相連碳原子的S-P雜化,CH3-CH3 CH2=CH2 CHCH,0.9 5.8 2.9,酸度順序,(3) (2) (1),C雜化形式,SP3 SP2 SP,屏蔽作用減弱,3、環(huán)狀體系的環(huán)電流效應(yīng),以苯環(huán)為例

19、 （環(huán)外H與磁場同向）,環(huán)外氫: 順磁效應(yīng),去屏蔽,環(huán)內(nèi)側(cè)氫:,逆磁效應(yīng),屏蔽, 7.3, 2.3, 2.0, -1.0,電子數(shù)滿足4n+2的環(huán)狀多烯,=9.3,=-3.0,甲基1H, =-4.2,B.烯烴的各向異性,=9.7 =10.0 =8.0 =7.8,雙鍵C上的氫：去屏蔽作用，值高于飽和C 雙鍵平面上下方：逆磁效應(yīng)，屏蔽作用,C.炔烴的各向異性,叁鍵C上的氫受屏蔽作用,NMR解析舉例,1) C5H10O2,（1）H數(shù)目 6：4：4：6 = 3：2：2：3 （2）不飽和度=1 有一個雙鍵 （3）=3.6處為單峰 O 可能的結(jié)構(gòu)CH3OC =0.9處三重峰為是典型的CH2CH3峰 =2.2

20、處三重峰為羰基相鄰的CH2的兩個質(zhì)子 另一個CH2在=1.7處產(chǎn)生12個峰（43），但儀器分辨率不夠，只看到6個峰。,可能的結(jié)構(gòu) O CH3O CCH2CH2CH3,簡化圖譜的方法去耦,為使譜圖簡化，除去相鄰核間的耦合作用的方法。,醋酸異丙酯的1H-NMR(100MHz)。雙重照射去耦的譜圖變化實(shí)例。(a)常法測定的譜圖。(b)照射最右端的兩個甲基質(zhì)子去其耦合作用 (c)去次甲基質(zhì)子的耦合作用,用兩個電磁波發(fā)生器，掃描第一個發(fā)生器，（A核的共振頻率1 ），用2的強(qiáng)電磁波照射，使B核共振達(dá)到飽和。雙重照射法除去B核對A核的影響。,雙照射方法,第三節(jié) 核磁共振波譜儀,一、NMR儀器的基本構(gòu)成,外加

21、磁場,探頭,高頻電磁波發(fā)生器及接受器,數(shù)據(jù)處理及記錄,1、 NMR用磁鐵,強(qiáng)弱：磁場強(qiáng)度B0，單位：T 習(xí)慣用氫核的共振頻率來表示。如100M的儀器，B0=2.35T。,永久磁鐵permanent magnet,B0 2.1T，簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。重量輕(如60MHz，350kg)。,電磁鐵 electromagnet,B0 2.35T(100MHz以下)。需強(qiáng)大電流產(chǎn)生磁場(60MHz時 3.5kW)，并需水冷保持溫度恒定以使磁場強(qiáng)度穩(wěn)定。較重， 且耗電量大。,超導(dǎo)磁鐵 superconductive magnet,利用鈮鈦合金在液氦中(溫度4K)的超導(dǎo)性質(zhì)。只要不破壞超導(dǎo)狀態(tài)，及時補(bǔ)充液氦，則

22、磁場強(qiáng)度不變。,液氮,液氦,超導(dǎo)線圈,磁場強(qiáng)度與靈敏度、分辨率的關(guān)系, 磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，低能級上核的數(shù)目越多， 靈敏度越高,100 MHz時，N比N多17 200 MHz時，N比N多33 300 MHz時，N比N多50, 磁場的均一性越好，分辨率越高, 磁場越強(qiáng)，以頻率表示的化學(xué)位移越大， 分辨率越高,（1）連續(xù)波NMR儀器(CW-NMR),核磁共振條件： = B0 /2, 掃頻方式(frequency sweep)：固定B0，掃描電磁波頻率 掃場方式(field sweep)：固定，掃描磁場強(qiáng)度B0,CW-NMR儀器的不足：,連續(xù)變化一個參數(shù)使不同基團(tuán)的核依次滿足共振條件,任一瞬間只有一種原子

23、核處于共振狀態(tài)，其它核處于等待狀態(tài),結(jié)果：,樣品利用率低，靈敏度低，分辨率低,2、電磁波發(fā)生器,（2） FT-NMR,特點(diǎn)：磁場強(qiáng)；強(qiáng)而短的脈沖(高頻脈沖),在這一脈沖下，所有的核都發(fā)生共振。脈沖停止后，這些核都產(chǎn)生相應(yīng)的核磁共振信號。這些信號含多種頻率，總信號是多種頻率信號的疊加，這些信號以時間為變量，也是隨時間衰減的。因此，信號是時間的函數(shù)(時域譜)，通過FT轉(zhuǎn)換變?yōu)轭l域譜。,環(huán)己烯的13C譜,脈沖FT-NMR的優(yōu)點(diǎn),3. 通過增加重復(fù)累積測量次數(shù)使樣品測量信號平均化， 降低噪聲，可提高S/N比。故FT-NMR與連續(xù)波儀器 相比靈敏度高，樣品用量少，測定時間短。,1.在脈沖作用下，該同位素的所有核同時共振,2. 脈沖時間短(為微秒級，脈沖間隔為