1、核磁共振波譜法,Nuclear Magnetic Resonance NMR,1 核磁共振的基本原理,核磁共振,強磁場中原子 核的自旋運動,無線電波 電磁輻射,核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) NMR是由磁性核在強磁場中，受無線電波幅射而產(chǎn)生核自旋能級躍遷，導致核磁矩方向改變而產(chǎn)生感應電流，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。,圖161 核磁共振儀示意圖,核磁共振儀示意圖解釋 照射的無線電波(射頻波)是由照射頻率發(fā)生器產(chǎn)生，通過照射線圈R作用于樣品上。樣品溶液裝在樣品管中插入磁場，樣品管勻速旋轉(zhuǎn)以保障所受磁場的均勻性。用掃場線圈調(diào)節(jié)外加磁場強度,若滿

2、足某種化學環(huán)境的原子核的共振條件時，則該核發(fā)生能級躍遷，核磁矩方向改變，在接收線圈D中產(chǎn)生感應電流(不共振時無電流)。感應電流被放大、記錄，即得NMR信號。若依次改變磁場強度，滿足不同化學環(huán)境核的共振條件，則獲得核磁共振譜。,1.1 原子核的自旋和自旋磁矩,1.1.1 原子核的自旋運動：自旋量子數(shù)(I) 原子的質(zhì)量數(shù)(A) 和原子序數(shù)(Z) 自旋量子數(shù)I = 0 的原子核：沒有自旋運動 自旋量子數(shù)I0 的原子核：都有自旋運動,原子核自旋 微電流 磁性核 自旋磁矩（） = P 為旋磁比：值越大，核的磁性越強， 檢測靈敏度越高 1H 26.7519 107 T-1 s-1 13C 6.7283 1

3、07 T-1 s-1 自旋角動量（P）,自旋磁矩 ,自旋軸,1.2 原子核在外磁場B0中的自旋運動進動,重力場中陀螺的運動,自旋量子數(shù)I= 1/2 的自旋核在外磁場中的運動,Larmor進動 核回旋的頻率(0) Larmor頻率,1.2.1自旋核在外磁場中的空間取向-量子化,在外加磁場（HO）中，質(zhì)子自旋所產(chǎn)生的磁矩有兩種取向： 與HO同向或反向，對應于或兩個自旋態(tài)。,1.2.2 核磁矩在外磁場中的能量 1H核自旋能級分裂及其與H0的強弱有關：,根據(jù)量子化學，有：,磁旋比；h 普朗克常數(shù)；H0 外加磁場強度。 如果用一個處于射頻范圍的電磁波照射處于H0中的1H，當電磁波的頻率射恰好滿足,DEh

4、 ,則：處于低能級態(tài)的1H就會吸收電磁波的能量，躍遷到高能級態(tài)，發(fā)生核磁共振。,發(fā)生核磁共振時，必須滿足下式：,式稱為核磁共振基本關系式。 可見，固定H0，改變射或固定射，改變H0都可滿足式，發(fā)生核磁共振。 但為了便于操作，通常采用后一種方法。,1.2.4 核磁共振的條件,1.2.5 核磁共振的產(chǎn)生,在外磁場中，有自旋磁矩的原子核的兩個相鄰核磁能級的能量差與無線電波的能量相當。如用一無線電波來照射樣品，當無線電波的能量與原子核的兩個相鄰核磁能級的能量差相等時，原子核就會吸收該無線電波的能量，發(fā)生能級躍遷，由低能自旋狀態(tài)變成高能自旋狀態(tài)。這種現(xiàn)象就是核磁共振現(xiàn)象。,14,1.3 飽和與弛豫,低能

5、態(tài)的核吸收能量自低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，能量將不再吸收。與此相應，作為核磁共振的信號也將逐漸減退，直至完全消失。此種狀態(tài)稱作“飽和”狀態(tài)。 在核磁共振條件下，在低能態(tài)的核通過吸收能量向高能態(tài)躍遷的同時，高能態(tài)的核也通過以非輻射的方式將能量釋放到周圍環(huán)境中由高能態(tài)回到低能態(tài)，從而保持Boltzman分布的熱平衡狀態(tài)。這種通過無輻射的釋放能量途徑核由高能態(tài)回到低能態(tài)的過程稱作“弛豫”。,弛豫過程：激發(fā)核通過非輻途徑損失能量而恢復至基態(tài)的過程。弛豫是維持連續(xù)共振信號的必要條件 飽和：若無弛豫過程，高、低能級的粒子數(shù)很快就能相等，將不再有核磁共振信號，該現(xiàn)象為飽和。,2 核磁共振譜,（1）核磁共振譜圖,2

6、.1 核磁共振譜的表示方法,17,核磁共振氫譜圖示,C6H5CH2CH3,C6H5,CH2,CH3,核磁共振氫譜信號 結構信息,信號的位置 （化學位移） 信號的數(shù)目 信號的強度 （積分面積） 信號的裂分 （自旋偶合）,質(zhì)子的化學環(huán)境 化學等價質(zhì)子的組數(shù) 引起該信號的氫原子數(shù)目 鄰近質(zhì)子的數(shù)目，J（偶合常數(shù)）單位：Hz,（2）核磁共振數(shù)據(jù),乙酸乙酯的核磁共振氫譜 1H NMR ( 300 MHz, CDCl3 ),( ppm) 1.867 ( t, J= 7.2 Hz, 3H ), 2.626 ( s, 3H ), 4.716 ( q, J= 7.2 Hz, 2H ) s單峰；d雙峰（二重峰）；

7、t三峰（三重峰）；q四峰（四重峰）；m多峰（多重峰）,3 化學位移 (Chemical shift),化學環(huán)境不同的1H 核在不同位置（）產(chǎn)生共振吸收,化學環(huán)境不同的1H 核在外磁場中以不同的Larmor頻率進動；1H 核在分子中所處的化學環(huán)境不同導致Larmor頻率位移,3.1 化學位移產(chǎn)生的原因,核外電子運動的感應磁場強度 B感應=B0 1H 核實際感受到的磁場強度 B= B0 B感應 = B0 B0 = B0 ( 1 ),屏蔽效應和屏蔽常數(shù),核外電子運動產(chǎn)生的感應磁場導致1H核實際感受到的磁場強度小于外磁場強度。,屏蔽效應 屏蔽常數(shù),Larmor頻率位移,化學位移的來源,不同化學環(huán)境的質(zhì)

8、子，因其周圍電子云密度不同，裸露程度不同，其值也不同，從而發(fā)生核磁共振的H0不同。這就是化學位移的來源。 所以，化學位移也可定義為由于屏蔽程度不同而引起的NMR吸收峰位置的變化。,4 自旋偶合和自旋裂分,4.1 峰的裂分 自旋裂分 鄰近質(zhì)子自旋磁矩間的相互作用 自旋偶合,4.2 自旋裂分的規(guī)律（一級裂分）,4.2.1 裂分峰的數(shù)目 n + 1 規(guī)律（n 為產(chǎn)生偶合的鄰近質(zhì)子數(shù)目） （1）自旋偶合的鄰近質(zhì)子相同時，n 個相同的鄰近質(zhì)子導致n+1 個裂分峰。,（2）自旋偶合的鄰近質(zhì)子不相同時，裂分峰的數(shù)目為(n + 1)(n + 1) 個，n 為一組相同的鄰近質(zhì)子數(shù)目、n 為另一組相同的鄰近質(zhì)子數(shù)

9、目。,4.2.2 裂分峰的相對強度,（1）只有n 個相同的鄰近質(zhì)子時，峰組內(nèi)各裂分峰的相對強度可用二項展開式(a+b)n的系數(shù)近似地來表示。,（2）含有多組鄰近質(zhì)子的情況比較復雜 (1+1)(1+1) 的情況，四重峰具有同樣的強度 (3+1)(1+1) 的情況，各裂分峰的相對強度為 11333311,4.2.3 自旋偶合作用,4.2.4 偶合常數(shù)(coupling constant) J(Hz),Jab=Jba,兩個裂分峰 之間的距離,反映質(zhì)子自旋磁矩 間相互作用的強弱,a 組氫對b 組 氫的偶合常數(shù),b 組氫對a 組 氫的偶合常數(shù),判斷相互偶合的質(zhì)子,偶合常數(shù)J 值與儀器的工作頻率無關, 通

10、常，只有相鄰碳上1H才相互偶合。 等價質(zhì)子間不發(fā)生峰的裂分。 例如：CH3CH3的NMR只有一個單峰。 ClCH2CH2Cl的NMR只有一個單峰。 (n+1)規(guī)律只適用于一級譜-(/J)6。,注 意：,5 核磁共振氫譜譜圖解析,信號的位置 （化學位移） 信號的數(shù)目 信號的強度 （積分面積） 信號的裂分 （自旋偶合）,質(zhì)子的化學環(huán)境 化學等價質(zhì)子組數(shù)-質(zhì)子類型數(shù) 產(chǎn)生該信號的質(zhì)子數(shù)目 鄰近質(zhì)子的數(shù)目,核磁共振氫譜的解析步驟,（1）區(qū)分出雜質(zhì)峰、溶劑峰以及旋轉(zhuǎn)邊帶等,常用氘代溶劑殘峰的化學位移值,（2） 計算不飽和度 = n + 1 (m t) / 2 （3）根據(jù)積分面積以及分子式，確定譜圖中各峰

11、組所對應的氫原子數(shù)目，對氫原子進行分配。,（4） 由于分子存在對稱性時，會使譜圖出現(xiàn)的峰組數(shù)減少，分析時必需考慮分子的對稱性。 （5） 根據(jù)各峰組的化學位移及其氫原子數(shù)目，結合影響化學位移的因素，估計出各組氫所處的基團以及不含氫的基團。,（6）根據(jù)偶合常數(shù)J值及峰形確定各基團之間的相互關系 對于一級譜圖: 裂分峰之間的距離相等 相互偶合的峰組之間的偶合常數(shù)J值相等 裂分峰的數(shù)目應該符合n + 1 規(guī)律 相互偶合的峰組的外型有背靠背傾向，內(nèi)側較高,（7）綜合上述分析，將推出的若干結構單元組合出可能的結構式。 （8）對推出的結構進行指認，并根據(jù)前面所學知識判斷所得結構的合理性。,3 13C-NMR

12、譜簡介,早期的13C譜只能采用多次連續(xù)掃描迭加法。 其原因有： 13C的天然豐度低，（13C為1.1%，1H為99.98%） 13C的磁旋比小：,當H0相同時，, 沒有PFT技術的支持。,所以：,由于13C1H偶合，早期13C譜的譜形復雜，不易解析。直到1965年，13CNMR技術上的一大突破質(zhì)子寬帶去偶技術的應用，才使13C譜的研究得以蓬勃發(fā)展。 PFTNMR儀的出現(xiàn)，使實驗效率大為提高，靈敏度大為改善。 今天，13C譜已經(jīng)成為有機化學家的常規(guī)分析手段。,13C譜的特點, 靈敏度低，分辨力高； 譜圖容易解析； 可直接觀測不帶氫的官能團； 常規(guī)13C譜不提供積分曲線等定量數(shù)據(jù)。,(甲) 13C

13、-NMR的化學位移,內(nèi)標：TMS。以其中的13C核的化學位移為標準。 變化范圍：0250ppm。 各種常見的13C核的化學位移：,(乙) 13C-NMR的譜圖,采取不同的去偶技術，可得到不同的13C-NMR圖譜。 常見的有寬帶去偶譜、偏共振去偶譜、DEPT譜等。 下圖是2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的13C 的寬帶去偶譜：,6、應用實例,文獻1：核磁共振波譜法測定鹽酸卡替洛爾等9種洛爾類藥物對照品的絕對含量,作者：張愛君、陶閏紅、畢洪書、王瀠莘、 趙春杰 意義：本文采用核磁共振波譜法，以三聚甲醛、對苯二酚和苯甲酸分別為9種洛爾類藥物對照品的內(nèi)標,與待測物混合并同時測定，通過比較洛爾類藥物定量峰與內(nèi)標物定量峰峰面積的比值確定待測物的含,量。測定鹽酸卡替洛爾、鹽酸塞利洛爾、鹽酸貝凡洛爾、鹽酸艾司洛爾、鹽酸索他洛爾、阿替洛爾、鹽酸普萘洛爾、鹽酸拉貝洛爾和酒