仪器分析-张新荣-核磁共振

(a)MagneticfieldCirculatingcharge(b)(c)AschematicconnectionbetweennuclearspinandnuclearmagnetismAxisofspinMagnet图示：磁性核在外加磁场中的行为图1:(1)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(2)放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行图2:(1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差E=h。用能量等于E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不同频率频率强度二、NMR发展简史1924年PauliW.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了上述假设。获NobelPrize1953年，第一台NMR仪器FT-NM1971年，Jeener首次提出二维核磁共振；1975～1976年间R.Ernst从理论和实践两方面对2DNMR进行了深入的研究，获1991年NobelPrize2002年K.Wüthrich发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法,获2002年NobelPrize1.1944:I.Rabi2.1952:F.Bloch3.1952：E.M.Purcell4.1955:W.E.Lamb5.1955：P.Kusch6.1964:C.H.Townes7.1966:A.Kastler8.1977:J.H.VanVleck对NMR作过贡献的15位Nobel奖得主9.1981:N.Bloembergen10.1983:H.Taube11.1989:N.F.Ramsey12.1991:R.R.Ernst13.2002:KurtWüthrich14.2003：PaulLauterbur15.2003：PeterMansfield三、设计NMR仪器的关键考虑a)NMR产生的外因：外加磁场b)NMR信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定c)样品的吸收频率范围：无线电电磁波d)NMR谱记录：吸收峰频率(化学位移）与峰强度的关系300M核磁600M核磁第二节核磁共振理论基础一、核磁共振的产生1、磁性核和非磁性核自旋角动量与磁矩磁矩原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。磁距μ与自旋角动量P成正比，比例常数为：=P称为磁旋比，是原子核的重要属性（见下页图）。但是，不是所有的原子核都有磁性。自旋量子数为1/2的常用核的NMR性质同位素核磁旋比(radiusT-1s-1)天然丰度(%)相对灵敏度1H2.68×10899.981.0013C6.73×1071.110.01615N-2.7×1070.37—19F2.52×108100.000.8331P1.08×108100.000.066经验规律：（1）原子核的总核自旋角动量P为零，此类核无NMR信号。如4He,12C,16O，质子数与中子数相等。（2）自旋角动量P不为零，称为磁性核：I0I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。1)I(I2πhP自旋角动量P是量子化的，可用自旋量子数I表示。I为整数、半整数或零。原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I的经验规则：p与n同为偶数，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇数，I=半整数(1/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p与n同为奇数，I=整数。如2H,6Li等。I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系原子序数Z质量数A自旋量子数I例奇、偶奇半整数I=1/21H;13C;15N;19F;31P;77Se等I=3/27Li;9Be;11B;33S;35Cl;37Cl等I=5/217O;25Mg;27Al;55Mn等奇偶整数I=12H;6Li;14N等I=258CoI=310B偶偶零12C;16O;32S等2、核磁共振的频率磁距μ与磁场B0的相互作用能E为E=-μB0=PB0原子核间进行能级跃迁的能量为00212122BhmBhEEE（选律m=1）=B0/2自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性核的进动核的进动圆频率：=2=B0核磁共振的产生静磁场中，磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波(能量等于E)照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。E=h=(h/2)B0=B0/2核磁共振的基本方程式讨论：（1）磁场固定时，不同频率的电磁波可使不同的核(不同)产生共振；（2）同样的核(一定)，改变磁场时，吸收频率不同。不同核的NMRB0=2.35T核天然同位素存在比(%)E(J)(MHz)1H99.986.6x10-2610013C1.1*1.7x10-262519F1006.2x10-269431P1002.7x10-2640.514N99.630.5x10-26715N0.37*0.6x10-261017O0.037*0.9x10-2613.5*天然丰度越低，测定越困难。B0=2.35T（特士拉）：=25MHz时，13C共振；分别为100MHz、94MHz、40.5MHz时，可分别观测1H,19F,31P核的吸收。磁性核的共振频率与外加磁场成比例：B03、驰豫过程RelaxationProcess热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布N/N=exp(-E/kT)E=h=hB0/2N/N=exp(-hB0/2kT)N：高能级的原子核数N：低能级的原子核数k：Boltzmann常数，1.3810-23JK-1若1H核，B0=4.39T,20C时，则：N/N=exp[-(2.681086.6310-344.39)/(21.3810-23293)]=0.999967对于106个高能级的核，低能级核的数目：N=106/0.999967=1,000,033(a)核在态与态间达到热平衡的状态。(b)比(a)处于高热能的状态，不再有热平衡(c)两能级间原子核数目相等的饱和状态，在驰豫之前不再有净能量吸收驰豫过程：饱和状态时观测不到NMR信号。要观测到净能量吸收，必须有核从态返回态，此即驰豫过程。即必须保持上图的(a)或(b)状态。•自旋-晶格驰豫(spin-latticerelaxation)：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋-晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋-晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋-晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋-晶格驰豫的时间用T1表示。•自旋-自旋驰豫(spin-spinrelaxation)：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间(寿命)改变。自旋-自旋驰豫的时间用T2表示。驰豫的两种方式：4、NMR信号的灵敏度N/N=exp(E/kT)=exp(hB0/2kT)由于E/kT很小，N/N1+E/kT=1+hB0/2kTNB0，即：低能级核的数目与磁场强度呈线性关系，NMR信号的强弱随磁场强度成比例增加53年第一台仪器：B0=0.7T，1H共振于30MHz93年前后，用于NMR的超导磁体场强达17.5T，1H共振于750MHz化学系200MHz；300MHz；600MHz；生物系500MHzNMR能检测的原子思考题•目前核磁共振仪器主要用于研究氢谱。按照公式：=B0/2所有化合物的氢谱都是一样的，怎么能用于研究物质分子的结构？二、核磁共振参数1、化学位移chemicalshift核磁共振条件:=B0/2。依此公式，只有单个质子峰未考虑核外电子云的影响。实际上质子受到屏蔽作用氢核实际所受的磁场为：B0’=(1-)B0=[B0’]/2=[(1-)B0]/2：屏蔽常数即：1H核所处的化学环境不同，不同，也不同。特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的化学位移，用(ppm)表示。乙醇的氢谱)ppm(106标标样乙醇的氢谱1H-NMR：TMS13C-NMR：TMS14N,15N-NMR：液NH317O-NMR：H2O19F-NMR：CFCl331P-NMR：85%H3PO4SiCH3CH3H3CCH3NMR标准物质的选择标准秃核(无屏蔽作用)或电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的优点1）单峰：TMS中所有质子等同，只有一个吸收峰2）TMS的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大(电子云密度大)，处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物H核的共振频率都在左侧3）一个分子中有12个等价H和4个等价C，故加入低含量如1-5%v/v的TMS可得到足够强的尖峰。4）TMS稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低(b.p.=27C)，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。5）TMS不溶于水，对于水溶液，有DDS和TSP-d4等钠盐替代品。它们的甲基H在几乎与TMS相同的位置出峰，亚甲基H出一系列小峰，市售亚甲基H均为氘代产品。思考题•采用高分辨的核磁共振谱仪获得的光谱发生谱线分裂现象，为什么？2、自旋-自旋耦合spin-spincoupling`核自旋通过成键电子与附近相邻磁性核自旋间的相互作用所引起的NMR谱线分裂现象。以下列分子结构单元为例分析谱线裂分现象：—C—C—HHHHHCH2对CH3的影响B0(2)(3)(1)(4)FielddirectionPossiblespinorientationsofmethyleneproton自旋同时相反，CH3三重峰右边的第一个峰。(1)(4)自旋同时相同，CH3三重峰左边的第一个峰。(2)(3)自旋相反，影响抵消。中间峰裂分为3，峰面积比——1:2:1。CH3对CH2的影响B0可能的组合方式:23=8种中间6组为两组等同的磁效应裂分为4峰面积比为1:3:3:1相邻原子上的质子数以n表示，则简单氢谱NMR谱线的裂分数为n+1。谱线分裂数的n+1规则:(a+b)n展开式的各项系数n二项式展开系数峰型11112113311464115101051012345单峰双峰三重峰四重峰五重峰六重峰思考题•为什么TMS（四甲基硅烷）只有一个峰？SiCH3CH3H3CCH33、耦合常数J(couplingconstant)谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位Hz。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：nJ：n化学键的个数。同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。相邻碳上的氢。如HA-CH2-CH2-HB,HA与HB的耦合。相隔4个化学键，耦合作用很弱。2J:3J:4J:4、峰面积反映某种原子核的定量信息。各峰组的面积之比反映了各官能团的氢原子数之比5、弛豫时间与核在分子中所处的环境有关，因此可以表征分子大小、分子与溶剂的作用、分子运动的各向异性等。自旋-晶格驰豫时间(T1)：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋-晶格驰豫。晶格既可以是结晶