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核磁共振谱波谱原理及应用实验室与设备管理处现代分析方法研究中心秦海娟1一、核磁共振波谱的意义二、磁共振波谱的基本原理三、核磁共振波谱仪器的基本组成四、核磁共振波谱主要信息五、核磁共振波谱实验六、一维氢谱七、核磁共振氢谱解析八、核磁共振波谱的应用目录2第一节核磁共振波的意义有机波谱中的四大谱：紫外吸收光谱－－分子中官能团红外光谱－－分子中化学键核磁共振波谱－－分子中的原子质谱－－分子量3核磁共振或简称NMR是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法。核磁共振与紫外、红外吸收光谱一样都是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上的跃迁。紫外和红外吸收光谱是分子分别吸收波长为200~400nm和2.5~25μm的辐射后，分别引起分子中电子的跃迁和原子振动能级的跃迁。而核磁共振波谱中是用波长很长（约106~109μm，在射频区）、频率为兆赫数量级、能量很低的电磁波照射分子，这时不会引起分子的振动或转动能级的跃迁，更不会引起电子能级的跃迁。但这种电磁波能与处在强磁场中的磁性原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁，从而产生吸收信号。这种原子核对射频电磁波辐射的吸收就称为核磁共振波谱。4HCHHmmm(10-6m)nm(10-9m)A(10-10m)核磁共振研究的材料称为样品。样品可以处于液态，固态。众所周知,宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成，原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成。核磁共振研究的对象是原子核。一滴水大约由1022分子组成。5第二节核磁共振波的基本原理原子核是微观粒子，它的许多特性是量子化的，不能用经典概念来解释。凡是质量数和原子序数之一是奇数的核，I均不为零，亦即有自旋现象；只有质量数和原子序数均为偶数的核的I才为零，亦即没有自旋现象，不会产生核磁共振吸收，这类核在核磁共振研究上是没有意义的。6•吸收（或发射）光谱，检测分子中某种原子核对射频的吸收。•只有自旋量子数（I）不为零的核才有NMR信号•质量数和原子序数都为偶数I=0(12C,16O)•质量数为偶数，原子序数为奇数I=整数(14N,2H,10B)•质量数为奇数I=半整数(1H,13C,15N,31P)•I=1或I1的原子核，这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；•I=1/2的原子核，原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素（1H，13C，15N，19F，31P）•原子核的自旋态是量子化的:m=I,(I-1),(I-2),…,-I•m为磁量子数.7•对于1H,13C,15N,31P（生物相关的核）:m=1/2,-1/2•这表明这些核只有两种状态（能级）.•原子核另一个重要的参数是磁矩（m）:m=gIh/2p•磁矩是一个矢量，它给出了“原子核磁体”的方向和大小（强度）•h为普朗克常数•g为旋磁比,不同的原子核具有不同的旋磁比，是磁性核的一个特征常数•不同的原子核具有不同的磁矩8•在基态下核自旋是无序的，彼此之间没有能量差。它们的能态是简并的:•由于原子核具有核磁矩，当外加一个强磁场时（Ho），核磁矩的取向会与外磁场平行或反平行:•取向与外磁场平行核的数目总是比取向反平行的核稍多。Ho=gh/4p磁场的作用（对I=½）9m=gIh/2p•当外加一个磁场时，取向与外磁场（Ho）平行和反平行的核之间会有能量差:•每个能级都有不同的布居数（N）,布居数的差别与能量差有关遵守Boltzmman分布:Na/Nb=eDE/kT•400MHz（Ho=9.5T）下的1H，能量差为3.8x10-5Kcal/molNa/Nb=1.000064•与UV或IR相比，布居数的差别很小。------检测灵敏度低Ho=0Ho0DE=hnab能量和布居数10•原子核的能量（对于一个核自旋）与核磁矩和外加磁场的大小成正比:E=-m.HoE(up)=ghHo/4p---E(down)=-ghHo/4pDE=ghHo/2p•这个能量的差就是每个核可以吸收的能量（与信号的强度和灵敏度直接相关）:•磁体的磁场越强（大的Ho），NMR谱仪的灵敏度就越高。•具有较大g值的核，吸收或发射的能量就越大，也就越灵敏。灵敏度与m、Na-Nb及“线圈的磁通量”都成正比，这三者都与g成正比，所以灵敏度与g3成正比。•如果考虑同位素的天然丰度,13C(~1%)的灵敏度要比1H低上6400倍。g13C=6,728rad/Gg1H=26,753rad/G仅仅是g的原因，1H的灵敏度就大约是13C的64倍能量和灵敏度11•能量与频率是相关的，我们可以作一些简单的数学变换：DE=hnn=gHo/2pDE=ghHo/2p•对于1H来说，在通常的磁体中(2.35-18.6T),其共振的频率在100-800MHz之间。对13C,是其频率的1/4。10-1010-810-610-410-2100102wavelength(cm)g-raysx-raysUVVISIRm-waveradio能量和频率无线电波波长最长，能量最小12在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。对于氢核，能级差：DE=2mH0（m磁矩）产生共振需吸收的能量：DE=2mH0=hn0由拉莫进动方程：0=2pn0=gH0;共振条件：n0=gH0/(2p)(核磁共振理论基础）例：H原子gH=2.68×108T-1·S-1([特斯拉]-1·秒-1)C13核的gC=6.73×107T-1·S-1核磁共振条件13(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)进动频率与外磁场的比值n0/H0=g/2p核磁共振条件14•在实际的样品中可能存在数以百计的自旋系统，它们的共振频率各不相同。我们用射频脉冲同时激发所有的频率，接收线圈会同时检测到所有频率的信号。我们看到的结果是所有信号的叠加，这就是FID信号。•对FID信号进行FT处理就可以得到NMR谱图。自由感应衰减（FID）15一些磁核的性质同位素I天然丰度（%）ug/107绝对灵敏度共振频率（MHz)/H=7.0463T1H1/299.982.7926.751.003002H10.0150.861.45*10-646.0513C1/21.110.706.731.76*10-475.4314N199.630.401.01*10-321.6715N1/20.37-0.28-2.713.85*10-630.4019F1/21002.6325.180.83282.2331P1/21001.1310.846.63*10-2121.4016第三节核磁共振波谱仪器的主要组成17超导磁场目前NMR仪器大多采用超导磁场，即由超导材料组成的线圈浸泡在温度极低的液氦(-269oC)中，使其处于超导状态，然后对线圈施加电流，由于没有电阻，撤去电源后，电流仍然在线圈中作恒定的流动，也就产生了恒定的磁场。同样的线圈上，电流越大，产生的磁场就越强。一个线圈上能加多大的电流则取决于该线圈的材料以及设计和生产工艺等。探头探头的种类与下面几个方面有关：1、液体探头或固体探头；2、探头中线圈直径的大小；3、固定频率的或宽带频率；4、正向或反向；5、是否具有发射梯度场脉冲的线圈18NMR探头19傅立叶变换核磁共振波谱仪恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得核磁共振谱图。20天津科技大学核磁共振谱仪------布鲁克AVANCEIII400MHzBBO探头21超导磁体横切面图超导磁体剖面图22Information:Larmor频率：原子核化学位移:结构测定(功能团)J-偶合:结构测定(原子的相关性)偶极偶合:结构测定(空间位置关系)弛豫:动力学1H13CCH3C=CH-HHCCCHHHHDJHHHCJCHCC=CCH3第四节核磁共振波谱主要信息23NMR示意图：242526理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：n0=gH0/(2p)产生单一的吸收峰；实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，感应磁场的方向与外磁场相反，减弱了外磁场对氢核的作用，对氢核起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减弱：Heff=H0-H0·=(1-)H0：屏蔽常数,化学位移常数。越大，屏蔽效应越大。n0=[g/(2p)](1-)H0这种感应磁场对外磁场的屏蔽作用称为电子屏蔽效应。H0He一、化学位移(ChemicalShift)27n0=[g/(2p)]（1-）H0由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。在有机化合物中，由于分子中各组质子所处的化学环境不同，各种氢核周围的电子云密度不同，共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。28化学位移的表示方法：1．位移的标准没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4(Tetramethysilane,TMS)(内标)位移常数TMS=02．为什么用TMS作为基准?(1)12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；（2）屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；（3）化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。29与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。=[（n样-nTMS)/nTMS]106(ppm)小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；30由于化学位移是与外加磁场成正比，所以在不同的磁场下所的化学位移数值也不同。也会引起许多麻烦，引入ppm并使用同一参照样品，就使光谱独立于外加磁场。0Hz15003000450060000ppm48120Hz15003000450060000ppm4812参照样品峰ppmsamplereferencereference300MHz500MHz300MHz500MHz1ppm=300Hz1ppm=500HzPPM单位310ppm428610HC=OHC=CH2CH3即使使用不同的仪器或在不同的场强下，相同的官能团具有相同的ppm值。不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移，从而使结构鉴定成为可能……32CHCl3低场高频高场低频磁场强度（增大）（减小）向左向右33磁场中所有自旋核产生感应磁场，方向与外加磁场相反或相同，使原子核的实受磁场降低或升高，即屏蔽效应。由于屏蔽作用的存在，使氢核实际受到的外磁场作用减弱：Heff=H0-H0·=(1-)H0：屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。有效磁场Beff由于屏蔽效应的存在：坐标轴上屏蔽常数越往右越大，由公式计算，屏蔽常数大的时候对应的频率n就小，所以坐标轴右端对应的是低频；屏蔽常数小的时候对应的频率n就大，所以坐标轴左端对应的是高频。核磁共振理论基础n0=[g/(2p)]（1-）H034因此，凡是H值较大的质子就认为是处于低场，位于谱图左边。H值较小的质子则认为是处于高场，位于谱图的右边。n0=[g/(2p)]（1-）H0对于氢核来说，氢核的共振频率基本上是一致的。所以，由公式计算，屏蔽常数大的时候，屏蔽强，小，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；屏蔽常数小的时候，屏蔽弱，大，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧。对应的磁场场强就小，所以坐标轴左端对应的是低场。核磁共振波谱的左端相当于低场、高频；右端相当于高场、低频35二、影响化学位移的因素化学位移是由于核外电子云的对外磁场的屏蔽引起的，核外电子云密度的强弱决定了屏蔽的大小，凡是能使核外电子云密度改变的因素都能影响化学位移。影响因素内部元素电负性，磁的各向异性效应等外部溶剂效应，氢键的形成等36具体因素主要有：•诱导效应•化学键的各向异性•氢键