第九章核磁共振波谱分析.

第九章核磁共振波谱分析将磁性原子核放入强磁场后会发生磁能级分裂，用适宜频率的电磁波照射，处于低能级的原子核发生能级跃迁会吸收能量，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振波谱在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的核磁共振吸收谱，本章重点介绍1H核共振的原理及应用利用核磁共振光谱进行结构测定、定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法，简称NMR共同点都是吸收光谱紫外-可见红外核磁共振吸收波长紫外可见光200~760nm红外光0.76~1000m无线电波1~100m，波长最长，能量最小跃迁类型电子能级跃迁振动、转动能级跃迁自旋原子核能级跃迁核磁共振与紫外、红外的比较核磁共振的分类液体核磁共振：用于有机化合物，天然产物，生物大分子的研究；固体核磁共振：用于不溶性的高分子材料，膜蛋白，金属材料的研究;核磁共振成像：临床诊断的成像仪，动植物实验、研究用的成像仪。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析方法；是结构分析的重要工具之一，获取的结构信息丰富，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用；新的分析测试技术不断出现。核磁共振波谱分析的特点：第一节核磁共振基本原理一、核的自旋和磁矩原子核具有质量并带正电荷，自旋量子数I≠0的原子核有自旋现象，在自旋时产生磁矩，磁场的方向可用右手定则确定。21hIIp根据量子力学的原理，原子核磁矩的大小取决于核的自旋角动量(p):当I=0时，p=0，原子核没有自旋现象，只有I﹥0时原子核才有自旋角动量和自旋现象。：磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对于某元素是定值，是磁性核的特征常数。核的自旋角动量p是量子化的,是核的自旋量子数I的函数:p质量数原子序数自旋量子数I核自旋NMR原子核偶数偶数0无12C6、16O8、32S16奇数奇,偶1/2有1H1、13C6、19F9、15N7、31P15奇数奇,偶3/2、5/2…有11B5、35Cl17、79Br35、81Br35、17O8、33S16偶数奇数1、2、3…有2H1、14N7核自旋与核的质量数和原子序数的关系I=1/2的原子核，核电荷球形均匀分布于核表面，它们的核磁共振现象较简单；谱线窄，适宜检测，目前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振谱I≥1的原子核，核电荷分布不均匀，形状复杂，可视为椭圆体，它们的核磁共振信号极为复杂，研究较少m=I，I-1，I-2，…，-I2I+1个取向将自旋核置于外磁场H0中时，根据量子力学原理，由于磁矩与磁场相互作用，磁矩相对于外加磁场有不同取向，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可以用磁量子数(m)描述：二、核磁共振的产生I=1/2的氢核只有两种取向：+1/2，-1/2I=1的核有三种取向：+1，0，-1每种取向各对应一定的能量状态I=1/2I=1I=2m=1/2m=+1/2m=1m=+1m=m=2m=1m=m=m=zzzB0EH0自旋核磁矩的取向与外磁场及能级的关系示意图对于具有一定自旋量子数I、磁量子数m的核量子化能级的能量为：0HImEH0：外加磁场强度(G-高斯)；β：核磁子(5.049×10-31J.G-1)；μ：核磁矩（以核磁子为单位）。对于具有I=1/2m=+1/2、-1/2的核:对于具有I=1m=1,0,-1的核:μZm=0H0μμZm=-1/2H0μμZm=+1/2H0μμZm=-1H0μμZm=+1H0μE=-H0E=+H0△E=2H0E=-H0E=+H0△E=H0△E=H0对于任何自旋角量子数为I的核，其相邻两个能级的能量差：0HIE当用频率为的电磁波照射被外磁场分裂了的自旋1H核且满足：02HhE1H核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，磁矩的取向发生改变，即处于低能态的核吸收了射频能量而跃迁至高能态，发生了核磁共振吸收。hH0μμH0根据经典力学模型，原子核在自旋的同时，还以外磁场方向为轴线发生回旋，这种回旋运动称为拉摩尔进动。类似于陀螺的运动，当其旋转轴与重力的作用方向不一致时就产生拉摩尔进动。0002H自旋角速度进动线频率磁旋比hI2当电磁波的照射频率与进动频率0相等时，发生核磁共振吸收，核磁矩取向发生改变。200H自旋量子数I相同的同一核，因磁矩为一定值，为常数，所以发生共振时照射频率的大小取决于外磁场强度的大小。外磁场强度增加时，照射频率也相应增加。自旋量子数I相同的不同核同时放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身磁矩的大小，大的核发生共振所需的照射频率也大。对自旋量子数I不同的核，取决于磁旋比。200H核有自旋(磁性核)有外磁场时，能级裂分;照射频率满足：产生核磁共振的条件200H1H核在磁场作用下，被分裂为m=+1/2和m=-1/2两个能级，处在低能态核和处于高能态核的分布服从波尔兹曼分布定律：kTHhkThkTEeeeNN2)2/1()2/1(0三、饱和与弛豫1、饱和现象室温下（298K）当H0=1.409T时，高能态和低能态的1H核数目之比为KKJTsTsJeNN2981038.114.32409.11068.21063.6)2/1()2/1(12311434低能态核数目比高能态核数目仅多十万分之几，NMR信号就是靠这极少过量的低能态核产生。=0.9999901若以合适的射频照射处于磁场中的1H核，核吸收能量后，由低能态跃迁到高能态，其净效应是吸收，产生核磁共振吸收信号。“饱和”现象：N(-1/2)/N(+1/2)=1，低能态与高能态之间的跃迁达到动态平衡，能量的净吸收为零，无核磁信号。根据波尔兹曼定律，提高外磁场强度H0，降低工作温度T，可减小N(-1/2)/N(+1/2)比值，提高NMR信号的灵敏度，但是必须存在高能态的核返回低能态的过程，才能测得连续的核磁共振信号。低能态核自发辐射的概率近似为零通过非辐射途径将能量传递给周围环境或其它低能态弛豫：高能态的核通过适当的非辐射形式释放能量后返回低能态，维持N0略大于N*，使核磁共振信号存在，这一过程称为驰豫。包括自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。驰豫是核磁共振发生后得以保持的必要条件。高能态核2、弛豫自旋核与周围分子(固体为晶格，液体为周围的溶剂分子)交换能量的过程；有别于微观粒子之间的“碰撞”交换能量形式，自旋核受到核外电子云的屏蔽作用，无法通过碰撞释放能量；但是分子的各种运动形成许多不同频率的磁场(晶格场)，如果其中存在与核进动频率相同的磁场(晶格场)，就可以进行能量转移的驰豫过程；自旋-晶格弛豫对所有1H核而言，总体能量下降，故也称纵向弛豫。自旋-晶格弛豫同类核进行能量交换的过程；当同类核具有相同的进动频率，高能态的核可以通过磁场释放能量给低能态的同类核；N*/N0结果没有改变，故又称横向弛豫；但是通过自旋-自旋驰豫降低了激发态的寿命。自旋-自旋弛豫弛豫时间T对测定有显著影响：T太长，易“饱和”，不利于测定；T太短，谱线变宽，不利于分辨；弛豫时间受样品状态的影响，一般情况控制样品浓度10%左右。按扫描方式不同分为两大类：连续波核磁共振仪脉冲傅里叶变换核磁共振仪核磁共振仪可设计为两种方法：固定磁场，改变射频频率，扫频法，较困难固定射频频率，改变磁场，扫场法，通常用四、核磁共振波谱仪简介20H连续波核磁共振仪核磁共振波谱仪由可变磁场、探头、射频波发生器、射频信号接收器、射频和磁场扫描器、样品管、数据采集及仪器控制工作站等组成。射频和磁场扫描单元射频发射单元射频监测单元数据处理仪器控制磁场磁场用来产生一个强的外加磁场。按磁场种类分为永久磁铁、电磁铁、超导磁体三种。前两种磁铁最高可达到100MHz，超导磁体可达800MHz。磁铁提供核磁共振需要的能量。由垂直于磁场方向的线圈提供，可以调节射频频率进行扫描。射频发生器核磁共振的心脏，超导磁体的中央，包括放置样品管的套管，样品管旋转的气动涡轮旋转装置，射频发生线圈和信号接收线圈。两套独立的压缩管路系统。用于样品管旋转和样品的变温测量。探头样品管（外径5mm的玻璃管）的体积远远小于磁铁的体积，样品管座能旋转，使样品受到均匀的磁场。样品管用于采集、记录数据，控制测试过程，进行各种数据处理，如累加信号等。数据采集及仪器控制工作站不是通过扫场或扫频产生共振；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一般核磁共振谱图。脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪永久磁铁：磁场强度25kG超导磁体：超导材料制备的超导线圈；在低温4K时处于超导状态；磁场强度100kG开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高“失超”后需重新励磁。超导核磁共振波谱仪：可高达800HMz；超导核磁共振波谱仪试样浓度：5~10%，0.1~0.5mol/L；需要纯样品15-30mg；傅立叶变换核磁共振需要纯样品1mg；标准样品：四甲基硅烷TMS；溶剂：1H谱，四氯化碳，二硫化碳、重水；氘代溶剂：氯仿、苯、二甲基亚砜的氘代物。样品的制备第二节化学位移一、屏蔽作用与化学位移理想化的、裸露的氢核，满足共振条件：0=H0/(2)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，运动着的电子产生对抗外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：相对于裸露的氢核来说，屏蔽的存在使1H的共振吸收需要更强的外磁场。H=(1-)H00=H/(2)=(1-)H0/(2)屏蔽常数，与质子所处化学环境有关，电子云密度越大，越大，屏蔽效应越大在有机化合物中，各种1H核所处的化学环境不同，周围的电子云密度也不同，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。二、化学位移的表示方法没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4(TMS)，内标物规定其位移常数δTMS=0CH3SiH3CCH3H3C1、化学位移的标准物质——TMS为什么用TMS作为内标物质?CH3SiH3CCH3H3C12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。有机化合物由于化学环境不同，由电子屏蔽效应产生的化学位移只有百万分之十左右，要精确测量其绝对值较困难。固定v=60MHzH0：140920.14G~10-6固定H0=14092Gv：60MHz600Hz~10-62、化学位移的表示方法采用相对化学位移来表示CH3CCl2CH2Cl在不同强磁场中测量的数据存在一定的差别。）（）（样品样品ppm10ppm10HHH6TMSTMS6TMSTMS）（）（样品样品ppm10ppm10HHH60TMS60TMS仪器的公称参数CH3CCl2CH2Clppm4ppm10106024066ppm4ppm10101004006610-6与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定δTMS=0，其他种类氢核的位移均为负值，负号不加。δ小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现；δ大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现。δ/ppmσvH0TMS8.07.06.05.04.03.02.01.00-CH3-CH2ICH3CH2I峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类；峰的强度(面积积分)比：每类质子的相对数目；峰的位移值(δ)：每类质子所处的化学环境；峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；偶合常数(J)：确定化合物构型。氢谱仅能确定质子，与红外谱图联合解析结构。三、1HNMR谱四、影响化学位移的因素影响因素元素电负性，磁的各向异性等溶剂效应，氢键的形成等化学位移是由于核外电子云的对抗磁场引起的，凡是能使核外电子云密度改变的因素都能影响化学位移内部外部诱导效应（