第二章核磁共振.

13:24:08★背景介绍★核磁共振基本原理★核磁共振与化学位移★自旋偶合与自旋裂分★谱图解析与化合物结构确定nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR第四章核磁共振波谱法13:24:08BackgroundNMR现象发现于1945年，发展迅速，已成为当代研究物质结构最有力的工具。•1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几乎同时观测了石蜡中质子的信号，1952年获诺贝尔物理奖。•1951年发现化学位移现象。•1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技术可用来研究分子结构。•1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。13:24:08•1965年提出快速FT变换方法。•1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采集由频率域→时域，使信号累加变得容易，大大提高NMR灵敏度，13C核的测量成为可能，这是一次革命。•利用不同的脉冲组合来加工核自旋体系的信息，获得特定的分子结构信息：驰豫时间，共振峰的分类（DEPT，INEPT）•1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。•1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验，NMR进入全新时代。13:24:08•上世纪80年代是NMR迅速发展的十年。•1991年R.R.Ernst本人获诺贝尔化学奖。•2002年瑞士科学家维特里希(K.Wǜthrich）获得诺贝尔化学奖。•2003年诺贝尔生理学或医学奖授予了将核磁共振(NMR)成像技术应用于医学诊断的两位科学家:美国物理学家保罗·劳特布尔(PaulCLauterbur)和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)。13:24:08核磁共振的概念磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。13:24:08范围光区光谱类型跃迁类型10-4～10-2nm-rayMossbauer谱核能级跃迁10-2～1nmX-rayX-光电子能谱核内层电子能级100～400nm紫外光区紫外光谱核外层电子（价400～800nm可见光区可见光谱电子或非键电子)2.5～25m红外光区红外光谱分子振动-转动(4000～400cm-1)～1cm微波区微波谱分子转动能级顺磁共振谱电子自旋能级50～500cm射频区核磁共振谱核自旋能级(600～60MHz,无线电波区）（磁诱导）13:24:08•NMR是由磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。研究最多、应用最广的是1H核的NMR，可用PMR或1HNMR表示。•NMR给出的信息√①化学位移：各种结构的1H、13C有不同的化学位移，对结构敏感。（有点像IR中的特征吸收）√②磁性核附近的取代情况及空间排列：通过偶合常数J和自旋－自旋裂分来判断。（IR谱中没有）•核磁共振谱中的每一个峰都有归属！√③峰面积（积分高度）：•a.用于结构分析：各种化学环境相同的核（1H）的个数；•b.用于成分分析：由特征峰定量。9876543210ppm0.0000.9280.9460.9651.3751.3941.9021.9211.9404.0264.3144.3324.3507.6477.7048.8774.2519.7213.2314.100.5032.5710.305.33H1solvent:aectoneC4mimPF62004.12.13T1X=0.05good13:24:0813:24:08核磁共振的分类•固体核磁共振不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性的金属及非金属材料•液体核磁共振有机化合物，天然产物，生物大分子•核磁共振成像临床诊断的成像、研究动植物形态的微成像、功能成像和分子成像。得知构成物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。13:24:08•1.是不是所有的原子核都具有核磁共振信号？•2.核磁共振信号是怎么产生的？需要解决的问题：核磁共振的原理一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振现象nuclearmagneticresonance三、核磁共振条件conditionofnuclearmagneticresonance四、核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometer13:24:08质量数（a）原子序数（Z）自旋量子（I）例子奇数奇或偶25,23,21,,2111HI715919613,,NFC8171735511,25,,,23OIClBI偶数偶数01632816612,,SOC偶数奇数1，2，3……51071412,3,,,1BINHI若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：核磁子=eh/2Mc；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，)1(2IIh)1(IIg核磁矩：79270.21H70216.013C原子核的自旋13:24:08(1)I=0的原子核16O；12C；22S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或I0的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=5/2：17O，127I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；(3)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P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。Discussion13:24:08静磁场H0下原子核的磁性质没有静磁场时，原子核磁矩的方向是随机的，它们的加和为零有静磁场存在时，所有原子核磁矩μ的加和形成了体系的宏观量－磁化矢量H013:24:081H原子核的自旋+在外加磁场（H0）中，质子自旋所产生的磁矩有两种取向：与H0同向或反向，对应于或两个自旋态。12m=-m=+12H0NN产生能级差与H0同向，低能级m=+12高能级与H0反向，12m=-13:24:081H核自旋能级分裂及其与H0的强弱有关：DE12m=-m=+12EH0013:24:08核磁共振的条件根据量子化学，有：E＝2Hho1γ——磁旋比；h——普朗克常数；H0——外加磁场强度。如果用一个处于射频范围的电磁波照射处于H0中的1H，当电磁波的频率ν射恰好满足DE＝hν——②时，处于低能级态的1H就会吸收电磁波的能量，跃迁到高能级态，发生核磁共振。13:24:08共振条件：0=H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）Discussion13:24:081H和13C在不同静磁场中的共振频率B0[T]共振频率[MHz]1H13C1.416015.11.888020.12.119022.632.3510025.154.7020050.35.6725062.97.0530076.49.40400100.611.74500125.714.09600150.913:24:08不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比：DkThkTEkTEENNjijiexpexpexp两能级上核数目差：1.610-5；MHz00.10024.323488.21068.2280B共振频率999984.0KKJssJ2981038066.11000.10010626.6exp1123634jiNN弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。能级分布及弛豫过程13:24:08•如果含有此类核的物质置放于磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布.在数量上同向与反向的差别很小,但正是这一微小的差别造就了核磁共振光谱学.13:24:082019年12月19日21600MHz磁体探头机柜RF产生RF放大信号检测数据采集控制数据信息交流运行控制磁体控制前置放大器计算机数据储存;数据处理;总体控制.核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometer13:24:08主要组成及部件的功能工作原理基仪器结构框图（连续波核磁共振波谱仪）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仪器组成部分：磁场、探头、射频发射单元、射频和磁场扫描单元、射频监测单元、数据处理仪器控制六个部分。探头13:24:08NMRSystemUPSConsoleComputerAirCompressorMagnetPreamplifier13:24:08磁场磁铁是核磁共振仪最基本的组成部分要求：磁场强度均匀，高分辨率的仪器要求磁场强度均匀度在10-8磁场强度稳定，磁场越强，NMR谱仪灵敏度越高。种类：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁13:24:08•电磁铁：通过强大的电流产生磁场，电磁铁要发出热量，因此要有水冷装置，报磁温度在20~350C范围，变化不超过0.10C/时；开机后3~4小时即可达到稳定状态。在电磁铁的两极上绕上一对磁场扫描线圈，当线圈中通过直流电时，所产生的磁场叠加在原有的磁场上，使有效的磁场在102mG范围内变化，而且不影响磁场的均匀性。••由永久磁铁、电磁铁获得的磁场强度小于25KG.用于60MHz的核磁共振波谱仪。13:24:08•超导磁铁:磁场强度高达100KG，磁场强度均匀、稳定；用于200~600MHz的核磁共振波谱仪；价格昂贵。•测试中心400MHz的核磁共振波谱仪：约22万美元，600MHz的核磁共振波谱仪:约64万美元•一台600MHz的核磁共振波谱仪相当于3台300MHz仪器13:24:08AVII-400MHzNMRSpectrometer生产厂商：德国Bruker公司。•本仪器主要用于有机化合物的结构确证、鉴定或结构、空间的构型分析•磁场强度9.4特斯拉。•使用超导磁铁：NiCr合金，比较软，易加工，足够大的临界磁场•NiCr合金临界温度：-200℃，故必须充液He冷却，He较贵：100元/升，液He腔外充液N2：4元/升，以降低成本13:24:08SuperconductingMagnet13:24:08探头探头是核磁共振波谱仪的心脏部分，装在磁极间隙内，用来检测核磁共振信号。探头包括：试样管、射频发射线圈、射频接收线圈、预放大器、气动涡轮旋转装置等。试样管：内径5mm，容纳约0.4ml液体样品探头上绕有射频发射线圈、射频接收线圈待测样品放在样品管内，再置于绕有射频发射线圈、射频接收线圈的套管内，磁场和频率源通过探头作用于样品样品探头装有一个气动涡轮机，使样品沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转，从而使磁场不均匀性产生的影响平均化，使谱峰的宽度减少。102r/min13:24:08SampleintheProbe13:24:08.射频发射单元高分辨波谱仪要求稳定的射频频率和功率，仪器通常采用恒温下的石英晶体振荡器产生基频，再通过倍频、调谐、和功率放大得到所需射频信号1H常用60、200、300、500MHz射频振荡器，要求射频的稳定性在10-8,需要扫描频率时，发射出随时呈线性变化的频率13:24:08.射频和磁场扫描单元两种扫描方式，一种为保持频率恒定，线性改变磁场---扫场，另一种为保持磁场