1核磁共振波谱法一、概述早在1924年Pauli就预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质,它们在磁场中可以发生能级的分裂。1946年美国科学家布洛赫(Bloch,斯坦福大学)和珀塞尔(Purcell,哈佛大学)分别发现在射频区(频率0.1~100MHz,波长1~1000m)的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核(或称磁性核或自旋核)相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生核自旋能级的共振跃迁,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(nuclearmagneticresonancespectroscopy,NMR),他们也因此分享了1952年的诺贝尔物理奖。所产生的波谱,叫核磁共振(波)谱。通过研究核磁共振波谱获得相关信息的方法,称为核磁共振波谱法。NMR和红外光谱、紫外—可见光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后发生能级上的跃迁,但引起核磁共振的电磁波能量很低,不会引起振动或转动能级跃迁,更不会引起电子能级跃迁。.1949年,Kight第一次发现了化学环境对核磁共振信号的影响,并发现了信号与化合物结构有一定的关系。而1951年Arnold等人也发现了乙醇分子由三组峰组成,共振吸收频率随不同基团而异,揭开了核磁共振与化学结构的关系。1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1956年,曾在Block实验室工作的Varian制造出第一台高分辩率的仪器,从此,核磁共振波谱法成了化学家研究化合物的有力工具,并逐步扩大其应用领域。七十年代以后,由于科学技术的发展,科学仪器的精密化、自动化,核磁共振波谱法得到迅速发展,在许多领域中已得到广泛应用,特别在有机化学、生物化学领域中的研究和应用发挥着巨大的作用。八十年代以来,又不断出现新仪器,如高强磁场的超导核磁共振波谱仪,脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪,大大提高灵敏度和分辨率,使灵敏度小的原子核能被测定;计算机技术的应用和多脉冲激发方法的采用,产生二维谱,对判断化合物的空间结构起重大作用。瑞士科学家恩斯特R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel化学奖(对核磁共振光谱高分辩方法发展作出重大贡献)。。瑞士科学家库尔特·维特里希因2“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”而获得2002年诺贝尔化学奖(一半奖金)。产生核磁共振波谱的必要条件有三条:·原子核必须具有核磁性质,即必须是磁性核(或称自旋核),有些原子核不具有核磁性质,它就不能产生核磁共振波谱。·需要有外加磁场,磁性核在外磁场作用下发生核自旋能级的分裂,产生不同能量的核自旋能级,才能吸收能级发生能级的跃迁。·只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收,即,这就是核磁共振波谱的选择性。由于核磁能级的能量差很小,所以共振吸收的电磁辐射波长较长,处于射频辐射光区。核磁共振波谱法的特点:·核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一,因为它把有机化合物最常见的组成元素氢(氢谱)或碳(碳谱)等作为“生色团”来使用的,因此它可能确定几乎所有常见官能团的环境,有的是其它光谱或分析法所不能判断的环境,NMR法谱图的直观性强,特别是碳谱能直接反映出分子的骨架,谱图解释较为容易。·有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外,还有碳谱,氟谱,磷谱等),因此,扩大了应用范围,各种谱之间还可以互相印证。·可以进行定量测定,因而也可以用于了解化学反应的进程,研究反应机理,还可以求得某些化学过程的动力和热力学的参数。·该法的缺点是:有的灵敏度比较低,但现代高级,精密的仪器可以使灵敏度极大的提高;实际上不能用于固体的测定,仪器比较昂贵,工作环境要求比较苛刻,因而影响了应用的普及性。二、基本原理(一)核的自旋运动上面已述,1924年Pauli预言,某些原子核具有自旋和磁矩的性质,尔后被证实了,除了一些原子核中质子数和中子数均为偶数的核以外,其它核都具有自旋性质,3即核绕着某一个轴自身作旋转运动,称为核的自旋运动。原子核是质子和中子的组合体。质子带有正电荷,核的自旋引起电荷运动,它等价于一个环形导体中的电流,因而会产生磁场,用右手定则可判断磁场的方向。因此自旋核是一个磁偶极子,具有核磁矩。原子核中的质子、中子等都有质量,质量的自旋就产生角动量矩,、的取向是平行的,之间的关系为:式中为核的磁旋比,是原子核的一种属性,一定核就具有特定的值。如:的/特·秒,的/特·秒,等等。角动量矩可表示为:式中h为普朗克常数,I为核的自旋量子数,可以取0,,1,……I>0,P>0,原子核有自旋角动量和自旋现象;I=0,P=0,原子核没有自旋现象。量子力学理论及实验均证明,I的取值与原子的质量数及该元素在周期中的原子序数(也是核中的质子数)有关,某些元素I的取值如表12-1所示。(二)自旋核在磁场中的行为若将自旋核置于外磁场中,由于磁偶极子与外磁场的相互作用,核磁矩矢量方向(自旋轴方向)就会有一定的取向,核磁矩与外磁场方向有一定的夹角,亦就是,在外磁场的作用下,具有磁矩的核子就具有一定的能量E,其能量与其取向角度有关。根据经典的电磁理论,其能量为:式中——称为核磁子,常数,焦耳/高斯;4——以核磁子为单位表示的核的磁矩,对于一定的核,数值一定(如的为2.793核磁子单位,的为0.702磁磁子单位);θ——与的夹角,θ=0时,,同向,能量最低;——外磁场强度,高斯在经典力学中θ是连续的,因此能量E也是连续的。而量子力学的原理证明,在外磁中,核磁矩的取向不是任意连续的,它只能有(2I+1)种取向,即自旋核在外磁场中分裂为(2I+1)个能级,这些能级称为塞曼能级,如:,,则(2I+1)=2,表明在外磁场中分裂为2个能级。每个取向用磁量子数m表示,所以m有(2I+1)个数值,m的取值为I,I-1,……-I。所以的取值为和。能量E表示为:一般来说,自旋量子数为I的核,其相邻两能级之差为0HEI归纳之:在外磁场Ho的作用下,具有的核磁子发生了能量的分裂,能级分裂的数目取决于核的自旋电子数I,为(2I+1),每个能级用磁量子数m表示,m的取值为I,I-1,…,-I。每个能级的能量为。对于,。(三)核磁共振量子力学模型上面已述,根据量子力学原理,核自旋能级的跃迁是吸收射频辐射的能量引起的,所以,则5对于,吸收射频辐射的频率为02Hh。从频率公式可以得到如下几点结论:■产生核磁共振的条件:,有存在,辐射能量需等于核自旋能级差;■不同的核、I不同,不同,发生共振所必需的不同,即共振条件不一样;■相同的核比值一定,比值也一定,共振吸收频率随而改变。或反之。所以获得核磁共振谱的方法有两种:●固定,进行频率扫描,得到在此下的共振吸收频率。这方法叫扫频;●固定,进行磁强扫描,得到在对此频率产生共振吸收所需要的。这方法叫扫场。(四)NMR中的驰豫过程1、处于高、低能态的核数比例服从玻尔兹曼分布(低能态的核数稍多)2、饱和:数目稍多的低能态的核跃迁至高能态后,核从低能态跃迁至高能态的速率等于核从高能态跃迁至低能态的速率,NMR信号消失的现象。3、驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程,是NMR现象发生后得以保持的必要条件4、自旋晶格驰豫:核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率1/T1,T1为自旋晶格驰豫时间。5、自旋自旋驰豫:自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。体系的总能量不变,核在某一固定能态的寿命变短。速率1/T2,T2为自旋自旋时间。66、驰豫时间与谱线宽度的关系:即谱线宽度与驰豫时间成反比。二、核磁共振波谱仪和试样的制备(一)分类按磁场源分:永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按交变频率分:40,60,90,100,200,500,600MHz,频率越高,分辨率越高按射频源和扫描方式不同分:连续波NMR谱仪(CW-NMR)脉冲傅立叶变换NMR谱仪(FT-NMR)(二)连续波核磁共振波谱仪1、主要组成部件:1)磁铁:提供强而均匀的磁场2)射频振荡器:在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品3)扫描发生器:安装在磁极上的Helmholtz线圈,提供一个附加可变磁场,用于扫描测定4)射频接受器:用于探测NMR信号,此线圈与射频振荡器、扫描发生器三者彼此互相垂直。5)记录器6)探头:包括样品管、发射线圈(扫描发生器)、接受线圈(射频接受器)、预放大器等样品管:直径4mm,长度15cm,质量均匀的玻璃管磁场、频率源通过探头作用于试样。装有一个气动涡轮机,使试样沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转,消除磁场的不均匀性产生的影响。2、波谱仪1)射频源和音频调制要求有稳定的射频频率和功率——石英晶体振荡器7提高基线的稳定性和磁场锁定能力——音频调制2)扫描单元扫描速度的大小会影响信号峰的显示3)接受单元4)信号累加提高灵敏度(三)脉冲傅里叶核磁共振波谱仪(PFT-NMR)连续波核磁共振波谱仪——单频发射和接收信息少多道发射机——不同环境的核同时共振适当宽度的射频脉冲多道接收机——快速傅里叶变换时间域函数→频率域函数优点:测定速度快;可进行核的动态过程、瞬变过程、反应动力学等方面的研究;对共振信号弱的核也能测定。(四)试样的制备1、试样管管壁均匀、平直2、溶液的配制浓度——100~500g/L纯样——15~30mg3、标准试样仪器分析法——相对的分析方法四甲基硅烷(TMS):只有一个峰;出现在高磁场区;沸点低,易回收。高温:六甲基二硅醚(HMDS)水溶液:3-三甲基硅丙烷磺酸钠4、溶剂CCl4、CS2氯仿、丙酮、二甲亚枫、苯四、化学位移的来源及表示法8前面已述,质子(1H)共振吸收条件是,在1.409T磁场中,将吸收60MHz的射频辐射。式子表明,不管1H处在何种分子或基团中,只要H0一定,υ也就一定,而实际的核磁共振吸收中却不是如此,各种化合物中不同的质子,所吸收的频率稍有不同。乙醇分子中三个基团的1H吸收相对位置如图16.7所示(在低分辨率的仪器中测得的谱图)。说明在不同分子或同一分子的不同基团中,氢核所处的化学环境不同,产生核磁共振所吸收的频率也不一样。这种由于核周围分子环境不同引起共振吸收频率位移的现象,叫做化学位移。(一)化学位移的产生化学位移来源于核外电子的屏蔽效应。原子核总是处在核外电子的包围中,电子的运动形成电子云。若处于磁场的作用之下,核外电子会在垂直外磁场方向的平面上作环流运动,从而产生一个与外磁场方向相反的感生磁场,这种对抗外磁场的作用称为电子的屏蔽效应。因此,原子核实际感受所作用的磁场的磁场强度H就降低了,即:式中称为屏蔽系数,很小,一般仅为数量级。因此,1H的共振吸收频率为:9上式表明:若固定H0,则υ就变小,且屏蔽效应越大(σ越大),υ降低越多;而如果要使υ保持不变,则需加大H0,且σ越大,H0需求量增加越多。乙醇中三个基团的三种氢原子表现出三个共振吸收峰,-CH3中电子的屏蔽效应大,σ较大,所以H0较大,-CH2-次之,在较低H0出峰,而-OH中的1H,由于O的电负性大,吸引了电子云,使1H受的屏蔽效应小,σ较小,所以在较小的H0出峰。虽然σ很小,σH0也很小,即由于屏蔽效应使所需外磁场变化ΔH或共振吸收频率的变化Δυ也很小,一般也仅为数量级。如60MHz的射频辐射使孤立的1H共振需1.409T的磁场,而分子体系的1H共振,只不过是大约0.1Gs(100mGs)。但正是由于有这一微小的变化,为研究化合物的结构提供了非常重要的现象和依据。(二)化学位移的表示由于(或)佷小,所以要准确测量其绝对值是很困难的,且其绝对值也随磁场源(或频率源)的不同而异。为了提高化学位移数值的测量准确度和确立化学位移数据的统一标度。采用与标准物质相对照的百万分相对值(即ppm)来标度。从理论上说,标准物质应该是氢原子的完全裸核,但这是办不到的。实际上是以一定的参考物质作为标准,NMR中常用四甲基硅烷(,TMS)作为标准,因为TMS具有如下特点:●TMS分子中的12个氢核处于完全相同的化学环境中,它们的共振条件完全一致,因此在NMR谱中只有一个峰。●TMS分子中氢核周围的电子云密度很大,受到的屏