现代仪器分析 第六章 核磁共振波谱法

第六章核磁共振波谱法6-1概述6-2核磁共振波谱法的基本原理6-3核磁共振波谱仪6-4NMR谱的信息6-5核磁共振氢谱及其应用6-6核磁共振碳谱简介UV-Vis、AAS、MFSIR辐射吸收——分子价电子能级跃迁，伴随振转能级跃迁辐射吸收——原子价电子能级跃迁辐射发射——分子价电子激发后去激辐射吸收——分子振转能级跃迁第一节概述（一）核磁共振波谱法简介核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)：指原子核在磁场中吸收一定频率的无线电波，而发生自旋能级跃迁的现象。核磁共振波谱(NMRspectrum)：以核磁共振信号强度对照射频率(或磁场强度)作图所得图谱。核磁共振波谱法：利用核磁共振波谱进行结构（包括构型、构象）测定、定性及定量的方法。核：磁性质的原子核磁：外加磁场共振：吸收射频辐射产生核自旋能级跃迁，产生NMR信号——吸收光谱范畴研究的对象是处于强磁场中原子核对射频辐射的吸收第一节概述射频辐射→原子核(强磁场下能级分裂)→吸收→能级跃迁→NMR第一节概述核磁共振波谱与紫外-可见光谱及红外光谱的区别①照射频率不同而引起的跃迁类型不同。光谱类型λ跃迁形式紫外-可见吸收光谱200~760nm外层电子能级跃迁红外光谱2.5~25μm分子振-转能级跃迁核磁共振谱60cm~300m原子核自旋能级跃迁②测定方法不同。紫外及红外吸收光谱——亮背景下测暗信号。核磁共振信号——暗背景下测定核磁共振信号，灵敏度较高。第一节概述（二）核磁共振分析的历史及现状1924年：Pauli预言了NMR的基本理论，即：有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR仪器；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。1970年：Fourier(pilsed)-NMR开始市场化(早期多使用的是连续波NMR仪器)。第一节概述美籍德国人O.Stern：发现质子磁矩1943年诺贝尔物理学奖1944年诺贝尔物理学奖美籍奥地利人I.I.Rabi：应用共振方法测定了原子核磁矩和光谱超精细结构（1）质子磁矩的发现第一节概述（2）核磁共振现象的发现01美国FelixBloch和EdwardMillsPurcell1946年发现核磁共振现象，建立核子感应理论，开辟了核磁共振分析的历史，获1952年诺贝尔物理学奖。第一节概述（3）脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明瑞士RichardR.ErnstPulseFT-NMR1966年发明Fourier-NMR分光法和二维、多维的核磁共振技术，获得了1991年诺贝尔化学奖第一节概述JohnB.Fenn，KoichiTanaka：发明了生物大分子的质谱分析法KurtWüthrich：发明了利用NMR技术测定生物大分子三维结构的方法2002年诺贝尔化学奖（4）生物大分子分析的NMR技术3DStructureofBio-macromolecules第一节概述美国PaulC.Lauterbur英国PeterMansfield上世纪70年代发明磁共振成像技术(MRI)，可从微观到宏观无损探测生物活体的结构和功能。药2003年诺贝尔生理或医学奖（5）核磁共振成像技术（MRI）第一节概述（6）核磁共振仪器的发展1951年，第一台NMR仪于laboratoryoftheUniversityofLeipzig1953年，Varian制作了第一台商用高分辨NMR仪1970年：Fourier(pilsed)-NMR开始市场化1980年:第一台MRI扫描仪问世2005年：950MHz谱仪商品化，二十一世纪出现1GHz以上谱仪第一节概述950MHz、1GHz以上NMR谱仪——更高灵敏度和分辨率二维、三维和多维核磁谱——利于复杂分子谱线归属；固体高分辨NMR技术、HPLC-NMR联用技术、碳、氢以外核的研究——扩展了NMR的应用范围；快速扫描和功能性核磁共振成象技术——提高MRI应用范围（7）NMR仪器的发展方向第一节概述（三）核磁共振光谱分类按原子核种类可分为1H、13C、15N、19F、31P等核磁共振谱。①质子类型（-CH3、-CH2-、、=CH2、-OH、-CHO）及质子化学环境；氢谱主要是给出三方面的结构信息：②氢分布；③核间关系。缺点1）无H的结构无法给出信号；2）对于长链的烷烃，H谱谱线多重叠。第一节概述碳谱可给出丰富碳骨架的信息，但其峰面积与碳数一般不成比例关系。因而氢谱和碳谱可互为补充。19F和31P谱只能用于含F含P的化合物，应用范围较窄。（四）核磁共振光谱的应用•核磁共振波谱仪•核磁共振成像仪•核磁共振测井仪•核磁共振探水仪•核磁共振分析仪•核磁共振表面探测仪物质的分子结构与构象研究；化学动力学、氢键或速率常数研究药物、材料的研究与开发第一节概述第一节概述核磁共振谱的应用极为广泛，可概括为定性、定量及定结构研究、物理化学研究、生物活性测定、药理研究及医疗诊断等方面。1、在有机结构研究方面可测定化学结构及立体结构（构型、构象）、互变异构现象等，与紫外、红外、质谱配合使用，是确定有机化合物结构最重要的手段之一。这个方法的最大特点是样品不会被破坏，可回收。2、物理化学研究方面可以研究氢键、分子内旋转及测定反应速率常数等。第一节概述3、在定量方面可以测定某些药物的含量及纯度检查。4、医疗与药理研究由于核磁共振具有能深入物体内部，而不破坏样品的特点，因而可进行活体研究，在生物化学药品方面也有广泛应用。如酶活性、生物膜的分子结构、癌组织与正常组织鉴别、药物与受体间的作用机制等。近年来，核磁共振成像仪，已用于人体疾病的诊断。第二节核磁共振波谱法的基本原理（一）原子核的自旋NMR的研究对象为具有磁矩的原子核。核自旋，正电荷形成环形电流，产生核磁矩核磁矩的大小取决于自旋角动量P及磁旋比γ：)1(2IIhP原子核的自旋将产生核磁矩，其方向服从右手法则。自旋量子数I不为0的核能产生自旋，它具有一定的角动量，称为自旋角动量P（spinangularmomentum):)1(2IIhPP：自旋角动量；I：自旋量子数；I不为零的核都具有磁矩。h：普朗克常数；第二节核磁共振波谱法的基本原理第二节核磁共振波谱法的基本原理原子核的自旋特征用自旋量子数I来描述，I与原子质量数、电荷数有关质量数原子序数INMR信号原子核偶数偶数0无12C616O832S16奇数奇或偶数1/2有1H113C619F915N731P15奇数奇或偶数3/25/2…有11B535Cl1779Br3581Br3517O833S16偶数奇数1,2,3有2H114N7各种核的自旋量子数（1）质量数与原子序数（电荷数）都为偶数的核，I=0，无自旋现象，不会产生核磁共振信号，如12C、16O等。（2）质量数为奇数，原子序数为奇数，如1H、19F等；也可为偶数的核，如13C等。I=半整数（1/2，3/2，5/2……），第二节核磁共振波谱法的基本原理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。PNFCH311515719913611,,,,（3）质量数为偶数，原子序数为奇数的核，I=整数（1、2、3…），这类核也有自旋现象，但由于它们的核磁距空间量子化比较复杂，所以目前研究较少。结论：质量数和电荷数两者或其一为奇数时，才有非零的核自旋量子数。I=0时，P=0，原子核无自旋现象I≥½时，原子核有自旋现象第二节核磁共振波谱法的基本原理（二）原子核的自旋能级和共振吸收2.1核自旋能级分裂原子核在磁场中，核磁矩的取向（旋转方向）有2I+1个，不同的取向能量不同，每一种取向用磁量子数m（magneticquant-umnumber)表示。m=I,I-1,I-2……-I+1,-I2I+1个取向例：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行（顺磁场），磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反（逆磁场），磁量子数ｍ＝－1/2;在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的，也就是说其旋转方向是任意的,并且自旋产生的磁场方向也是任意的.因此并没有高低能级之分第二节核磁共振波谱法的基本原理自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外加磁场H0中时相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;每一种取向都对映一个能级状态，有一个ms。如：1H核：标记ms为－1/2和+1/2第二节核磁共振波谱法的基本原理低能量高能量电磁波辐射002HhEh0021H与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高第二节核磁共振波谱法的基本原理由此可见，核磁距在外磁场空间的取向不是任意的；氢核磁矩的取向实际上，两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’和125°36’第二节核磁共振波谱法的基本原理氢核磁矩的取向Ho：外磁场强度；两者的能级差随Ho着的增大而增大，这种现象称为能级分裂02HhE＝EH0=0m＝－1/2m＝+1/2I＝1/2核的能级分裂对于具有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=-μβH0E=+μβH0△E=2μβH0E=-μβH0E=+μβH0△E=μβH0△E=μβH00HImEH0：外加磁场强度(G-高斯);β：核磁子(5.049×10-31J.G-1);μ：以β为单位的磁旋比.第二节核磁共振波谱法的基本原理2.2原子核的共振吸收原子核的拉莫尔进动当将自旋核置于外加磁场H0中时，根据经典力学模型会产生拉莫尔（Larmor）进动：第二节核磁共振波谱法的基本原理第二节核磁共振波谱法的基本原理第二节核磁共振波谱法的基本原理拉莫尔进动频率ν0与角速度ω0的关系为；ω0=2πν0=γH0γ----磁旋比H0----外磁场强度ν0=γH0/(2π)ν0＝ν即照射频率必须等于原子核进动频率时，能级才会跃迁。000022HHhEh由于在能级跃迁时频率相等（ν0＝ν），因而称为共振吸收。原子核的共振吸收条件第二节核磁共振波谱法的基本原理自旋磁性核在外磁场发生能级裂分，跃迁发生在相邻两个能级间。照射频率与外磁场满足，照射频率与进动频率相等。200H共振吸收条件核：磁性质的原子核磁：外加磁场共振：吸收射频辐射产生核自旋能级跃迁，产生NMR信号)1(2IIhP)1(2IIhP02HhE＝EH0=0m＝－1/2m＝+1/2I＝1/2核的能级分裂ω0=2πν0=γH0ν0=γH0/(2π)000022HHhEh①②③第三节核磁共振波谱仪共振吸收法是利用原子核在磁场中，能级跃迁时核磁矩方向改变而产生感应电流，来测定核磁共振信号。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（一）主要组成及部件的功能组成部分：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。第三节核磁共振波谱仪仪器分类：按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按照射频率：60MHz、90MHz、200MHz……按扫描方式：连续波NMR仪（CW-NMR）和脉冲傅立叶变换NMR仪样品管连续波（CW）核磁共振仪结构示意图通过高频交变电流产生稳定的电磁辐射接受线圈中产生的共振感应信号提供恒