核磁共振波谱分析法

图示：磁性核在外加磁场中的行为图1:(1)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(2)放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行图2:(1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差E=h。用能量等于E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不同频率频率强度二、NMR发展简史1924年PauliW.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了上述假设。获NobelPrize1953年，第一台NMR仪器FT-NMR1991年，Ernst对高分辨核磁共振方法发展（获NobelPrize）2002年（生物大分子的核磁分析）三、设计NMR仪器的关键考虑a)NMR产生的外因：外加磁场b)NMR信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定c)样品的吸收频率范围：无线电电磁波d)NMR谱记录：吸收峰频率(化学位移）与峰强度的关系第二节核磁共振理论基础一、核磁共振的产生1、磁性核和非磁性核自旋角动量与磁矩磁矩原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。磁距μ与自旋角动量P成正比，比例常数为：=P称为磁旋比，是原子核的重要属性（见下页图）。但是，不是所有的原子核都有磁性。自旋量子数为1/2的常用核的NMR性质同位素核磁旋比(radiusT-1s-1)天然丰度(%)相对灵敏度1H2.68×10899.981.0013C6.73×1071.110.01615N-2.7×1070.37—19F2.52×108100.000.8331P1.08×108100.000.066经验规律：（1）原子核的总核自旋角动量P为零，此类核无NMR信号。如4He,12C,16O，质子数与中子数相等。（2）自旋角动量P不为零，称为磁性核：I0I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。1)I(I2πhP自旋角动量P是量子化的，可用自旋量子数I表示。I为整数、半整数或零。原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I的经验规则：p与n同为偶数，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇数，I=半整数(1/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p与n同为奇数，I=整数。如2H,6Li等。I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系原子序数Z质量数A自旋量子数I例奇、偶奇半整数I=1/21H;13C;15N;19F;31P;77Se等I=3/27Li;9Be;11B;33S;35Cl;37Cl等I=5/217O;25Mg;27Al;55Mn等奇偶整数I=12H;6Li;14N等I=258CoI=310B偶偶零12C;16O;32S等2、核磁共振的频率磁距μ与磁场B0的相互作用能E为E=-μB0=PB0原子核间进行能级跃迁的能量为00212122BhmBhEEE（选律m=1）=B0/2自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性核的进动核的进动圆频率：=2=B0核磁共振的产生静磁场中，磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波(能量等于E)照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。E=h=(h/2)B0=B0/2核磁共振的基本方程式讨论：（1）磁场固定时，不同频率的电磁波可使不同的核(不同)产生共振；（2）同样的核(一定)，改变磁场时，吸收频率不同。不同核的NMRB0=2.35T核天然同位素存在比(%)E(J)(MHz)1H99.986.6x10-2610013C1.1*1.7x10-262519F1006.2x10-269431P1002.7x10-2640.514N99.630.5x10-26715N0.37*0.6x10-261017O0.037*0.9x10-2613.5*天然丰度越低，测定越困难。B0=2.35T（特士拉）：=25MHz时，13C共振；分别为100MHz、94MHz、40.5MHz时，可分别观测1H,19F,31P核的吸收。磁性核的共振频率与外加磁场成比例：B03、驰豫过程RelaxationProcess热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布N/N=exp(-E/kT)E=h=hB0/2N/N=exp(-hB0/2kT)N：高能级的原子核数N：低能级的原子核数k：Boltzmann常数，1.3810-23JK-1若1H核，B0=4.39T,20C时，则：N/N=exp[-(2.681086.6310-344.39)/(21.3810-23293)]=0.999967对于106个高能级的核，低能级核的数目：N=106/0.999967=1,000,033(a)核在态与态间达到热平衡的状态。(b)比(a)处于高热能的状态，不再有热平衡(c)两能级间原子核数目相等的饱和状态，在驰豫之前不再有净能量吸收驰豫过程：饱和状态时观测不到NMR信号。要观测到净能量吸收，必须有核从态返回态，此即驰豫过程。即必须保持上图的(a)或(b)状态。•自旋-晶格驰豫(spin-latticerelaxation)：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋-晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋-晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋-晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋-晶格驰豫的时间用T1表示。•自旋-自旋驰豫(spin-spinrelaxation)：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间(寿命)改变。自旋-自旋驰豫的时间用T2表示。驰豫的两种方式：4、NMR信号的灵敏度N/N=exp(E/kT)=exp(hB0/2kT)由于E/kT很小，N/N1+E/kT=1+hB0/2kTNB0，即：低能级核的数目与磁场强度呈线性关系，NMR信号的强弱随磁场强度成比例增加53年第一台仪器：B0=0.7T，1H共振于30MHz93年前后，用于NMR的超导磁体场强达17.5T，1H共振于750MHz化学系90MHz；200MHz；生物系500MHz二、核磁共振参数1、化学位移chemicalshift核磁共振条件:=B0/2。依此公式，只有单个质子峰未考虑核外电子云的影响。实际上质子受到屏蔽作用氢核实际所受的磁场为：B0-Be=(1-)B0=[(1-)B0]/2：屏蔽常数即：1H核所处的化学环境不同，不同，也不同。特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的化学位移，用(ppm)表示。乙醇的氢谱)ppm(106标标样乙醇的氢谱1H-NMR：TMS13C-NMR：TMS14N,15N-NMR：液NH317O-NMR：H2O19F-NMR：CFCl331P-NMR：85%H3PO4SiCH3CH3H3CCH3NMR标准物质的选择标准秃核(无屏蔽作用)或电子云密度非常大的核(屏蔽作用非常大，=0)，例如：TMS四甲基硅烷TMS的优点1）单峰：TMS中所有质子等同，只有一个吸收峰2）TMS的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大(电子云密度大)，处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物H核的共振频率都在左侧3）一个分子中有12个等价H和4个等价C，故加入低含量如1-5%v/v的TMS可得到足够强的尖峰。4）TMS稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低(b.p.=27C)，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。5）TMS不溶于水，对于水溶液，有DDS和TSP-d4等钠盐替代品。它们的甲基H在几乎与TMS相同的位置出峰，亚甲基H出一系列小峰，市售亚甲基H均为氘代产品。2、自旋-自旋耦合spin-spincoupling`核自旋通过成键电子与附近相邻磁性核自旋间的相互作用所引起的NMR谱线分裂现象。以下列分子结构单元为例分析谱线裂分现象：—C—C—HHHHHCH2对CH3的影响B0(2)(3)(1)(4)FielddirectionPossiblespinorientationsofmethyleneproton自旋同时相反，CH3三重峰右边的第一个峰。(1)(4)自旋同时相同，CH3三重峰左边的第一个峰。(2)(3)自旋相反，影响抵消。中间峰裂分为3，峰面积比——1:2:1。CH3对CH2的影响B0可能的组合方式:23=8种中间6组为两组等同的磁效应裂分为4峰面积比为1:3:3:1相邻原子上的质子数以n表示，则简单氢谱NMR谱线的裂分数为n+1。谱线分裂数的n+1规则:(a+b)n展开式的各项系数n二项式展开系数峰型11112113311464115101051012345单峰双峰三重峰四重峰五重峰六重峰3、耦合常数J(couplingconstant)谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位Hz。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：nJ：n化学键的个数。同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。相邻碳上的氢。如HA-CH2-CH2-HB,HA与HB的耦合。相隔4个化学键，耦合作用很弱。2J:3J:4J:4、峰面积反映某种原子核的定量信息。各峰组的面积之比反映了各官能团的氢原子数之比5、弛豫时间与核在分子中所处的环境有关，因此可以表征分子大小、分子与溶剂的作用、分子运动的各向异性等。三、影响化学位移的因素和红外光谱需要记忆一些官能团特征吸收频率一样，核磁共振波谱图谱解析的关键是要首先记住不同类型的质子的化学位移。例如：CH3—0.9左右—CH2—1.2左右Ph—H7-8之间1.常见官能团的氢谱A)CH30.9ppm(饱和)在高场出峰，峰强，易于辨认0.81.2;2.12.6;2.23.2;2.02.7;3.24.01H(CH3)(1)烷基：02ppm(烷烃)CH3HCOCH3OCH3CCH3CH3NB)CH2CH2CH3H3CCH2ORH3CCH2HCH3CO1H(CH2)1.172.473.40C)CH一般比CH2的值大0.3ppmCH2YX(2)烯：HaCHbCXHc一般1Hc最大。(3)苯环：无取代基时，47ppm(6.5ppm左右较普遍)1H=7.3ppm,单峰A)单取代a.烃基单取代HCCHRCH3HCCCRCH2一组峰，分辨不开OHORNH2NHRNRR'b.邻对位单取代***邻对位质子受屏蔽作用，在高场，分辨不开间位质子在低场，三重峰c.间位单取代CHOCORCOORCOOHCONHRNO2NNSO3HAr苯环电子云密度降低，邻位质子受影响大Jab：710Hz；Jac：23Hz；Jad：01HzHaHbHdHc邻位质子受去屏作用，大，粗略呈双峰；其它质子位移不大。B)二取代a.对位二取代最具特色，两对3J耦合四重峰，左右对称NH2NO2AABBHA=7.27-0.8+0.3=6.77HB=7.27+1.0-0.15=8.12o-NO2:1.0;m-NO2:0.3o-NH2:0.8;m-NH2:0.15b.邻位二取代相同取代基时，谱图