第七章 核磁共振波谱分析

第七章核磁共振波谱分析超导傅立叶数字化核磁共振仪300MHz（156w）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将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用与紫外、红外比较共同点都是吸收光谱紫外-可见红外核磁共振吸收能量紫外可见光200~780nm红外光780nm~1000m无线电波1~100m波长最长，能量最小,不能发生电子振动转动能级跃迁跃迁类型电子能级跃迁振动能级跃迁自旋原子核发生能级跃迁2.发展历史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：哈弗大学的Purcel和斯坦福大学的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；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）。NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析方法§7-1核磁共振基本原理原子核具有质量并带正电荷，大多数核有自旋现象，在自旋时产生磁矩，磁矩的方向可用右手定则确定，核磁矩和核自旋角动量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比地增加=P—磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。是磁性核的一个特征常数一、原子核的磁性例：H原子H=2.68×108T-1·S-1(特[斯拉]-1·秒-1)C13核的C=6.73×107T-1·S-1等值，，，，可以为2231210)1(2IIIhp代入上式得:)1(2IIh当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原子核才有自旋角动量和自旋现象核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量子数I的关系如下:（=P）实践证明,核的自旋量子数I与核的质量数,质子数和中子数有关质量数为偶数原子序数为偶数自旋量子数为0无自旋12C6,32S16,16O8质量数为偶数原子序数为奇数自旋量子数为1,2,3有自旋14N7质量数为奇数原子序数为奇数或者偶数自旋量子数为1/2,3/2,5/2有自旋1H1,13C619F9,31P15I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核表面,如:1H1,13C6,14N7,19F9,31P15它们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核磁共振谱二、核自旋能级和核磁共振(一)核自旋能级把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示m=I,I-1,I-2,……-I每种取向各对应一定能量状态I=1/2的氢核只有两种取向I=1的核在B0中有三种取向I=1/2I=1I=2m=1/2m=+1/2m=1m=+1m=m=2m=1m=m=m=zzzB0与外磁场平行，能量较低，m=+1/2,E1/2=－B0与外磁场方向相反,能量较高,m=-1/2,E-1/2=B0I=1/2的氢核Pz为自旋角动量在Z轴上的分量核磁矩在磁场方向上的分量核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能E,即各能级的能量为E=－ZB02hmPZ2hmZE1/2=－B0E-1/2=B0I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系由式E=－ZB0及图可知1H核在磁场中,由低能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为△E=E2－E1=B0－(－B0)=2B0△E与核磁矩及外磁场强度成正比,B0越大,能级分裂越大,△E越大无磁场B0外加磁场E1=－B0E2=B0△E=2B0m=-1/2m=+1/2(二)核磁共振如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的核，且射频频率恰好满足下列关系时：h=ΔEΔE=2B0（核磁共振条件式）h02处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态，这种现象叫做核磁共振现象。2hmI=1/2的核发生核磁共振吸收射频的频率，即共振频率。自旋核的跃迁能量磁性核h=ΔE高能级低能级（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说,因核磁矩为一定值，（核磁比）—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，为使核发生共振，照射频率也相应增加；反之，则减小。20得代入hBh02221产生核磁共振光谱的条件例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位）1H的共振频率为)11(15.200100015.214.3269.41068.221181180HzsMHzssH放在外磁场B0=2.35T=100MHz(2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若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,磁旋比大的核，发生共振所需的照射频率也大；反之，则小。例：13C的共振频率为:MHzssc26.5010026.514.3269.41073.62171170MHzssH1520010001521432694106822181180.....1H的天然丰度为99.98%，13C的天然丰度为1.11%三、核自旋能级分布和驰豫(一)核自旋能级分布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kTBhkThkTEeeeNN2)21()21(0当B0=1.409T,温度为300K时,高能态和低能态的1H核数之比为KKJTsTsJeNN3001038.114.32409.11068.21063.6)21()21(12311834处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一,而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的=0.99999若以合适的射频照射处于磁场的核,核吸收能量后,由低能态跃迁到高能态,其净效应是吸收,产生共振信号.若高能态核不能通过有效途径释放能量回到低能态,低能态的核数越来越少,一定时间后,N(-1/2)=N(+1/2),这时不再吸收,核磁共振信号消失,这种现象为“饱和”据波尔兹曼定律,提高外磁场强度,降低工作温度,可减少N(-1/2)/N(+1/2)值,提高观察NMR信号的灵敏度(二)核自旋驰豫驰豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件高能态核低能态核自发辐射的概率近似为零通过一些非辐射途径回到将自身的能量传递给周围环境或其它低能级态这种过程叫核自旋驰豫激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去,使核从高能态回到原来的低能态,这一过程称为振动驰豫纵向弛豫1：又称自旋-晶格弛豫。处于高能级的核将其能量及时转移给周围分子骨架(晶格)中的其它核，从而使自己返回到低能态的现象。a)固体样品---分子运动困难---1最大---谱线变宽小---弛豫最少发生；b)晶体或高粘度液体---分子运动较易---1下降---谱线仍变宽---部分弛豫;c)气体或受热固体---分子运动容易---1较小---谱线变宽大---弛豫明显。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，1增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。横向弛豫2：又称自旋-自旋弛豫。当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移所发生的弛豫现象。a)固体样品—结合紧密—自旋核间能量交换容易—2最小—谱线变宽最大(宽谱)—纵向弛豫容易。b)受热固体或液体—结合不很紧密—自旋核间能量交换较易—2上升—谱线变宽较小—纵向弛豫较易；c)气体—自旋核间能量交换不易—2最大—谱线变宽最小—横向弛豫最难发生。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，2下降，越多纵向弛豫发生—谱线宽。在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间1和2大致相当，在0.5-50s之间。两种弛豫过程中，时间短者控制弛豫过程。对于固体样品：1大而2小，此时弛豫由时间短的控制，因此谱线很宽！气体样品亦是如此。因为液体的1和2均为1秒左右，能给出尖锐的谱峰，因此，在NMR分析中，需将样品配制成液体！2核磁共振波谱主要参数用于结构分析的主要参数有化学位移,自旋偶合常数,信号强度(峰面积)和驰豫时间.一、化学位移（一）屏蔽常数和化学位移1H核的共振频率由外部磁场强度和核的磁矩表示,在B0=4.69的磁场中，其共振频率为200.15MHz，即在核磁共振谱图上共振吸收峰为单峰。实际上各种化合物中的氢核的化学环境或结合情况不同，所产生的共振吸收峰频率不同.20任何原子核都被电子云所包围,当1H核自旋时,核周围的电子云也随之转动，在外磁场作用下，会感应产生一个与外加磁场方向相反的次级磁场，实际上会使外磁场减弱，这种对抗外磁场的作用称为屏蔽效应.如图7.3所示。1H核由于在化合物中所处的化学环境不同，核外电子云的密度也不同，受到的屏蔽作用的大小亦不同，所以在同一磁场强度B0下，不同1H核的共振吸收峰频率不同。原子实际上受到的磁场强度B等于外加磁场强度B0减去外围电子产生的次级磁场强度（σB0）B=B0-σB0=B0(1-σ)σ为屏蔽常数，σB0为感应产生的次级磁场强度，B为氢核真正受到的有效外磁场强度外电子云产生感应磁场,抵消一部分磁场,产生共振向高场方向移动）代入得把μ1220(BBBhBhBσ）（μ120210σ）（B)1(20σμνhB)1(20σνB由于氢核具有不同的屏蔽常数σ，引起外磁场或共振频率的移动，这种现象称为化学位移。固定照射频率,σ大的原子出现在高磁场处,σ小的原子出现在低磁场处由于化学环境不同引起氢核化学位移的变化很小，只有百万分之十左右,要精确测量其绝对值较困难，并且在不同强磁场中仪器测量的数据存在一定的差别，故采用相对化学位移来表示。实际中用一种参考物质作标准，以试样与标准的共振频率(vx与vs)或磁场强度(BS与BX)的差值同所用仪器的频率v0或磁场强度B0的比值来表示.表示相对位移。因其值极小，故相对差值再乘以106相对位移60601010BBBxssx或人为的找一个标准,每个物质都与它比较低场高场0TMSCH3OCH3TMS化学位移四甲基硅烷[(CH3)4Si,TMS]核磁共振测量化学位移选用的标准物质是四甲基硅烷[(CH3)4Si,TMS],它具有下列优点：TMS分子中有12个氢核,所处的化学环境完全相同，在谱图上是一个尖峰。TMS的氢核所受的屏蔽效应比大多数化合物中氢核大，共振频率最小，吸收峰在磁场强度高场TMS对大多数有机化合物氢核吸收峰不产生干扰。规定TMS氢核的=0，其它氢核的一般在TMS的一侧。TMS具有化学惰性。TMS易溶于大多数有机溶剂中。采用TMS标准,测量化学位移，对于给定核磁共振吸收峰，不管使用多少MHz的仪器,值都是相同的。大多数质子峰的在1—12之间。左右屏蔽作用：小大固定射频：低场高δ109876543210ppm(二)影响化学位移的因素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影响因素内部元素电负性,磁的各向异性效应等外部溶剂效应,氢键的形成等1.元素电负性影响