1-NMR基本原理

第四章核磁共振波谱（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy，NMR）15:2021952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(FelixBloch)&珀赛尔(EdwardPurcell)领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号，共同获得诺贝尔物理学奖。布洛赫(FelixBloch)珀赛尔(EdwardPurcell)发展历史15:203发展历史•1950年前后Proctor发现处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率，即化学位移；随即又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线，即自旋－自旋耦合。就此开拓了核磁共振在化学领域的应用。•二十世纪六十年代出现脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪，引起了该领域革命性进步。15:204发展现状•仪器向更高的磁场发展；•各种新的脉冲系列的应用和发展；•提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR测定新技术，在归属复杂分子的谱线方面非常有用。15:2051991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－）瑞士物理化学家他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。15:206发展现状•固体高分辨NMR技术、HPLC-NMR联用技术及各种稀有核的测定技术的发展；•核磁共振成像（MRI）技术等新的分支学科出现，可无损测定和观察物体以及生物活体内非均匀体系的图象，在许多领域有广泛应用，也成为当今医学诊断的重要手段。劳特布尔（美）和曼斯菲尔德（英）因此获得2003年诺贝尔生理学和医学奖。15:2072003年诺贝尔生理学和医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)用核磁共振成像“拍摄”的脑截面图象Peter15:2082002诺贝尔化学奖:瑞士科学家库尔特·.维特里希“forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution.概述核磁共振波谱是指位于外磁场中的原子核吸收电磁波后从一个自旋能级跃迁到另一个自旋能级而产生的吸收波谱。检测电磁波被吸收的情况就可得到核磁共振波谱。根据波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。•4.1基本原理•4.2核磁共振氢谱（1HNMR）•4.3核磁共振碳谱（13CNMR）•4.4二维谱§4.1基本原理（一）原子核的自旋角动量和磁矩•核的自旋自旋量子数I:描述核的自旋运动,与核的质量数和质子数有关。4.1.1NMR现象的产生•一种核的自旋量子数I是固定的，如：1H核I=1/2；•I=0的原子核，无自旋，无核磁共振现象；I≠0的核都有核磁共振现象。•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，有自旋，是核磁共振研究的主要对象。•I≠0的其它核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。讨论：•原子核的自旋角动量——矢量：空间方向量子化•原子核的磁性和磁矩——矢量原子核的磁性用核磁矩μ来描述。γ:旋磁比•原子核的旋磁比是原子核的基本属性之一，因原子核总类的不同而不同，γ越大，核磁共振中越容易检测到。1H＝26.752×107T-1·S-113C＝6.728×107T-1·S-1（T特斯拉，磁场强度的单位，S秒）；愈大，核的磁性愈大，其核磁共振信号愈易检测。（二）磁性核在外磁场（H0）中的行为•原子核在外磁场中的自旋取向核在外磁场中定向排列，其取向是空间方向量子化的。相对于外磁场方向，可以有（2I+1）种取向。磁量子数m=I,I-1,…,-I,可取2I+1个不同数值。无磁场H原子核•核的进动磁矩μ与H0之间的相互作用能为：，所以，原子核的不同取向就代表了不同的能级不同的取向（m不同），E不同•原子核在外磁场中的能级裂分I=1/2的核，(1)m=+1/2，μ与H0一致，E0，核处于低能级；(2)m=-1/2，μ与H0相反，E0，核处于高能级；能级差：（三）核磁共振产生的条件总结：核磁共振条件：(1)核有自旋(磁性核)，即I≠0；(2)外磁场H0;(3)照射频率与外磁场的关系满足：•讨论共振条件：(2)不同原子核,γ不同，相同磁场强度H0，共振频率不同。如：H0=2.35T,1H100MHz,13C25MHz(1)对于同一种核，γ为定值，共振频率随H0发生变化。1H：H0=1.409T时，共振频率=60MHz；H0=2.305T时，共振频率=100MHz。(3)实现NMR有两种方式：A.固定H0，逐渐改变照射体系的频率——扫频法B.固定照射频率，逐渐改变磁场强度——扫场法几种常见核磁共振谱图：核磁共振氢谱：1HNMR核磁共振碳谱:13CNMR核磁共振氟谱：19FNMR核磁共振磷谱：31PNMRγ2πHoν=γ2πHoν=（四）核磁共振仪样品管1HNMR工作原理•用于有机物结构分析的必须是高分辨率仪器•核磁共振仪的分类：–按外磁场强度不同而所需的照射频率分为：60MHz、100MHz、200MHz、300MHz、400MHz、500MHz、600MHz、800MHz等型号，核磁共振仪的型号通常用H的共振频率来表示;–按磁场的来源：分为永久磁铁、电磁铁和超导磁体；–根据射频的照射方式：分为连续波核磁共振谱仪（CW－NMR）和脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪（PFT－NMR）。•磁体：提供强的稳定均匀的磁场•射频振荡器：产生一个与外磁场强度相匹配的射频频率，提供能量使磁核从低能级到高能级。•射频接受器：用于接受携带样品核磁共振信号的射频输出,并将接收到的信号传送到放大器放大。•探头:有样品管座、发射线圈、接受线圈、变温元件等。•扫描单元：安装在磁极上的扫描线圈，提供一个附加可变磁场，用于扫描测定。连续波核磁共振谱仪脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪PFT-NMR在外磁场保持不变的条件下，使用一个强而短的射频脉冲照射样品。这个射频脉冲包括所有不同环境的同类磁核的共振频率。各种核同时激发，发生共振，然后通过弛豫逐步恢复Boltzmann平衡。在这个过程中，射频接受器接受信号，得到随时间衰减的信号，称自由感应衰减信号（FID)，通过计算机进行傅里叶变换转化为通常的NMR谱图。FT-NMR谱仪特点：扫描速度快，测定一张谱图只需要几秒-几十秒的时间。不仅改善1H等天然丰度高的核种的谱图质量，而且使天然丰度小、绝对灵敏度低的同位素核的核磁共振测定得以实现。核磁共振谱示意图：H低场吸收能量强度高场信号γ2πHoν=磁场强度（频率υ０）H0（五）弛豫–受激吸收和发射同时发生，且有相同的几率。如果高低能级上的粒子数相同，便观察不到净吸收信号。这种现象称作“饱和”。－Boltzmann分布表明，在通常情况下低能级上的粒子数比高能级上的粒子数多。kTEhleNN/平衡状态:0000099.1/)(/2/12/10kTHkTEeeNN＋－为了能持续检测到吸收信号，必须保持低能级上的粒子数始终多于高能级。－高能级上的粒子回到低能级的途径：•自发辐射自发辐射的几率与E成正，在NMR中很小。•弛豫粒子从激发态回到Boltzmann平衡的过程在60MHz的NMR仪器(H0＝1.41T)中，•自旋-晶格弛豫（spin-latticerelaxation）纵向弛豫–自旋核与周围环境(固体的晶格，液体则是周围的同类分子或溶剂分子)交换能量的过程；–弛豫过程所需时间以T1表示；–T1愈小、弛豫的效率(1/T1)愈高，愈有利于核磁共振信号测定。固体分子热运动受限制，T1很大。液体及气体样品的T1仅几秒钟。因此测定核磁共振谱时一般多采用液体试样。•自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）横向弛豫–核与核之间进行能量交换的过程;–弛豫时两个核的取向被掉换，各种能级的核数目不变，系统的总能量不变。–弛豫过程所需时间以T2表示，气体及液体样品T2为1秒左右。固体及粘度大的液体试样由于核与核之间比较靠近，有利于磁核间能量的转移，T2仅10-4～10-5秒。核磁共振基本原理示意图4.1.2化学位移实际情况并非如此!!!根据核磁共振基本原理，核磁共振只能区分不同元素的核。如，H0＝1.4092T时，1H的共振频率为60MHz13C的共振频率为15.1MHz例如：乙醇的氢谱中有三个共振吸收峰。有机分子中，与不同基团相连的氢原子核，具有不同的共振信号。1.化学位移的产生012H0011'122HH＝（－）核实际受到的磁场强度H0’感应磁场外磁场电子云对核的屏蔽作用•核外有电子云•裸露的核：H0’=H0－H0=H0（1－）为使核发生共振，须提高外磁场强度以抵消感应磁场由此产生了化学位移化学位移化学位移：由于化学环境的差异而引起的同类磁核在核磁共振中出现不同共振信号的现象。屏蔽常数与原子核所处的化学环境有关:•d为抗磁屏蔽球形对称的s电子云产生。与外磁场方向相反，削弱外磁场（屏蔽作用）。共振信号发生在高场。•p为顺磁屏蔽核外非球形对称的电子云产生。与外磁场方向相同，增强外磁场（去屏蔽作用）。共振信号发生在低场。•a为相邻基团的各向异性的影响。•s为溶剂、介质等其他因素的影响。spd0112H＝（－）2.化学位移的表示方法0112H＝（－）—屏蔽作用引起的共振频率差别很小。100MHz仪器中，不同化学环境的1H的共振频率差别在0～1500Hz范围内，难以测量。以一标准物质作为基准，测定样品和标准物质的共振频率之差。—共振频率与外磁场强度有关,不同仪器测定结果难以比较。化学位移的表示：以甲基为例：在60MHz仪器中：在100MHz仪器中：3.基准物质的选择常用：四甲基硅烷(tetramethylsilane，简称TMS)优点是：•化学性质不活泼，与样品及溶剂等不发生化学反应和分子间缔合。•四个甲基有相同的化学环境，在氢谱和碳谱中都只有一个吸收峰。•电负性：Si(1.9)C(2.5)，氢和碳核受大的屏蔽效应，产生的信号不会干扰样品NMR信号。•沸点很低（27℃）易去除，有利于回收样品。SiCH3CH3CH3CH3•在1H和13C谱中规定：TMS的化学位移值=0，位于图谱的右边。其左边为正值，在它的右边为负值。1H=0～2013C=0～200•其它标准物：如2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸钠(又称DSS)，叔丁醇，丙醇等。低场向左磁场强度向右高场（增大）（减小）4.化学位移的测定•TMS作为内标物和样品一起溶解于合适的溶剂中进行测定•1H和13C测定一般使用氘代溶剂。CD3SOCD32.49(5重峰);D2O4.6(s);CDCl37.24(s);CD3OD3.50(5重峰),4.78(1);CD3COCD32.04(5重峰)4.1.3自旋－自旋耦合自旋-自旋耦合：相邻磁核之间的相互干挠现象；自旋裂分：由自旋-自旋耦合而引起的多重谱线现象A核邻近有一个X核(自旋量子数为1/2)0(1)2HA核，不考虑邻近核时：X的取向＋1/2,(↑,α)10(1)'2HHX的取向-1/2,(↓,β)20(1)'2HH1.耦合作用的一般原理υ1υ2υ0JAX相邻一个核产生的局部磁场引起的峰裂分X核产生的局部磁场H=H0(1-σ)+H'H=H0(1-σ)-H'H0υ1υ2裂分为两重峰，强度比为1:1高频低场低频高场AJAXJAX相邻两个相同核产生的局部磁场引起的峰裂分X1、X2核产生的局部磁场H=H0(1-σ)+2H'H=H0(1-σ)+H'-H'=H0(1-σ)H=H0(1-σ)-2H'H0υ1υ0υ2裂分为三重峰强度比为1:2:1υ1υ0υ2原子核之间的自旋耦合作用是通过成键电子传递的。耦合机制的解释是Remsey提出的Fermi接触机制。A