核磁共振基础

核磁共振基础李光玉[e-mail]一．核磁共振概论二．一维氢谱三．一维碳谱1.有机化合物结构鉴定与有机波谱学宁永成科学出版社2.有机化合物的波谱解析药明康德华东理工大学出版社一．核磁共振概论1.核磁共振现象2.仪器3.描述核磁共振的方法4.谱图参数5.实验操作6.谱图处理FelixBloch,USAandEdwardM.Purcell,USATheNobelPrizeinPhysics1952,fortheirdiscoveryofnewmethodsfornuclearmagneticprecisionmeasurementsanddiscoveriesinconnectiontherewithRichardR.Ernst,SwitzerlandTheNobelPrizeinChemistry1991,forhiscontributionstothedevelopmentofthemethodologyofhighresolutionnuclearmagneticresonance(NMR)spectroscopyKurtWuthrich,SwitzerlandTheNobelPrizeinChemistry2002,forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolutionPaulC.Lauterbur,USAandPeterMansfield,UnitedKingdomTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2003,fortheirdiscoveriesconcerningmagneticresonanceimaging？？？核磁共振发展历程Theory————Methodology————Application核磁共振概述核磁共振（NMR，NuclearMagneticResonance)是指处于外磁场中的物质，其原子核受到相应频率的电磁波作用时，其原子核的磁能级之间发生共振跃迁的这种物理现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。因此，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构及其它信息，可以研究物质的分子结构、动力学和相互作用。核磁共振是最广泛地研究分子性质的最通用的技术：从三维结构到分子动力学、化学平衡、化学反应性和超分子体系。核磁共振特点原子分辨率的三维结构可以研究结构、动力学、相互作用最接近生理或化学反应条件不破坏样品，不需要分离技术手段多，发展快灵敏度低仪器贵重原理和方法不易掌握原子核的一些基本属性电荷：质子中子自旋：自旋量子数I：0½½自旋角动量P：磁矩（表征磁性）μ：μ=γP旋磁比γgyromagneticratio具有磁矩的原子核才会发生核磁共振现象质量数质子数中子数I典型核偶数偶数偶数012C,16O,32S偶数奇数奇数n/2(n=2,4,…)2H,14N奇数偶数奇数奇数偶数n/2(n=1,3,5,…)1H,13C,15N,19F,31P,11B,17O,35Cl,79Br,81Br,127Ih/2π1)I(I=P核磁共振(NMR)的产生特定频率电磁波照射，满足hν=ΔEν=(γ/2π)B0与外磁场相互作用能E=-μB0能级量子化ΔE=(hγ/2π)B0经典力学拉摩尔进动（Larmorprecession)ν=(γ/2π)B0核磁共振信号的影响因素ν=(γ/2π)B0I0½½ν射频（兆赫）B0磁场强度γ旋磁比S/N∝Nγ3B03/2n1/2N自旋原子数目（样品浓度）γ旋磁比B0磁场强度n扫描次数核磁共振的灵敏度同位素I天然丰度（%）/107绝对灵敏度共振频率（MHz)B=7.0463T1H1/299.9826.751.003002H10.0151.45*10-646.0513C1/21.116.731.76*10-475.4314N199.631.01*10-321.6715N1/20.37-2.713.85*10-630.4019F1/210025.180.83282.2331P1/210010.846.63*10-2121.40常见核的核磁共振性质问题：根据1H、13C和15N的旋磁比、天然丰度等基本参数，计算13C、15N的绝对灵敏度（假设1H的绝对灵敏度为100）。对于400兆核磁共振谱仪而言，1H的共振频率为400MHz，那么，13C、15N的共振频率应该是多少呢？同位素I天然丰度（%）/107绝对灵敏度共振频率（MHz)1H1/299.9826.7510040013C1/21.116.7315N1/20.37-2.712.核磁共振仪器•连续波（CW）•傅立叶变换（FT）FIDAcquiretd3.描述核磁共振的方法简介•能级图(energylevel)•矢量模型（vectormodel)•迟豫(relaxation)过程能级图吸收光谱、波谱共性：波尔兹曼分布布居数跃迁自发辐射几率与能级差成正比饱和:αβ布居数相同，无跃迁，即无核磁共振吸收核磁特点：迟豫过程frequencyβα矢量模型宏观磁化强度Mzxyzxyzxy单脉冲实验过程Acquiretdθ迟豫过程Bloch方程纵向迟豫时间T1横向迟豫时间T2自旋-晶格弛豫(spinlatticerelaxation)energyprocess自旋-自旋弛豫(spin-spinrelaxation)entropyprocessinphase(coherence)dephase迟豫机理•Dipolarrelaxation•Spinrotationrelaxation•Chemicalshiftanisotropy•Scalarcoupling•Electricquadrupolarrelaxation•ParamagneticrelaxationDipole-dipole机理：核周围的分子相当于许多小磁体，这些小磁体快速运动产生的瞬息万变的波动磁场，包含有许多不同频率。若其中某个波动场的频率与核自旋产生的磁场的频率一致时，这个自旋核就会与波动场发生能量交换，把能量传给周围分子而跃迁到低能级。•由弛豫时间所引起的NMR信号峰的加宽，可以用测不准原理来估计，即：E*thE=h*=1/t=1/T2谱线宽度与弛豫时间T2成反比。•如果T2很小，谱线很宽固体样品黏度大的样品快速化学交换的信号四极矩原子核14N15NNMR谱线的宽度原子核的电四极矩(electricquadropularmoment)4.核磁共振的参数•化学位移•自旋耦合、耦合常数•信号强度（积分值）•迟豫时间•NOE化学位移当裸露核处于外磁场B0中，它受到B0所有的作用。而实际上，处在分子中的核并不是裸露的，核外有电子云存在。核外电子云受B0的诱导产生一个方向与B0相反，大小与B0成正比的诱导磁场。它使原子核实际受到的外磁场强度减小。也就是说核外电子对原子核有屏蔽（shielding）作用。屏蔽常数σν0=(γ/2π)B0ν=(γ/2π)B0（1-σ）发现：1950年W.G.Proctor,Y.C.Yu在研究硝酸铵NH4NO3的14NNMR时发现两条谱线，这说明核磁共振可以反映同一种核（14N）的不同化学环境。屏蔽作用的大小与核外电子云密度有关，核外电子云密度越大，核受到的屏蔽作用越大，而实际受到的外磁场强度降低越多，共振频率降低的幅度也越大。如果要维持核以原有的频率共振，则外磁场强度必须增强得越多。电子云密度和核所处的化学环境有关，这种因核所处化学环境改变而引起的共振条件（核的共振频率或外磁场强度）变化的现象称为化学位移（chemicalshift）。由于化学位移的大小与核所处的化学环境有密切关系，因此就有可能根据化学位移的大小来了解核所处的化学环境，即了解有机化合物的分子结构。屏蔽常数与原子核所处的化学环境有关，其中主要包括以下几项影响因素：=d+p+a+sd：抗磁（diamagnetic）屏蔽的大小p：顺磁（paramagnetic）屏蔽大小a：相邻核的各向异性（anisotropic）的影响s:溶剂、介质等其他因素的影响d是指核外球形对称的s电子在外磁场感应下产生的对抗性磁场，它使原子核实际受到的磁场稍有降低，所以这种屏蔽作用称为抗磁性屏蔽。p是指核外非球形对称的电子云产生的磁场所起的屏蔽作用，它与抗磁屏蔽产生的磁场方向相反，所以起到增强外磁场的作用。s电子是球形对称的，对顺磁性屏蔽没有贡献，而d、p电子是各向异性的，对这一项都有贡献。分子中其他原子或化学键的存在使所讨论的原子核核外电子运动受阻，电子云呈非球形，也会对p有贡献。除了核外电子类型的影响之外，相邻基团的各向异性以及溶剂、介质的性质对屏蔽常数也有影响，但相比之下，d、p的影响大。化学位移常数采用位移常数来表示化学位移=（样-标）/标*106=/振荡器频率*106样、标分别为样品中磁核与标准物中磁核的共振频率；为样品分子中磁核与标准物中磁核的共振频率差，标常常用振荡器频率0代替。位移常数的值非常小，ppm。用值表示化学位移，同一个物质在不同规格型号的仪器上所测得的数值是相同的。直接内标物：TMSDSS间接内标物：溶剂在1H谱和13C谱中都规定标准物TMS的化学位移值=0，在它的左边为正值，在它的右边为负值，绝大部分有机物中的氢核或碳核的化学位移都是正值。不同的同位素核因屏蔽常数变化幅度不等，值变化的幅度也不同，如1H的值小于20，13C的大部分在0-250，而195Pt的可达13000。自旋耦合产生原因：分子中磁核间的相互作用。它对化学位移没有影响，而对谱峰的形状有着重要影响。ααβαBαβB-ΔBB+ΔBαβββA核谱峰A核能级图A核磁场强度耦合常数J表示耦合的磁核干扰程度的大小，以赫兹Hz为单位。耦合常数与外加磁场无关，而与两个核在分子中相隔的化学键的数目和种类有关。J值与两核间的键的数目密切相关，通常在J的左上角标以两核相距的化学键数目，在J的右下角标明相互耦合的两个核的种类。如13C—1H之间的耦合只相隔一个化学键，故表示为1JC—H，而1H—C—C—1H中两个1H之间相隔三个化学键，其耦合常数表示为3JH—H。J的大小还与化学键的性质以及立体化学因素有关，是核磁共振谱能提供的极为重要的参数之一。J值有正负符号。相偶合的双核取向相同时能量较高，或取向相反时能量较低，则J0，反之，则J0.耦合常数J对于四极矩核，由于四极矩弛豫很快，粒子在高能级存在时间很短，本身核磁谱线极宽，难于检测。同时，它与邻近核的耦合作用也表现不出来，可当作无磁性核来处理。CHCl3四极矩核的耦合一级谱图的规律①一组磁等价的核如果与另外n个磁等价的核相邻时，这一组核的谱峰将被裂分为2nI+1个峰，I为自旋量子数。对于1H以及13C、19F等核种来说，I=1/2，裂分峰数目等于n+1个，因此通常称为“n+1规律”。AX体系②因耦合而产生的多重峰相对强度可用二项式(a+b)n展开的系数表示，n为磁等价核的个数。即相邻有一个耦合核时（n=1），形成强度基本相等的二重峰；相邻有两个磁等价的核时（n=2），因耦合作用形成三重峰强度为1:2:1；相邻有三个磁等价核时（n=3），形成四重峰强度为1:3:3:1等等.A2X3体系③如果某组核既与一组n个磁等价的核耦合，又与另一组m个磁等价的核耦合，且两种耦合常数不同，则裂分峰数目为（n+1）（m+1）AMX体系AX6体系化学等价化学等价又称化学位移等价。如果分子中有两个相同的原子或基团处于相同的化学环境时，称它们是化学等价。化学等价的核具有相同的化学位移值。A2X3体系固定环上CH2两个氢不是化学等价的，