第十五章-核磁共振波谱法

第十四章核磁共振波谱法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。•第一节核磁共振波谱法的原理•第二节核磁共振仪•第三节化学位移•第四节偶合常数•第五节核磁共振氢谱的解析第一节核磁共振波谱法的原理一、原子核的自旋1、自旋分类：（1）I=0即质量数与电荷数都为偶数的核，不产生核磁共振信号，如12C6,32S16,16O8。（2）I为半整数即质量数为奇数，电荷数可为奇数或偶数的核，核磁矩不为0，其中I=0.5的核是目前研究的主要对象。如1H1,13C619F9,31P15。（3）I为整数即质量数为偶数，电荷数为奇数的核，有自旋现象，研究较少。如14N7。实践证明,核自旋与核的质量数,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或偶数自旋量子数为1/2,3/2,5/2有自旋1H1,13C619F9,31P15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。P为普朗克常数。2、核磁矩u•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）二、原子核的自旋能级和共振吸收(一)核自旋能级分裂•把自旋核放在场强为H0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H0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=－H0与外磁场方向相反,能量较高,m=-1/2,E-1/2=H0I=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=－ZH02hmPZ2hmZE1/2=－H0E-1/2=H0I=1/2的核自旋能级裂分与H0的关系•由式E=－ZH0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=H0－(－H0)=2H0•△E与核磁矩及外磁场强度成正比,H0越大,能级分裂越大,△E越大无磁场H0外加磁场E1=－H0E2=H0△E=2H0m=-1/2m=+1/2(二)原子核的共振吸收•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,，因磁矩为一定值，—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,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.....三、自旋驰豫(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。第二节核磁共振波谱仪•核磁共振波谱仪按扫描方式不同分为两大类：连续波核磁共振仪脉冲傅里叶变换核磁共振仪一、连续波核磁共振仪2200BhB或核磁共振仪可设计为两种方法：固定磁场B0，改变射频频率——扫频法。较困难固定射频频率，改变磁场B0——扫场法。通常用主要有磁铁、探头、射频发生器、扫描发生器、信号放大及记录系统射频振荡线圈安装在探头中，产生一定频率的射频辐射，用来激发核。它所产生的射频场须与磁场方向垂直，射频接受圈也安装在探头中，用来探测核磁共振时的吸收信号，一组扫描线圈安装在磁铁两极上，在磁场方向B0上叠加小磁场B0′,改变B0′的大小,以达扫场的目的。用磁铁产生强而稳定、均匀的磁场B0,在两磁极中间安装1个探头,在探头中央插入试样管;试样管在压缩空气推动下,匀速而平稳地旋转1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。3．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。超导核磁共振仪一般在200~400MHz最高达600MHz。核磁共振波谱仪结构R.F.transmitterMAGNETR-FreceiveranddetectorRecorderSweepgenerator(1)Magnet251℃(2)Sweepgenerator3~10mG/min全程~0.2Gauss(3)（射频发生器）R–Ftransmitter(4)（射频接收器和检测器）R–Freceiveranddetector(5)（样品支架,探头）Sampleholder,probe(6)（记录仪）RecorderMAGNET二、脉冲傅里叶变换核磁共振仪富里叶变换Pw1T1TPWPWTransmitterReceiverPW=10~50μsT=4sFreq.rangePW12=200,000~400,000HzT1=41=0.25HzFTtimefrequency脉冲弛豫H0第三节化学位移•核磁共振波谱中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、屏蔽效应•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.•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13—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，H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或二、化学位移•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。三、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•氢核与电负性的原子或