核磁共振波谱法

第十三章核磁共振波谱分析法NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR第一节核磁共振基本原理NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为10-25J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm)时，将发生核能级的跃迁—产生NMR现象。射频辐射—原子核(强磁场下能级分裂)—吸收─能级跃迁─NMR测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目与原子吸收光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。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：Harvard大学的Purcel和Stanford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-NMR开始市场化（早期多使用的是连续波NMR仪器）。一、原子核的自旋原子核是带正电的微粒（由质子+中子组成），大多数原子核都具有自旋现象。若原子核存在自旋，产生核磁矩自旋角动量：I：自旋量子数h：普朗克常数：磁旋比自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：质量数原子序数自旋量子数I偶数偶数0偶数奇数1，2，3….奇数奇数或偶数1/2，3/2，5/2….)1(2IIhP核磁矩：=·PI0的原子核都具有自旋现象产生磁矩（），与自旋角动量P有关。为磁旋比，每种核有其固定值I值不同，原子核表面电荷分布情况不同=·P(1)I=0的原子核，如16O、12C、22S等无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或I0的原子核I=1：2H、14NI=3/2：11B、35Cl、79Br、81BrI=5/2：17O、127I这类原子核的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(3)I=1/2的原子核，如1H、13C、15N、19F、31P等原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，H、C也是有机化合物的主要组成元素。二、核磁共振现象自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外磁场H0中时，磁矩相对于外磁场，有（2I+1）种取向氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;在B0中I0的自旋核，磁矩的取向不是任意的，而是量子化的，共有(2I+1)种取向，可用磁量子数m表示，m：I，I-1，，-I+1，-II=1/2的自旋核，共有2种取向（+1/2，-1/2）I=1的自旋核，共有3种取向（+1，0，-1）I=2的自旋核，共有5种取向（+2，+1，0，-1，-2）I=1/2I=1I=2m=1/2m=+1/2m=1m=+1m=m=2m=1m=m=m=zzzB0在B0中自旋角动量在Z轴（B0轴）上的投影：磁矩在Z轴（B0轴）上的投影：磁矩与磁场相互作用能E：量子力学选律可知，只有m=1的跃迁，才是允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差：磁诱导产生自旋核的能级裂分核磁共振条件式在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。对氢核来说，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。即表示H核在磁场中，自旋轴只有两种取向：与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高三、核磁共振条件如果以射频照射处于外磁场B0中的核，且射频频率满足：处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态，这种现象称为核磁共振现象。00B2共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分(3)照射频率与外磁场的比值0/B0=/(2)共振条件：0=B0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比为定值，B0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度B0和射频频率不同。（3）固定B0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振；也可固定，改变B0（扫场）。氢核(1H)：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特斯拉）在1956年，Knight等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分，如右图所示。由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。四、NMR中的弛豫过程不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：kThkTEkTEENNjijiexpexpexp磁场强度2.3488T，25C，1H的共振频率与分配比：两能级上核数目差：1.610-5MHz00.10024.323488.21068.2280B共振频率999984.0KKJssJ2981038066.11000.10010626.6exp1123634jiNN弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。自旋-晶格弛豫（spin-latticerelaxation）晶格泛指环境，即高能态自旋核把能量传给周围环境（同类分子、溶剂小分子、固体晶格等）转变为热运动而本身回到低能态维持Boltzmann分布，结果是高能态自旋核数目下降。自旋-晶格弛豫过程的半衰期用T1表示。T1与样品状态及核的种类、温度有关液体T1～1s；固体或粘度大的液体，T1很大。自旋-晶格弛豫又称纵向弛豫。自旋-自旋弛豫（spin-spinRelaxation）高能态核把能量传给同类低能态的自旋核，本身回到低能态，维持Boltzmann分布，结果是高低能态自旋核总数不变。自旋-自旋弛豫过程的半衰期用T2表示。液体T2～1s；固体或粘度大的液体T2很小，10-4～10-5s自旋-自旋弛豫又称横向弛豫。五、核磁共振波谱仪1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。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。样品的制备试样浓度：5-10%，需要纯样品15-30mg傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg标样浓度（四甲基硅烷TMS）：1%氘代溶剂：氯仿、丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物、重水傅立叶变换核磁共振波谱仪不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）超导核磁共振波谱仪永久磁铁和电磁铁：磁场强度25kG超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；在低温4K，处于超导状态，磁场强度100kG开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：200-400HMz；可高达600-900HMz。第二节化学位移和核磁共振谱一、化学位移1.屏蔽作用理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：0=H0/(2)产生单一的吸收峰实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：Heff=（1-）H0：屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。0=[/(2)]（1-）H02.化学位移0=[/(2)]（1-）H0由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。3.化学位移的表示方法(1)位移的标准没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（内标）位移常数TMS=0(2)为什么用TMS作为基准?a.12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；b.屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。(3)位移的表示方法与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。=[（样-TMS)/0]106(ppm)小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧。二、影响化学位移的因素1．诱导效应质子与高电负性基团相连----电子云密度下降(去屏蔽)---下降---产生共振所需磁场强度小---吸收峰向低场移动-CH3，=1.6~2.0，-CH2I，=3.0~3.5,-O-H，-C-H，大小低场高场δ(ppm)CH4、CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3化学位移大小顺序如何？CH4CH3ClCH2Cl2CHCl30.233.055.337.27δ(ppm)CH3—CH2—CH2—Xγβα0.931.533.49—OH1.061.813.47—Cl2．共轭效应使电子云密度平均化，可使吸收峰向高场或低场移动与C2H4(b)比：(a)图乙烯醚：氧孤对电子与C2H4双键形成p-共轭，CH2上质子电子云密度增加，移向高场。(c)图α,β-不饱和酮：羰基双键与C2H4双键形成-共轭，CH2上质子电子云密度降低，移向低场。(a)(b)(c)3．磁各向异性效应置于外加磁场中的电子产生的感应磁场(次级磁场)，使质子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区，导致不同区域内的质子移向高场和低场。该效应通过空间感应磁场起作用，涉及范围大，所以又称远程屏蔽。4.氢键效应形成氢键后质子屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应。如分子间形成氢键，其化学位移与溶剂特性及其浓度有关;如分子内形成氢键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构有关。溶剂选择原则：稀溶液；不能与溶质有强烈相互作用。常见结构单元化学位移范围0123456789101112131415化学位移HCCHCOHCOOHH3CO~3.7H3CN~3.0H3CC~2.1OH3CC~1.8CH3CC~0.9δ(ppm)一、自旋偶合与自旋裂分第三节自旋偶合与自旋裂分现象：CH3CH2OH中有三个不同类型的质子，因此有三个不同位置的吸收峰。然而，在高分辨NMR中，—CH2和CH3中的质子出现了更多的峰，这表明它们发生了分裂。原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）自旋核之间的相互作用，称为自旋－自旋偶合（Spin－Spin－Coupling）,简称自旋偶合。由于自旋偶合引起的共振吸收峰增多的现象，称为自旋－自旋裂分（Spin－Spin－Splitting），简称为自旋裂分。自旋偶合产生共振峰的分裂后，两裂分峰之间的距离（以Hz为单位）称为偶合常数，用J表示。J的大小表明自旋核之间偶合程度的强弱。J不因外磁场的变化而变化，受外界条件（如温度、浓度及溶剂等）的影响也比较小，它只是化合物分子结构的一种属性。二、峰裂分数与峰面积