核磁共振分析

第九章核磁共振波谱分析法ChapterNineNuclearMagneticResonanceSpectroscopyNMR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引言：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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核磁共振的分类1．固体核磁共振用于不溶性的高分子材料，膜蛋白，金属材料的研究;2.液体核磁共振用于有机化合物，天然产物，生物大分子的研究；3.核磁共振成像临床诊断的成像仪，动植物实验、研究用的成像仪核磁共振波谱分析的特点1．样品无损；2．结构信息丰富；3．新的分析测试技术不断出现。9.1核磁共振基本原理原子核具有质量并带正电荷，自旋量子数I≠0的原子核有自旋现象，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、原子核的自旋运动及磁距等值，，，，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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)核磁共振的产生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。扫频法和扫场法(p224)20得代入hBh02221产生核磁共振光谱的条件(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。磁旋比γ的影响（p225)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.“饱和”现象：N1/N2=1,则饱和，无核磁信号。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必须存在高能级的核返回低能级的过程，才能测得连续的核磁共振信号。(二)核自旋驰豫（p225)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自旋--晶格驰豫，又称纵向驰豫:自旋核与周围分子交换能量的过程，如固体的晶格，液体则为周围的同类分子或溶剂分子。自旋--自旋驰豫，又称横向驰豫:同类核进行能量交换的过程。9.2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20次级磁场，屏蔽效应.如图所示。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。(二)影响化学位移的因素(p238)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氢核与电负性的原子或基团相连时,使氢核周围电子云密度降低，产生去屏蔽效应。屏蔽作用小,处在低场.元素的电负性越大，或者取代基团的吸电子作用越强，去屏蔽效应越大，氢核的化学位移值越大；电负性大的元素距离氢核越远，去屏蔽效应越小，化学位移值越小。与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。-CH3，=1.6~2.0，高场；-CH2I，=3.0~3.5,-O-H，-C-H，较大较小较低场较高场化学式CH3FCH3ClCH3BrCH3ICH4(CH3)4Si电负性化学位移4.04.263.13.052.82.682.52.162.10.231.80几种氢核化学位移与元素电负性的关系。Si的电负性最小,从质子中拉电子的能力最小,电子提供的屏蔽效应最大,吸收峰在高场2化学键的磁各向异性效应在外磁场的作用下，分子中处于某一化学键（单键,双键,三键和大键）的不同空间位置的氢核，受到不同的屏蔽作用，这种现象称为化学键的磁各向异性效应。原因:电子构成的化学键，在外磁场作用下产生一个各向异性的次级磁场，使得某些位置上氢核受到屏蔽效应，而另一些位置上的氢核受到去屏蔽效应。例如，芳环的大键在外磁场的作用下形成上下两圈电子环电流，因而苯环平面上下电子云密度大，形成屏蔽区“+”,而环平面各侧电子云密度低，形成去屏蔽区“－”苯环的氢核正处于去屏蔽区，共振信号向低场区移动，其化学位移值大7.25；如果分子中有的氢核处于苯环的屏蔽区,则共振信号向高场区移动，值会减小。++－－影响化学位移的因素苯环上的6个电子产生较强的诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。影响化学位移的因素双键电子的情况与苯环相似，如乙烯的氢核处于弱屏蔽区，其化学位移较大5.28影响化学位移的因素三键的各向异性使乙炔的H核处于屏蔽区，化学位移较小，=2.88RCHC__B0电子环流抗磁屏蔽由于屏蔽或反屏蔽作用使吸收峰向高场或低场方向移动,移动的多少与氢核所处的化学环境有关,即分子结构情况,有几个化学环境,有几组吸收峰3.氢键和溶剂的影响键合在杂原子上的质子易形成氢键。氢键质子比没有形成氢键的质子有较小的屏蔽效应。化学位移值变大形成氢键倾向越强烈，质子受到的屏蔽效应就越小，因此在较低场发生共振，即化学位移值较大。形成氢键倾向受溶液的浓度影响，如在极稀的甲醇中，形成氢键倾向小，故羟基中质子的化学位移小0.5—1.0；而在浓溶液中形成氢键倾向大,化学位移值大,4.0—5.0。同一试样在不同溶剂中由于受到不同溶剂分子的作用，化学位移发生变化，称为溶剂效应。在核磁共振波谱分析中,一定要注明是在什么溶剂下的溶剂的这种影响是通过溶剂的极性、形成氢键、形成分子复合物及屏蔽效应而发生作用。一般在惰性溶剂的稀溶液中，化学位移变化不大CCl4、CDCl3溶液浓度0.05~0.5mol·L-1常见结构单元化学位移范围012345678910