西南林大现代生化仪器分析课件07核磁共振波谱分析法

10:33:00第七章核磁共振波谱分析法一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振现象nuclearmagneticresonance三、核磁共振条件conditionofnuclearmagneticresonance四、核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometer第一节核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRprinciplesofnuclearmagneticresonance10:33:00核磁共振—在磁场的激励下，一些具有磁性的原子核存在着不同的能级，如果此时外加一个能量，使其恰好等于相邻2个能级之差，则该原子核就可能吸收能量，从低能态跃至高能态，所吸收的能量数量级相当于射频率范围的电磁波，故核磁共振就是研究磁性原子核对射频能的吸收。10:33:00若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋量子数I=0时原子核没有自旋现象,核磁矩等于零,故不产生共振吸收谱。自旋量子数I≠为零的核都具有磁矩。)1(IIg79270.21H70216.013C一、原子核的自旋10:33:00质量数（a）原子序数（Z）自旋量子（I）例子奇数奇或偶25,23,21,,2111HI715919613,,NFC8171735511,25,,,23OIClBI偶数偶数01632816612,,SOC偶数奇数1，2，3……51071412,3,,,1BINHI各种原子核的自旋量子数10:33:00(1)I=1或I0的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=5/2：17O，127I(2)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，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，C，H也是有机化合物的主要组成元素。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；10:33:00二、核磁共振现象当原子核置于外磁场B0中时，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;10:33:00(核磁共振现象)如果氢核两种取向不完全与外磁场平行时，外磁场就要使它取向于外磁场，＝54°24’和125°36’。核自旋产生的磁场与外磁场相互作用时,产生进动(拉莫尔进动)进动频率0；角速度0；0=20=B0磁旋比；B0外磁场强度；两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E=B0（磁矩）10:33:00三、核磁共振条件在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。即核吸收2B0的能量后，便产生共振。零磁场EE=2B0高能自旋态低能自旋态21m21m0B010:33:00在与外磁场垂直方向放置一个射频振荡线圈，产生射电频率的电磁波照射原子核，当磁场强度为某一数值时，核进动频率与振荡频率相等，则原子核与电磁波发生共振，核将吸收电磁波的能量跃迁到较高能态上。B0B010:33:00对于氢核，能级差：E=2B0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=2B0=h0由拉莫进动方程：0=20=B0;故共振条件：200B10:33:00共振条件式说明：1、在相同的磁场中，不同原子核发生共振时的频率各不相同，据此可以鉴别各种元素及同位素。2、对于同一种核，值一定。当外加磁场一定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时，共振频率也随着改变。10:33:00弛豫过程弛豫——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和——低能态的核等于高能态的核。氢原子核在外磁场中，m=+1/2比m=-1/2的能态更有利。根据波尔兹曼公式计算，处于低能态的核约多百万分之一左右。如果在射频电磁波的照射下，核能吸收能量发生跃迁，低能态的核等于高能态的核，核不再吸收能量，共振吸收峰渐渐降低甚至消失，发生了饱和现象。若在饱和时，较高能态的核能及时回到较低能态，就可能保持信号稳定。由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量E很小，高能态的核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回低能态，故高能态的核以非辐射的方式回到低能态的过程称为弛豫过程。10:33:00弛豫过程自旋-晶格弛豫：处于高能态的氢核把能量转移给周围的分子（固体为晶格，液体为溶济分子或同类分子）变成热运动，氢核就回到低能态。自旋-自旋弛豫：两个能态不同的相同核，在一定的距离内它们会互相交换能量，改变进动方向，称为自旋-自旋弛豫。10:33:00四、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。60MHz或100MHz。10:33:003．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。10:33:00核磁共振波谱仪10:33:00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%；溶剂：1H谱四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；10:33:00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一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）10:33:00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600-700HMz；10:33:00第七章核磁共振波谱分析法一、核磁共振与化学位移nuclearmagneticresonanceandchemicalshift二、影响化学位移的因素factorsinfluencedchemicalshift第二节核磁共振与化学位移nuclearmagneticresonancespectroscopynuclearmagneticresonanceandchemicalshift一、核磁共振与化学位移1.屏蔽作用与化学位移理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：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：B=（1-）B0：屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。0=[/(2)]（1-）B0屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。π2Bγν0010:33:00化学位移：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。10:33:002.化学位移的表示方法(1)位移的标准：因为没有完全裸露的氢核，故没有绝对的标准。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。10:33:00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。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；)ppm(ν10）νν（δTMS6TMS样10:33:00二、影响化学位移的因素1．电负性--去屏蔽效应与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，质子周围的电子云密度减弱，屏蔽作用弱，信号峰在低场出现。-CH3，=1.6~2.0，高场；-CH2I，=3.0~3.5,-O-H，-C-H，大小低场高场10:33:00电负性对化学位移的影响H3CClH2CClHCClClClCl3.055.337..24CH3CH3CH3CH3FClBrI4.263.052.682.60碳杂化轨道电负性：SPSP2SP3H3CBr2.68H3CH2CCH3(CH2)2CH3(CH2)3BrBrBr1.651.040.90OCH3NCH3CCH33.53.02.53.42-4.022.12-3.100.77-1.8810:33:00影响化学位移的因素2、磁各向异性效应—在分子中，质子与某一官能团的空间关系，影响质子的化学位移，这种效应称为磁各向异性效应。与外磁场方向一致时，去屏蔽。反之，则增加屏蔽作用。10:33:00影响化学位移的因素3价电子产生诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。10:33:00影响化学位移的因素4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。10:33:002.氢键效应形成氢键后1H核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应。H3CH2COHCH2CH3OH5.72ppm3.7ppmCCl4OHOH7.45ppm4.37ppmCCl4OHOCH310:33:003.空间效应HCOH3CCOCH3HOHHHHOδ3.75δ1.77δ2.31δ3.5510:33:00空间效应Ha=3.92ppmHb=3.55ppmHc=0.88ppmHa=4.68ppmHb=2.40ppmHc=1.10ppm去屏蔽效应HCHbHaOHHCHbHaHOδδδδδδ0.883.553.921.104.682.40(A)(B)10:33:004.各类有机化合物的化学位移①饱和烃-CH3:CH3=0.791.10ppm-CH2:CH2=0.981.54ppm-CH:CH=CH3+(0.50.6)ppmOCH3NCH3CCH3CCH3OCCH3H=3.2~4.0ppmH=2.2~3.2ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=2~3ppm10:33:00各类有机化合物的化学位移②烯烃端烯质子：H=4.8~5.0ppm内烯质子：H=5.1~5.7ppm与烯基，芳基共轭：H=4~7ppm③芳香烃芳烃质子：H=6.5~8.0ppm供电子基团取代-OR，-NR2时：H=6.5~7.0ppm吸电子基团取代-COCH3，-CN，-NO2时：H=7.2~8.0ppm10:33:00各类有机化合物的化学位移-COOH：H=10~13ppm-OH：（醇）H=1.0~6.0ppm（酚）H=4~12ppm-NH2：（脂肪）H=0.4~3.5ppm（芳香）H=2.9~4.8ppm（酰胺）H=9.0~10.2ppm-CHO：H=9~10ppm10:33:00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)第七章核磁共振波谱分析法一、自旋偶合与自旋裂分spincouplingandspinsplitting二、峰裂分数与峰面积numberofpearsplittingandpearareas三、磁等同与磁不等同magneticallyequivalentandnonequivalent第三节自旋偶合与自旋裂分nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRspinc