自旋偶合

第12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概论与紫外、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概论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概论12.1核磁共振基本原理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12.1.1原子核的自旋和磁矩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）12.1.1原子核的自旋和磁矩实践证明,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1H1,13C619F9,31P1512.1.1原子核的自旋和磁矩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12.1.1原子核的自旋和磁矩(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12.1.2磁矩的空间量子化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12.1.2磁矩的空间量子化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=B012.1.2磁矩的空间量子化I=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=+1/212.1.2磁矩的空间量子化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12.1.3核磁共振的条件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12.1.3核磁共振的条件12.2.1屏蔽常数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。12.2.1屏蔽常数影响屏蔽常数的因素：原子屏蔽原子屏蔽可指孤立原子的屏蔽，也可指分子中原子的电子壳层的局部屏蔽，称为近程屏蔽效应。分子内屏蔽：指分子中其他原子或原子团对所要研究原子核的磁屏蔽作用。分子间屏蔽：指样品中其他分子对所要研究的分子中核的屏蔽作用。影响这一部分的主要因素有溶剂效应、介质磁化率效应、氢键效应等。DPAAA12.2.2化学位移的定义）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12.2.2化学位移的定义化学位移有两种表示方法：1.用共振频率差()表示，单位Hz。(12-8)由于是个常数，因此共振频率差与外磁场的磁感应强度B0呈正比。这样同一磁性核，用不同磁场强度的仪器测得的共振频率差是不同的。所以用这种方法表示化学位移时，需注明外磁场的磁感应强度B0。0()2B样品标准标准样品－＝12.2.2化学位移的定义•2.用值表示化学位移定义为：该表达式也适用于脉冲NMR法。对于扫场法，固定的是发射机的射频频率，因此样品S和参比物R的共振频率满足：此时定义化学位移为：6610101SRRSRR0(1)2SSB0(1)2RRB6610101RSRSRSBBB12.2.2化学位移的定义•两种表示方法可通过下图进一步了解：（一）自旋偶合和自旋裂分化学位移是磁性核所处化学环境的表征，但是在核磁共振波谱中化学位移等同的核，其共振峰并不总表现为一个单一峰。12.3自旋-自旋耦合•12.3.1自旋－自旋耦合和耦合常数J氢核吸收峰的裂分是因为分子中相邻氢核之间发生了自旋相互作用，自旋核之间的相互作用称为自旋—自旋偶合。自旋偶合不影响化学位移，但会使吸收峰发生裂分，使谱线增多，简称自旋裂分。12.3.1自旋－自旋耦合和耦合常数J（二）偶合常数自旋偶合产生峰裂分后，裂分峰之间的间距称为偶合常数，用J表示，单位为Hz。J值大小表示氢核间相互偶合作用的强弱。与化学位移不同，不因外磁场的变化而变化，受外界条件的影响也很小。偶合常数有以下规律：（1）J值的大小与B0无关。影响J值大小的主要因素是原子核的磁性和分子结构及构象。因此，偶合常数是化合物分子结构的属性。（2）简单自旋偶合体系J值等于多重峰的间距，复杂自旋偶合体系需要通过复杂计算求得。超过三个化学键的J耦合一般较弱。12.3.1自旋－自旋耦合和耦合常数J12.3.2自旋－自旋耦合分裂的规律由于邻近核的耦合作用，NMR谱线发生分裂。在一级近似下，谱线分裂的数目N与邻近核的自旋量子数I和核的数目n有如下关系：当I=1/2时，N=n+1，称为“n+1规律”。谱线强度之比遵循二项式展开式的系数比，n为引起耦合分裂的核数。下面以“—CH2CH3”基团的1HNMR谱线分裂情况为例进行说明。21NnI2.自旋裂分峰数目及强度（1）化学环境完全相同的原子，虽然它们有很强的偶合作用，但无裂分现象。例：-CH3不发生裂分（2）分子中化学位移相同的氢核称为化学等价核；把化学位移相同，核磁性也相同的称为磁等价核。磁等价核之间虽有偶合作用，但无裂分现象，在NMR谱图中为单峰。例如：Cl-CH2-CH2-Cl分子中，-CH2上的氢核皆是磁等价核，出现的信号强度相当于4个H核的单峰化学位移相同，偶合常数也相同，磁等价核一定是化学等价核12.3.2自旋－自旋耦合分裂的规律磁不等价核之间才能发生自旋偶合裂分。如下情况是磁不等价氢核A：化学环境不相同的氢核；B：与不对称碳原子相连的-CH2上的氢核C：固定在环上的-CH2中的氢核；D：单键带有双键性质时，会产生磁不等价氢核E：单键不能自由旋转时，也会产生磁不等价氢核。12.3.2自旋－自旋耦合分裂的规律（3）一组相同氢核自旋裂分峰数目由相邻氢核数目n决定裂分峰数目遵守n+1规律——相邻n个H，裂分成n+1峰氢核相邻一个H原子，H核自旋方向有两种，两种自旋取向方式↑↓（↑顺着磁场方向，↓反着磁场方向）氢核相邻两个H原子，H核自旋方向有四种，四种自旋取向方式↑↑1/4↑↓1/4↓↑1/4↓↓1/4氢核相邻三个H原子，H核裂分为四重峰。强度比为1︰3︰3︰1-CH2的这四种取向对邻近H峰影响，裂分成三重峰，强度比为1︰2︰11/212.3.2自旋－自旋耦合分裂的规律（4）裂分峰之间的峰面积或峰强度之比符合二项展开式各项系数比的规律。（a+b）nn为相邻氢核数n=1（a+b）11︰1n=2（a+b）21︰2︰1n=3（a+b）31︰3︰3︰1（5）氢核邻近有两组偶合程度不等的H核时，其中一组有n个，另一组有n′+1个，则这组H核受两组H核自旋偶合作用，谱线裂分成(n+1)(n′+1)重峰。12.3.2自旋－自旋耦合分裂的规律1.电子结构对耦合常数的影响(1).核周围电子密度对耦合常数的影响电子密度增加，传递耦合的能力增强，耦合常数增大。原子序数增加，核周围电子密度也增加，耦合常数也增大。(2).化学键对耦合常数的影响相隔化学键数目多，耦合常数小；多重键耦合常数值大；相隔超过三个化学键的远程耦合可以忽略不计。12.3.3耦合常数与分子结构的关系2.几何结构对耦合常数的影响一般地，键长越长耦合越弱。其中nJ表示通过n个化学键相连的两个核之间的耦合常数，K值取决于相互耦合核的种类和耦合途径中化学键的长度和性质。而键角与耦合常数的关系则为：式中为两个C－C－H平面的夹角即二面角，A、B、C为与分子结构有关的常数。12.3.3耦合常数与分子结构的关系1.30cos0.13nJK3coscos2HHJABC12.4.1谱仪的基本组件磁体：产生强的静磁场。射频源：用来激发核磁能级之间的跃迁。探头：位于磁体中心的圆柱形探头作为NMR信号检测器，是NMR谱仪的核心部件。样品管放置于探头内的检测线圈中。接收机：用于接收微弱的NMR信号，并放大变成直流的电信号。匀场线圈：用来调整所加静磁场的均匀性，提高谱仪的分辨率。计算机系统：用来控制谱仪，并进行数据显示和处理。12.4核磁共振谱仪把射频场连续不断地施加到样品上，即用连续波激发自旋系统。12.4.2连续波NMR谱仪NMR信号观测系统：包括射频激发单元、探头、接收系统等。稳定磁场系统：包括电源、稳场系统等，用来提高磁场强度的稳定性，从而提高谱线的重复性。磁场均匀化系统：包括匀场系统、样品旋转系统等，主要用来提高仪器的分辨率。此外，NMR谱仪还常常配备有双共振系统和变温系统等。12.4.2连续波NMR谱仪在连续波谱仪上加脉冲发生器和计算机数据采集处理系统，就构成了PFTNMR谱仪。12.4.3脉冲傅里叶变换NMR