第一章核磁共振波谱.

第一章核磁共振（NMRspectroscopy）2核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging‎)，是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance‎，简称NMR‎）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。NMR—概述3核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。人脑纵切面的核磁共振成像NMR—概述4历史1946年---Bloch(StanfordU.)&Purcell(HarvardU.)观察到核磁共振现象1948年---建立核磁弛豫理论1950年---发现化学位移和偶合现象NMR—概述51952年---NobelPrize(物理）1951年---Arnold发现乙醇的核磁共振信号3组峰历史NMR—概述671956年---Varian公司第一台高分辨核磁共振波谱仪1965年---傅立叶变换谱学诞生1970s---固体核磁、二维核磁、固体魔角旋转技术（材料学）、核磁成像等NMR—概述8历史1991年---NobelPrize（R.R.Ernst）高分辨核磁共振分光法，成为有机物鉴定和结构测定的重要手段。NMR—概述9NMR—概述102002年的诺贝尔化学奖之一半授予了KurtWüthrich博士,以表彰他在应用核磁共振技术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓越贡献。—概述TheNobelPrizeinChemistry2002JohnB.FennKoichiTanakaKurtWüthrich1/4oftheprize1/4oftheprize1/2oftheprizeUSAJapanSwitzerlandVirginiaCommonwealthUniversityRichmond,VA,USAShimadzuCorp.Kyoto,JapanEidgenössischeTechnischeHochschule(SwissFederalInstituteofTechnology)Zurich,Switzerland;TheScrippsResearchInstituteLaJolla,CA,USAb.1917b.1959b.1938forthedevelopmentofmethodsforidentificationandstructureanalysesofbiologicalmacromoleculesfortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromolecules12诺贝尔获奖者的贡献2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-{zh-tw:保罗·劳特伯;zh-cn:保罗·劳特布尔}-（PaulC.Lauterbur）和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德（PeterMansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。NMR—概述13200兆超导核磁共振仪,美国Varian公司核磁共振波谱仪14200兆超导核磁共振仪,美国Varian公司核磁共振波谱仪基本要求第一节核磁共振基础知识1.1核磁共振的基本原理1.1.1原子核的自旋与自旋角动量（P）、核磁矩（μ）及磁旋比（γ）产生磁共振现象是因为这些原子核显示磁性，而产生磁性的内在原因在于这些原子核本身固有的“自旋”运动。自旋角动量P的数值大小可用核的自旋量子数I或自旋I来表述。P=I(I+1)2hh为普朗克常数；I为量子化的参数，不同的核具有0，1/2，1，3/2等不同的固定值。I=0，P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。∴只有当I＞O时，才能发生共振吸收，产生共振信号。质量数（A）原子序数（Z）自旋量子数（I）例奇数奇数或偶数半整数(1/2,3/2,5/2,…)13C，1H，19F，31P，15N17O，35Cl，79Br，125I偶数偶数零12C，16O，32S偶数奇数整数(1,2,3,…)2H，14N原子核的自旋量子数（I）与质量数（A）及原子序数（Z）的关系只有自旋量子数I0的原子核才具有自旋运动特性，具有角动量P和核磁矩，从而显示磁性，成为核磁共振的对象。211．I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）等无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。2．I=1或I１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。核的自旋22核的自旋3．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。原子核在无外磁场中的运动情况自旋核在外磁场中的两种取向示意图1.1.2磁性原子核在外加磁场中的行为特性自旋取向数=2I+11.1.2磁性原子核在外加磁场中的行为特性1.1.2.1核的自旋取向、自旋取向数与能级状态△E=E2-E1=2μH0通常在热力学平衡条件下，自旋核在两个能级间的定向分布数目遵从Boltzmann分配定律，即低能态核的数目比高能态的数目稍多一些。在一定条件下，低能态的核能吸收外部能量从低能态跃迁到高能态，并给出相应的吸收信号，即核磁共振信号。1.1.2.2核在能级间的定向分布及核跃迁多出来的低能态的核吸收能量自低能态跃迁到高能态，能量将不再吸收。与此相应，作为核磁共振的信号也将逐渐减退，直至完全消失。此种状态称作“饱和”状态。在核磁共振条件下，在低能态的核通过吸收能量向高能态跃迁的同时，高能态的核也通过以非辐射的方式将能量释放到周围环境中由高能态回到低能态，从而保持Boltzmann分布的热平衡状态。这种通过无辐射的释放能量途径核由高能态回到低能态的过程称作“弛豫”。1.1.2.3饱和与弛豫核的自旋驰豫驰豫过程可分为两种类型：自旋-晶格驰豫和自旋-自旋驰豫。自旋-晶格弛豫（spin-latticeRelaxation）晶格泛指环境，即处于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。自旋-晶格弛豫过程达到热平衡状态所需要的时间，称自旋-晶格弛豫时间，用T1表示（T1与样品状态及核的种类、温度有关）气体或液体样品，T1一般为10-4~102s，固体或粘度大的液体T1很长，可达几小时。自旋-晶格弛豫又称纵向弛豫。自旋-自旋弛豫（spin-spinRelaxation）：又称横向弛豫。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-自旋弛豫时间用T2表示。液体T2～1s，固体或粘度大的液体，T2很小，10-3s自旋核形成的核磁矩可以看成是个小磁针，当置于外加磁场中时，将被近对外加磁场自动取向，并且核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为拉摩尔进动（或称拉摩尔回旋，Larmorprocession）。1.1.2.4核的进动与拉摩尔频率=H0/2在外加静磁场中，核从低能级向高能级跃迁时需要吸收一定的能量。通常这个能量可由照射体系的电磁辐射来供给。对处于进动中的核，只有当照射用电磁辐射的频率与自旋核的进动频率相等时，能量才能有效地从电磁辐射向核转移，使核由低能级跃迁到高能级，实现核磁共振。1.2产生核磁共振的必要条件扫频：固定外加磁场强度H0，通过逐渐改变电磁辐射频率来检测共振信号。扫场：固定电磁辐射频率，通过逐渐改变磁场强度来检测共振信号。核磁共振所需辐射频率：=（2μ/h）H0H0=（h/2μ）v要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：=（2μ/h）H0对不同种类的核来说，因核磁矩各异，即使是置于同一强度的外加磁场中，发生共振时所需要的辐射频率也不相同。各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的共振频率为：1H60.000MHZ13C15.086MHZ19F56.444MHZ31P24.288MHZ对于1H核，不同的频率对应的磁场强度：射频磁场强度40MHZ0.9400特斯拉601.40921002.35002004.70003007.100050011.7500若固定射频（v），则不同原子核的共振信号将会出现在不同强度的磁场区域。因此，在某一磁场强度和与之相匹配的特定射频条件下，只能观测到一种核的共振信号，不存在不同种类的原子核信号相互混杂的问题。1.3屏蔽效应核外电子在与外加磁场垂直的平面上绕核旋转同时将产生一个与外加磁场相对抗的第二磁场。结果对氢核来说，等于增加了一个免受外加磁场影响的防御措施。这种作用叫做电子的屏蔽效应。以氢核为例，实受磁场强度：HN=H0-σH0HN=H0(1-σ)σ为屏蔽常数，表示电子屏蔽效应的大小。其数值取决于核外电子云密度。CH3CH2ClCH3CH2电子云密度大电子云密度小屏蔽作用大屏蔽作用小实受磁场小实受磁场大高场低场HN=H0(1-σ)△E=2μHN=2μH0（1-σ）2μH0（1-σ）=hvH0=hv/[2μ(1-σ)]核外电子对H核产生的这种作用，称为屏蔽效应(又称抗磁屏蔽效应)。显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之，共振信号将移向低场区。H0低场高场屏蔽效应，共振信号移向高场屏蔽效应，共振信号移向低场去第二节氢核磁共振（1H-NMR）1.化学位移的由来——屏蔽效应化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。一、化学位移定义：在照射频率确定时，同种核因在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场强度下显示吸收峰的现象称为化学位移。因此一个质子的化学位移是由其周围的电子环境决定的。2.化学位移的表示方法化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。零点-1-2-31234566789TMS低场高场为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?(1)结构对称，是一个单峰。(2)屏蔽效应强，共振信号在高场区(δ值规定为0)，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。(3)容易回收(b.p低)，与样品不反应、不缔合。6010TMS试样化学位移试样的共振频率标准物质TMS的共振频率感生磁场H'非常小，只有外加磁场的百万分之几，为方便起见，故×1060--照射试样用的电磁辐射频率3.常见结构类型的质子化学位移Ar-HH2C=CH2≡CHRH7.285.282.88～1CHCH2CH31.40-1.651.20-1.400.85-0.95-COOH-CHOArOHROH(RNH2)10～129～104～80.5～5-OCH33.5~4.0=C-CH32.0~2.5COOCH34.0OCH33.7ROOCH33.65OCH32.6CH32.25RCOCH32.2AROOCH32.1苯环的影响！二、影响化学位移的因素凡影响电子云密度的因素都