核磁-2015

核磁共振波谱法(nuclearmagneticresonancespectroscopy)（NMR）核磁共振波谱学定义：利用原子核的物理性质，采用当代最先进的无线电和计算机技术，研究各种分子物理和化学结构的一门学科。核磁共振波谱法NMR概述基本原理谱图解析与应用NMR仪器二维及多维核磁共振核磁共振成像（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。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，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。第一章核磁共振波谱法—概述核磁共振成像的“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。右图为人脑纵切面的核磁共振成像历史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；1952年---NobelPrice(物理）1951年---Arnold发现乙醇的核磁共振信号3组峰历史1950年---发现化学位移和偶合现象1965年---傅立叶变换谱学诞生1970s---固体核磁、二维核磁、核磁成像等历史历史1991年---NobelPrice（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。2002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。历史第二章核磁共振波谱法—原理自旋核在磁场中的行为化学位移及影响因素自旋偶合及自旋裂分2.1基本原理2.1.1原子核的自旋核象电子一样，也有自旋现象，从而有自旋角动量。核的自旋角动量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述。H0旋进轨道自旋轴自旋的质子2)1(hIII＝0、1/2、1……I=0，ρ=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。I的取值可用下面关系判断：质量数（A）原子序数（Z）自旋量子数（I）奇数奇数或偶数半整数n+1/2。n=0,1,2,…奇数整数偶数偶数0例如：HAZ（1）（1）CAZ（12）（6）NAZ（14）（7）奇-奇偶-偶偶-奇I为半整数（1/2）I=0I为整数有共振吸收有共振吸收无2.1.2自旋核在外加磁场中的取向取向数=2I+1（在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的）。即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。H核：自旋取向数=2×1/2+1=2H01H'H'一致相反2.1.3磁共振的产生磁性核的自旋取向表明它在外加磁场中的取向它的某个特定能级状态（用磁量子数ms表示）。取值为–I…0…+I。即：每一个取向都代表一个能级状态，有一个ms。如：1H核：∵I＝1/2∴ms为－1/2和+1/2=H02E=h=H02hE=hH0H'H'ms=_1/2ms=1/2+νγπνγπν高能态低能态外场γ—磁旋比(物质的特征常数)结论：核磁共振—共振条件电磁辐射能h核磁能级差E=hH0/2核磁共振条件=H0/2弛豫过程—Boltzmann分布根据Boltzmann分布，在磁场中不同能级的核数分布：kTENNexp2121常温下1H核N+/N-=1000000/1000007弛豫过程高能态原子核通过非辐射形式放出能量而回到低能态自旋—晶格弛豫或纵向弛豫自旋—自旋弛豫或横向驰豫定义：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。2.2化学位移4.2.1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。理想化的、裸露的氢核满足共振条件：0=H0/(2)产生单一的吸收峰若质子的共振磁场强度只与γ(磁旋比)、电磁波照射频率v有关，那么，试样中符合共振条件的1H都发生共振，就只产生一个单峰,这对测定化合物的结构是毫无意义的。实验证明：在相同的频率照射下，化学环境不同的质子将在不同的磁场强度处出现吸收峰。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因此，H核磁共振的条件是：）（实1220HH2.2.2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化学位移用表示，以前也用表示，与的关系为：=10-TMS低场高场为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?(1)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。(2)结构对称，是一个单峰。(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×1062.3影响化学位移的因素（1）诱导效应（2）磁各向异性效应（3）氢键去屏蔽效应（4）范德华效应（5）共轭效应改变电子云密度元素的电负性↑，通过诱导效应，使H核的核外电子云密度↓，屏蔽效应↓，共振信号→低场。例如：CCHbHaIαβ屏蔽效应：HbHa高场低场2.3.1诱导效应CHaHb高场低场屏蔽效应：HaHbO与CH3连接基团的电负性对其质子化学位移的影响化合物(CH3)(CH3)4-Si,TMS0.0定义(CH3)3-Si(CD2)2CO2-Na+,TSP-d40CH3I2.2CH3Br2.6CH3Cl3.1CH3F4.3CH3NO24.3CH2Cl25.5CHCl37.3间隔键数增多，诱导效应减弱CH3Br(2.68ppm)CH3CH2Br(1.65ppm)CH3CH2CH2Br(1.04ppm)2.3.2化学键的各向异性（炔氢）（烯氢）？实际值：（炔氢）=1.8~3.0（烯氢）=4.5~7.5（炔氢）（烯氢）各向异性效应——当化合物的电子云分布不是球形对称时，就对邻近氢核附加了一个各向异性磁场，从而对外磁场起着增强或减弱的作用，使在某些位置上的核受到屏蔽效应，移向高场，而另一些位置上的核受到去屏蔽效应，故移向低场。1.双键碳上的质子烯烃双键碳上的质子位于π键环流电子产生的感生磁场与外加磁场方向一致的区域（称为去屏蔽区），去屏蔽效应的结果，使烯烃双键碳上的质子的共振信号移向稍低的磁场区，其δ=4.5～5.7。同理，羰基碳上的H质子与烯烃双键碳上的H质子相似，也是处于去屏蔽区，存在去屏蔽效应，但因氧原子电负性的影响较大，所以，羰基碳上的H质子的共振信号出现在更低的磁场区，其δ=9.4～10。2.三键碳上的质子：碳碳三键是直线构型，π电子云围绕碳碳σ键呈筒型分布，形成环电流，它所产生的感应磁场与外加磁场方向相反，故三键上的H质子处于屏蔽区，屏蔽效应较强，使三键上H质子的共振信号移向较高的磁场区，其δ=2～3。3.芳环体系苯氢较烯氢位于更低场（7.27ppm）随着共轭体系的增大，环电流效应增强，即环平面上、下的屏蔽效应增强，环平面上的去屏效应增强。4.氢键的影响分子形成氢键后，使质子周围电子云密度降低，产生去屏蔽作用，使化学位移向低场移动，形成氢键趋势越大，质子向低场移动越显著。同一化合物在不同溶剂中的化学位移是不相同的，溶质质子受到各种溶剂的影响而引起化学位移的变化称为溶剂效应。5.溶剂效应溶剂的磁化率、氢键等影响2.3.3共轭效应苯环上的氢被推电子基（如CH3O）取代，由于p–π‎共轭，使苯环的电子云密度增大，δ‎值高场位移；拉电子基（如C=O、NO2）取代，由于π‎–π‎共轭，使苯环的电子云密度降低，δ‎值低场位移。与诱导效应一样，共轭效应亦会使电子密度变化2.4决定质子数目的方法吸收峰的峰面积，可用自动积分仪对峰面积进行自动积分，画出一个阶梯式的积分曲线。峰面积的大小与质子数目成正比。峰面积高度之比=质子个数之比。4cm(2H)8cm(4H)2cm(1H)14cm(7H)CH3CH2OHabc屏蔽效应：HaHbHcHaHbHc例如：有几种不同类型的H核，就有几组吸收峰。一个化合物究竟有几组吸收峰，取决于分子中H核的化学环境。2.5共振吸收峰（信号）的数目低分辨率谱图2.6自旋偶合与自旋裂分在高分辨率核磁共振谱仪测定CH3CH2―I或CH3CH2OH时CH3―和―CH2―的共振吸收峰都不是单峰，而是多重峰。相邻的磁不等性H核自旋相互作用（即干扰）的结果。这种原子核之间的相互作用，叫做自旋偶合。由自旋偶合引起的谱线增多的现象，叫做自旋裂分。2.6.1自旋－自旋偶合机理偶合表示核的相互作用，裂分表示谱线增多的现象。现以CH3CH2―I为例，讨论自旋偶合与自旋裂分作用：CHaHaCHbHbHaI首先，分析―CH3上的氢（以Ha表示）：它的邻近―CH2―上有两个H核（以Hb表示），Hb对Ha的影响可表示如下：∵H核的自旋量子数I=1/2，在磁场中可以有两种取向，即：+1/2（以↑表示）和－1/2（以↓表示）这样，Hb的自旋取向的排布方式就有以下几种情况：同理，也可画出Ha对Hb的影响。H01/2+1/2=11/2+(-1/2)=0(-1/2)+1/2=0(-1/2)+(-1/2)=-1其方向与外加磁场方向一致，相当于H0在Ha周围增加了两个小磁场。这样，发生共振吸收所提供的外加磁场要H0，共振信号将在H0处出现。相当于增加两个方向相反的小磁场，它们对的影响相互抵消，HaH0处出现。共振信号仍在其方向与外加磁场H0相反，相当于增加H0方向相反的小磁场，两个与共振信号将在H0处出现。如果Ha邻近没有其他质子，则Ha共振条件为：0=[/(2)](1-)H0Ha邻近有Hb存在，Hb在外磁场中有两种自旋取向，相应产生两种自旋磁场，对Ha核有干扰。由此可见，裂分峰的数目有如下规律：峰的数目=n+1n：为相邻H核的数目2.6.2（n+1规则）某组环境相同的氢，若与n个环境相同的氢发生偶合，则被裂分为（n+1）条峰。某组环境相同的氢，若分别与n个和m个环境不同的氢发生偶合，且J值不等，则被裂分为（n+1)(m+1）条峰。注意：实测峰的数目小于理论值。2.6.3偶合常数JabJab偶合常数的单位用Hz表示。偶合常数的大小与外加磁场强度(因为原子核间的自旋偶合是通过成键电子传递的)、使用仪器的频率无关。每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以Jab表示。用来衡量偶合作用的大小。反映邻近氢核自旋之间的相互干扰程度。下标ab表示相互偶合的磁不等性H核的种类。值得注意的是：自旋偶合与相互作用的两个H核的相对位置有关，当相隔单键数≤3时，可以