核磁共振-2015级研究生.

第五章核磁共振谱5.1基本原理5.1.1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5.1.2自旋核在外加磁场中的取向取向数=2I+1（在没有外电场时，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5.1.3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：(1)ΔE∝H0；(2)1H受到一定频率（v）的电磁辐射，且提供的能量=ΔE，则发生共振吸收，产生共振信号。0H0低场高场吸收能量信号定义：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。5.2化学位移5.2.1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。H核在分子中不是完全裸露的，而是被价电子所包围的。因此，在外加磁场作用下，由于核外电子在垂直于外加磁场的平面绕核旋转，从而产生与外加磁场方向相反的感生磁场H’。这样，H核的实际感受到的磁场强度为：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。)1('H0000HHHHH实式中：σ为屏蔽常数核外电子对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1220HH5.2.2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×1065.3影响化学位移的因素凡影响电子云密度的因素都将影响化学位移。其中影响最大的是：诱导效应和各向异性效应。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5.3.1诱导效应5.3.2化学键的各向异性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CHaHb高场低场屏蔽效应：HaHbO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。5.3.3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。小结：5.3.4特征质子的化学位移值102345678910111213C3CHC2CH2C-CH3环烷烃0.2—1.5CH2ArCH2NR2CH2SCCHCH2C=OCH2=CH-CH31.7—3CH2FCH2ClCH2BrCH2ICH2OCH2NO22—4.70.5(1)—5.56—8.510.5—12CHCl3(7.27)4.6—5.99—10OHNH2NHCR2=CH-RRCOOHRCHOHR常用溶剂的质子的化学位移值D活泼氢的化学位移常见的活泼氢，如-OH、-NH-、-SH、-COOH等基团的质子，在溶剂中交换很快，并受测定条件如浓度、温度、溶剂的影响，δ值不固定在某一数值上，而在一个较宽的范围内变化。用重水交换法可以鉴别出活泼氢的吸收峰(加入重水后活泼氢的吸收峰消失)。5.4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。5.5共振吸收峰（信号）的数目低分辨率谱图5.6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。5.6.1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。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5.6.2（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。5.6.3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、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。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，可以发生自旋偶合，相隔三个以上单键，J值趋于0，即不发生偶合。磁等性H核之间不发生自旋裂分。如CH3—CH3只有一个单峰。§3-2核磁共振仪与实验方法核磁共振仪的类型:a.按所用的磁体不同可分为永久磁体、电磁体和超导磁体。b.按射频频率不同(1H核的共振频率)可分为60MHz、90MHz、100MHz、200MHz、300MHz等，目前国际市场已有800MHz的仪器供应。c.按射频源和扫描方式不同可分为连续波核磁共振谱仪和脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪。一、连续波核磁共振谱仪(continuouswave-NMR，CW-NMR)1、磁体磁体的作用是对样品提供强而均匀的磁场，常用的磁体有永久磁铁、电磁铁和超导磁铁。2、样品管外径5mm玻璃管(内装待测的样品溶液)放置在磁铁两极间的狭缝中，并以一定的速度(如50～60周/s)旋转，使样品感受到的磁场强度平均化，以克服磁场不均匀所引起的信号峰加宽。3、射频振荡器射频振荡器的线圈绕在样品管外，方向与外磁场垂直，其作用是向样品发射固定频率(如100MHz、200MHz)的电磁波。射频波的频率越大，仪器的分辨率也越大，性能越好。射频接受器线圈也安装在探头中，其方向与前两者都彼此垂直，接受线圈用来探测核磁共振时的吸收信号。4、扫描发生器线圈扫描发生器线圈(也称Helmholtz线圈)是安装在磁极上，用于进行扫描操作，使样品除接受磁铁所提供的强磁场外，再感受一个可变的附加磁场。5、信号接收和记录系统在进行核磁共振测定时，若固定射频波频率，由扫描发生器线圈连续改变磁场强度，由低场至高场扫描，称为扫场；若固定磁场强度，通过改变射频频率的方式进行扫描则称为扫频。在扫描过程中，样品中不同化学环境的同类磁核，相继满足共振条件，产生核磁共振吸收，接受器和记录系统就会把吸收信号经放大并记录成核磁共振图谱。一般的仪器都有信号积分的功能，会把各种吸收峰进行面积积分，并绘出积分曲线。连续波核磁共振谱仪具有廉价、稳定、易操作的优点，但灵敏度低，需要样品量大，只能测定天然丰度较大的核，如1H、19F、31P谱，而无法测定天然丰度低，灵敏度低的核，如13C、15N谱等。随着脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪的发展和普及，连续波波谱仪将逐渐被取代。二、脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪(pulsefouriertransfer-NMR，PFT-NMR)脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪进行测定时，由计算机控制使所有化学环境不同的同类磁核同时激发，发生共振，同时接收信号。脉冲发射时，样品中每种核都表现出对脉冲单个频率成分的吸收，当脉冲一停止，弛豫过程即行开始，接受器就接收到宏观磁化强度的自由感应衰减信号(FID信号)。FID信号是时间函数f(t)，多种核的FID信号是复杂的干涉波，计算机通过模数转换器取得FID数据，并进行傅里叶变换运算，使FID的时间函数转变为频率函数f()，再经过数模变换后，即可通过显示器或记录仪显示记录通常的核磁共振图谱。PFT-NMR有很强的累加信号能力，所以有很高的灵敏度，对于灵敏度很低的13C谱，只要累加n次，则信噪比(S/N)可提高n1/2倍。此类仪器已广泛用于测定天然丰度很低的磁核的核磁共振谱，在测定1H谱时，也可以大大减少样品的用量。例如，Varian公司出产的INOVA500NB超导核磁共振谱仪，磁场强度为11.7T，可测1H，13C，15N，19F，31P等多种核的一维和多维谱，对1H核的分辨率达0.