核磁共振波谱学

一．核磁共振简介核磁共振技术由珀塞尔（Purcell）和布洛齐（Bloch）于1945年始创，至今已有近六十年的历史，他们二人因此荣获1952年诺贝尔物理奖。自1950年应用于测定有机化合物的结构以来，经过几十年的研究和实践，发展十分迅速，现已成为测定有机化合物结构不可缺少的重要手段。通过核磁共振谱可以得到有机化合物的结构信息，如通过化学位移可以得到各组磁性核的类型，氢谱可以判断烷基氢、烯氢、芳氢、氨基氢、醛氢等，而在碳谱中可以判断饱和碳，烯碳、羰基碳等，通过偶合常数和峰形可判断个磁性核的化学环境，以判断各氢和碳的归属。谱仪频率已从30MHz发展到900MHz。1000MHz谱仪亦在加紧试制之中。仪器工作方式从连续波谱仪发展到脉冲-傅里叶变换谱仪。随着多种脉冲序列的采用，所得谱图已从一维谱到二维谱、三维谱甚至更高维谱。其应用范围也大大拓宽，已从化学、物理扩展到生物、医学等多个学科15.3.1二。核磁共振基本原理1．原子核的磁矩核磁共振的研究对象是原子核，原子核是带正电粒子，其自旋运动会产生磁矩，具有自旋运动的原子核都具有一定的自旋量子数I，原子核可按Ｉ的数值分为以下三类：（1）中子数、质子数均为偶数，则I=0，如12C、16O、32S等。此类原子核不能用核磁共振法进行测定。（2）中子数与质子数其一为偶数，另一为奇数，则Ｉ为半整数，如I=1/2：1H、13C、15N、19F、31P、37Se等；I=3/2：7Li、9Be、11B、33S、35Cl、37Cl等；I=5/2：17O、25Mg、27Al、55Mn等；以及I=7/2、9/2等。（3）中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如2H(D)、6Li、14N等I=1；58Co，I=2；10B，I=3。（2）、（3）类原子核是核磁共振研究的对象。其中，I=1/2的原子核，其电荷分布为球形，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。原子核的磁矩取决于原子核的自旋角动量P，其大小为：（式中：I为原子核的自旋量子数。h为普朗克数。）凡I值非零的原子核即具有自旋角动量P，也就具有磁矩μ，μ与P之间的关系为：（称为磁旋比，是原子核的重要属性。2．自旋核在磁场中的取向和能级具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的，可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间取向，其数值可取：m=I,I-1,I-2,……,-I，共有2I+1个取向。例如，对1H核来说，I=1/2,则有m=+1/2和m=-1/2两种取向。m=+1/2取向是顺磁场排列，代表低能态，而m=-1/2则是反磁场排列，代表高能态。对于I=1的原子核，如2H,14N而言，m则有m=+1，0，-1三种取向，代表三个不同能级。根据电磁理论，磁矩μ在外磁场中与磁场的作用能E为：E=-μBO（式中BO为磁场强度。作用能E属于位能性质，故核磁矩总是力求与外磁场方向平行。外加磁场越强，能级裂分越大，高低能态的能级差也越大。）3．核磁共振的产生在静磁场中，具有磁矩的原子核存在着不同能级。此时，如运用某一特定频率的电磁波来照射样品，并使该电磁波能量恰等于原子核的能级差（ΔE），原子核即可进行能级之间的跃迁，这就是核磁共振。当然，跃迁时必须满足选律，即。当发生核磁共振现象时，原子核在能级跃迁的过程中吸收了电磁波的能量，由此可检测到相应的信号。4．弛豫过程对磁旋比为的原子核外加一静磁场B0时，原子核的能级会发生分裂。处于低能级的粒子数n1将多于高能级的离子数n2，这个比值可用玻尔兹曼定律计算。由于能级差很小，n1和n2很接近。设温度为300K，磁感强度为1.4092T（即14092G，相应于60MHz射频仪器的磁感强度），可算出：=1.0000099（式中ｋ为玻尔兹曼常数。）在电磁波的作用下，n1减少，n2增加，因二者相差不多，当n1=n2时不能再测出核磁共振信号，称作饱和。由此看出，为能连续存在核磁共振信号，必须有从高能级返回低能级的过程，这个过程即称为弛豫过程。弛豫过程有两类。其一为自旋-晶格弛豫，亦称为纵向弛豫。其结果是一些核由高能级回到低能级。该能量被转移至周围的分子（固体的晶格，液体则为周围的同类分子或溶剂分子）而转变成热运动，即纵向弛豫反映了体系和环境的能量交换；第二种弛豫过程为自旋-自旋弛豫，亦称为横向弛豫。类似于化学反应动力学中的一级反应，纵向弛豫，横向弛豫过程的快慢分别用1/T1、1/T2来描述。T1叫纵向弛豫时间，T2叫横向弛豫时间。三．屏蔽效应和化学位移1．化学位移氢质子（1H）用扫场的方法产生的核磁共振，理论上都在同一磁场强度（Ho）下吸收，只产生一个吸收信号。实际上，分子中各种不同环境下的氢，再不同Ho下发生核磁共振，给出不同的吸收信号。例如，对乙醚进行扫场则出现二种吸收信号，在谱图上就是二组吸收峰。如图：（乙醚的氢核磁共振谱）这种由于氢原子在分子中的化学环境不同，因而在不同磁场强度下产生吸收峰,峰与峰之间的差距称为化学位移。2．屏蔽效应——化学位移产生的原因分子中的磁核不是裸核，核外包围着电子云，在磁场的作用下，核外电子会在垂直于外磁场的平面上绕核旋转，形成微电流，同时产生对抗于主磁场的感应磁场。感应磁场的方向与外磁场相反，强度与磁场强度BO成正比。感应磁场在一定程度上减弱了外磁场对磁核的作用。这种感应磁场对外磁场的屏蔽作用称为电子屏蔽效应，通常用屏蔽常数σ来衡量屏蔽作用的强弱。磁核实际感受的磁场强度称为有效磁场强度Beff，可用下式表示：Beff=BO-BO﹒σ=BO（1-σ）同理（3-7）式可改写为：v=γBO（1-σ）/2π（电子对核的屏蔽作用）可见，不同的化学环境的质子，核外电子云分布不同，σ值不同，核磁共振吸收峰出现的位置亦不同。在以扫频方式测定时，核外电子云密度大的质子，σ值大，吸收峰出现较低频，相反核外电子云密度小的质子，吸收峰出现在较高频。如果以扫场方式进行测定，则电子云密度大的质子吸收峰在较高场，电子云密度小的质子出现在较低场。3．化学位移值化学位移数值很小，质子的化学位移只有所用磁场的百万分之几，化学位移值的大小，可采用一个标准化合物为原点，测出峰与原点的距离，就是该峰的化学位移值，一般采用四甲基硅烷为标准物（代号为TMS）。d=(n样-nTMS)′106/nTMS或d=(BTMS-B样)′106/BTMS（Δυ=υ样品-υTMS），δ为化学位移值，它是一个无量纲数，用ppm（百万分之一）表示。化学位移是依赖于磁场强度的。不同频率的仪器测出的化学位移值是不同的，例如，测乙醚时：用频率60MHz的共振仪测得Δυ，CH3-为69Hz，-CH2-为202Hz。用频率100MHz的共振仪测得Δυ，CH3-为115Hz，-CH2-为337Hz。为了使在不同频率的核磁共振仪上测得的化学位移值相同（不依赖于测定时的条件），通常用δ来表示，δ的定义为：标准化合物TMS的δ值为0。在TMS左边的吸收峰δ值为正值，在TMS右边的吸收峰，δ值为负值。n样和nTMS分别为样品和标准物TMS中质子的共振频率，B样和BTMS分别为样品和标准物TMS中质子的共振磁场强度。由此可得，60MHz时乙醚中CH3-的H的δ值为69×106/60×106=1.15,60MHz时乙醚中-CH2-的H的δ值为202×106/60×106=3.37。100MHz时乙醚中CH3-的H的δ值为115×106/100×106=1.15,100MHz时乙醚中-CH2-的H的δ值为337×106/100×106=3.37。这样，就得到各种不同结构的H的δ值。4．影响化学位移的因素(1)诱导效应1．δ值随着邻近原子或原子团的电负性的增加而增加。如：CH3X中甲基的化学位移值XLiSi(CH3)3HMeEtNH2OHFSMeClδ(ppm)-1.940.00.230.860.912.473.394.272.093.062．δ值随着H原子与电负性基团距离的增大而减小。如：CH3——CH2——CH2—Clδ值：1.061.813.473。烷烃中H的δ值按伯、仲、叔次序依次增加。如：CH3—HRCH2—HR2CH—HR3C—Hδ值：0.21.1±0.11.3±0.11.5±0.1（2）共轭效应当拉电子或推电子基团与乙烯分子上的碳-碳双键共轭时，烯碳上的质子的电子云密度会改变，其吸收峰也会发生位移，以下是乙酸乙烯酯、丙烯酸甲酯与乙烯的比较：（3）电子环流效应（磁场的各向异性）烯烃、醛、芳环中，π电子在外加磁场作用下产生环流，使氢原子周围产生感应磁场，如果感应磁场的方向与外加磁场相同，即增加了外加磁场，所以在外加磁场还没有达到Ho时，就发生能级的跃迁，称为去屏蔽效应，该区域称为去屏蔽区，用‘-’号表示；而当感应磁场的方向与外加磁场方向相反时，即减小了外加磁场，称屏蔽效应，该区域称为屏蔽区，用‘+’号表示。烯烃、醛、芳环中氢原子处于去屏蔽区，因而它们的δ很大（δ=4.5~12），乙炔也有π电子环流,但炔氢的位置不同，处在屏蔽区（处在感应磁场与外加磁场对抗区），所以炔氢的δ值较小。（芳环的磁场的各向异性）（叁键的磁场的各向异性）（4）氢键效应和溶剂效应当分子形成氢键后，由于静电场的作用，使氢外围电子云密度降低而去屏蔽，δ值增加。由于氢键的强度与分子所处环境有关，因此，氢键中氢随溶剂极性、溶液浓度和测定温度的不同，δ值也有所改变。如羧基的氢化学位移通常在10~14左右。在核磁共振谱的测定中，由于采用不同溶剂，某些质子的化学位移发生变化，这种现象称为溶剂效应。溶剂效应的产生往往是由溶剂的磁各向异性效应或溶剂与被测试样分子间的氢键效应引起的。由于氢原子核的化学位移范围比较小，而核磁共振的测定通常必须将样品配置为溶液状态进行，因而溶剂效应是一个不可忽略的因素。四．峰面积与氢原子数目在核磁共振谱图中，每一组吸收峰都代表一种氢，每种共振峰所包含的面积是不同的，其面积之比恰好是各种氢原子数之比。如乙基苯的核磁共振氢谱如下，图中共有三组核磁共振峰面积比为：5：2：3，即乙基苯中三种氢的数目比。因此核磁共振谱不仅提供了各种不同H的化学位移，并且表示了各种不同氢的数目。（乙基苯的核磁共振氢谱）共振峰的面积大小一般是用积分曲线高度法测出，是核磁共振仪上带的自动分析仪对各峰的面积进行自动积分，得到的数值用阶梯积分高度表示出来（如上图所示）。积分曲线的画法是由低场到高场（从左到右），从积分曲线起点到终点的总高度与分子中全部氢原子数目成比例。每一阶梯的高度表示引起该共振峰的氢原子数之比。五．峰的裂分和自旋偶合1．峰的裂分在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分，这种使吸收峰分裂增多的现象称为峰的裂分。如下图中碘代乙烷的氢原子a裂分为三重峰，而b裂分为四重峰。由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。（碘代乙烷的核磁共振氢谱）2．自旋偶合核磁共振峰的裂分是因为相邻两个碳上质子之间的自旋偶合（自旋干扰）而产生的。我们把这种由于邻近不等性质子自旋的相互作用（干扰）而分裂成几重峰的现象称为自旋偶合。自旋偶合作用不影响磁核的化学位移，但对共振峰的形状会产生重大影响，使谱图变得复杂，但又为结构分析提供更多的信息。(1)自旋偶合的产生（以碘乙烷为例）根据Pauli原理和Hund规则，每个成键轨道最多只能容纳2个电子且自旋方向相反；同一成键原子的电子自旋方向平行；电子自旋方向与核自旋方向相同，核自旋能级升高，电子自旋方向与核自旋方向相反，核自旋能级降低。对于自旋量子数I=1/2的核来说，在磁场中有两种取向：m=+1/2和m=-1/2。在碘乙烷中，a、b氢原子核是相邻近的，有互相偶合作用，当b氢取m=+1/2顺磁场排列（↑）时，其产生的局部磁场会使a质子感受到稍微增强的磁场强度，故会在较低的外磁场中发生共振，相反，当b组二个氢原子核取m=-1/2反磁场排列（↓）时，会使a氢原子核感受到稍微减弱的磁场强度，而在较高的外磁场中发生共振，由于b种氢共有2个，其排列方式有4中，其中有两种方式对