第二章 核磁共振波谱

第二章核磁共振波谱NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR概述•1．什么是核磁共振波谱法？将有磁矩的核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生的核磁共振信号，得到核磁共振谱。利用核磁共振波谱进行分析的方法，叫做核磁共振波谱法。从中可以看出，产生核磁共振波谱的必要条件有三条：1原子核必须具有核磁性质；2需要有外加磁场；3只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收。2．核磁共振波谱法的发展概况早在1924年Pauli就预言了核磁共振的基本原理；预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可以发生能级的分裂。这个预言直到1946年才由哈佛大学的Purcell及斯坦福大学的Block所领导的两个实验室分别得到证实，他们在各自实验室中观察到核磁共振现象，因此他们分享了1952年的诺贝尔物理奖。1949年，Knight第一次发现了化学环境对核磁共振信号的影响，并发现了信号与化合物结构有一定的关系。1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1956年，曾在Block实验室工作的Varian制造出第一台高分辨率的仪器，八十年代以来，又不断出现高精密，高灵敏仪器，如高强磁场的超导核磁共振波谱仪，脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪，核磁共振成像波谱仪在医学上也已得到广泛的应用。•磁共振成像（magneticresonanceimaging简称MRI）是以１HNMR的基本原理为基础发展起来的一种医学上的先进诊断技术。3．核磁共振波谱法的特点•核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一。它可以确定几乎所有常见官能团的化学环境，有的是其它光谱或分析法所不能判断的环境。仪器比较昂贵，工作环境要求比较苛刻，因而影响了其应用的普及性。第一节核磁共振的基本原理•一、核的自旋运动原子核可近似看作一球体或椭球体，它可绕一轴旋转，产生一自旋角动量，其方向与旋转轴重合。P21hII式中，h为普朗克常数(6.626×10－34J·s)，I为核的自旋量子数，取值0，1/2，1，3/2，…•由于原子核是带正电的粒子，核的自旋等价于一个环形电流，因而会产生磁矩μ，磁矩方向可用右手定则确定。核磁矩μ和角动量p都是矢量，方向相互平行。式中γ为核的磁旋比，γ是原子核的一种属性，不同的核具有不同的γ值。如：1H的γ1H＝2.68×108/特·秒，13C的γ13C＝6.73×107/特·秒。二、自旋核在磁场中的行为若将自旋核置于场强为H0的外磁场中，由于核磁矩与外磁场的相互作用，核磁矩矢量方向(自旋轴方向)就会有一定的取向。量子力学的原理证明，核磁矩在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量子数m表示，m可取下列数值：m＝I，I－1，I－2…，－I。•自旋量子数为I的核在外磁场中有(2I＋1)种取向，每种取向对应一定的能量，则自旋核在外磁场中分裂为(2I＋1)个能级。如1H、13C，I＝1/2，则(2I＋1)＝2，表明1H、13C在外磁场中分裂为2个能级。(a)无外加磁场(b)置于外加磁场对于具有自旋量子数I和磁量子数m的核，量子能级的能量表示为：式中：H0是外磁场强度；β是一个常数，称为核磁子，β＝5.049×10－31J·G－1；μ表示核的磁矩，1H的μ＝2.7927核磁子。对于：当m＝1/2时，E1/2=－μβH0；m＝－1/2时，E－1/2=μβH0，ΔE＝2μβH0。三、核磁共振如果以射频照射处于外磁场H0中的核，且射频频率恰好满足ΔE=hν时，处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。对于1H、13C，2μβH0＝hνorν＝2μβH0/h时产生核磁共振现象获得核磁共振谱的方法有两种：由：2μβH0＝hν解：求磁场强度为H0＝21000G（2.1T）的1H的NMR共振频率，若此装置来测13C时，其NMR共振频率是多少？1H：ν1H=2μβH0/h=2×2.7927×5.049×10－31×21000/(6.63×10-34)≈90MHz13C：ν13C=2μβH0/h=2×0.7021×5.049×10－31×21000/(6.63×10-34)≈22.5MHz•固定H0，进行频率扫描，得到在H0下的共振吸收频率ν0，这方法叫扫频；•固定ν，进行磁场扫描，得到在此频率下产生共振吸收所需要的H0，这方法叫扫场；•目前大多数仪器采用扫场法，这是因为制造高稳定性固定频率的射频振荡器要比制造高稳定性的可变频率的射频振荡器要容易得多。•如前所述，1H核在磁场作用下，被分裂为m=1/2及m=-1/2两个能级，处于较稳定的低能态的m=1/2的核数比处在m=-1/2能级的核数稍多一些。处于高、低能态核数的比例服从于波尔兹曼分布，即：四、驰豫过程当H0=1.409T、T=298K时，而恰恰是低能态核这样的微弱多数，才能吸收射频辐射而产生核磁共振信号。高能态和也会发生共振辐射，发射出原来吸收的辐射，放出能量hυ，随着处于高能态核数量的增加，核净吸收的能量随之逐渐减少，共振吸收强度减弱，直到吸收信号消失，这时产生了“饱和”现象。然而在实际测定中，却极少有“饱和”现象发生，核磁共振吸收的信号并未中止，这说明高能态核必定有不发射原来所吸收的射频辐射而跃迁回低能态核的一些途径。这种通过非辐射的能量迁移形式，使高能态核跃迁回低能态核的过程称为弛豫过程。弛豫过程是核磁共振现象保持的必要条件。第二节核磁共振波谱仪•按照仪器的工作方式，可将高分辨率的核磁共振仪分为两种类型：连续波核磁共振波谱仪及脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪。一、连续波核磁共振波谱仪•1.磁铁：是NMR仪中最基本的部分，NMR的灵敏度和分辨率主要决定于磁铁的质量和强度。•2.射频振荡器：线圈与外加磁场垂直，可发射几种固定频率无线电波，如60、100、120、200、300MHz。•永久磁铁：一般可提供0.7046T或1.4092T的磁场，对应质子共振频率为30MHz和60MHz；•电磁铁：可提供对应60MHz、90MHz、100MHz的共振频率，由于电磁铁的热效应和磁场强度的限制，目前应用不多；•超导磁铁：可以提供更高的磁场，可达100KGS以上，最高可达到800MHz的共振频率。3.扫描发生器：可在小范围内调节外加磁场强度进行扫描。4.射频接受器：检测被吸收的电磁波能量；5.样品管：玻璃管，要粗细均匀并且旋转(10~20r/s以上)，常量管0.4ml，微量管0.1ml，样品几十毫克，几毫克。二、脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪(PFT-NMR)•连续波NMR仪在进行频率扫描时，是单频发射和单频接收的，一定时间内只能记录谱图中的很窄的的一部分信号，即单位时间内的信息量少，信号弱，虽然也可以进行扫描累加，以提高灵敏度，但累加的次数有限，因此灵敏度仍不高。PFT-NMR仪是以适当宽度的射频脉冲作为“多道发射机”，使所选范围内的所有自旋核同时发生共振吸收而从低能态取向激发到高能态取向，得到核的多条谱线混合的自由衰减信号(FID)，即时间域函数，然后以快速傅立叶变换作为“多道接收机”，变换出各条谱线在频率中的位置及其强度。PFT-NMR仪获得的光谱背景噪声小，灵敏度及分辨率高，分析速度快，可用于动态过程、瞬时过程及反应动力学方面的研究。而且由于灵敏度高，所以PFT-NMR仪成为对13C、14N等弱共振信号的测量是不可少的工具。仪器名称核磁共振波谱仪生产厂家日本电子性能指标标准磁场：2.11T共振频率：90MHz型号FX-90Q功能及用途：带多核探头及C/H探头，可测1H、13C、17O、14Fe、29Si等24种核及自旋去偶、驰豫时间等。测定化合物的分子结构：应用于有机化学、化工、药物化学、石油工业、食品工业等。也可用于某些纯净物的定量分析。电子核磁共振波谱仪(NMRAV300,瑞士Bruker):可获得高分辨率的溶液和固体NMR谱。配有梯度场和变温附件。600MHz核磁共振波谱仪（局部）三、样品的制备1．选择适当的溶剂1H谱理想的溶剂有CCl4、CS2及氘代溶剂。2．溶液的配置试样浓度一般为5～10﹪，纯样品一般需要15～30mg。用PFT-NMR法时，样品需要量较少，一般只需1mg，甚至更少。3．标准样品进行实验时，每张谱图都有一个参考峰，以此峰为标准，求得样品信号的化学位移值。于样品溶液中加入约1％的标准样品，就能得到相当强度的参考信号。四甲基硅烷((CH3)4Si，TMS)是一个较理想的标准样品。第三节化学位移和核磁共振谱一、化学位移的产生1．屏蔽效应有机化合物中氢核与“裸露”的氢核不同，它们周围还有电子，在外加磁场作用下，产生电子环流，从而产生感应磁场，其方向与外加磁场(H0)相反，因而使氢核实际感受到的磁场强度要比外加磁场强度稍弱些。为了发生核磁共振，必须提高外加磁场强度，去抵消电子运动产生的对抗磁场的作用。这种氢核外围电子对抗外加磁场所起的作用，称为屏蔽效应(Shieldingeffect)。感应磁场He的大小与外磁场H0成正比σ称为屏蔽系数，它与原子核外的电子云密度及所处的化学环境有关。电子云密度越大，屏蔽程度愈大，σ值也大，反之则小。原子核实际感受所作用的磁场：1H的共振吸收频率为：因此，屏蔽常数σ不同的质子，其共振峰将分别出现在核磁共振谱的不同频率区域或不同磁场强度区域。若固定照射频率，σ大的质子出现在高磁场处，而σ小的质子出现在低磁场处，据此我们可以进行氢核结构类型的鉴定。2．化学位移•因质子所处的化学环境不同，即核外电子云密度不同，所受屏蔽作用的强弱不同，因而可在核磁共振谱的不同位置上出现吸收峰。•由于σ很小，使所需外磁场变化ΔH或共振吸收频率的变化Δυ也很小，要精确测定其绝对值是相当困难，且其绝对值也随磁场源(或频率源)的不同而异。•因此要用一个标准物质，比较样品中氢核与标准物质吸收峰位置之间的差别，这种差别称化学位移（chemicalshift）。常用四甲基硅烷（(CH3)4Si，TMS）作为标准物质。在扫频的情况下:（ν0为操作仪器的选用频率）在扫场的情况下:（H0为操作仪器的选用磁场）必须十分清楚谱图上各物理量或参数的方向表示，如下图所示：TMS具有如下特点：①TMS分子中的12个氢核处于完全相同的化学环境中，它们的共振条件完全一致，因此在NMR谱中只有一个光谱。②TMS分子中氢核周围的电子云密度很大，受到的屏蔽效应比大多数其它化合物中的氢核都大，一般其它化合物的1H峰都出现在TMS峰的左侧，定它的化学位移值δ＝0，便于谱图解析；③此外，TMS是化学惰性物质，易溶于大多数有机溶剂中，而且它的沸点较低(26.5℃)，容易回收。SiCH3H3CCH3CH3三、影响化学位移的因素•影响化学位移的因素有诱导效应、共轭效应，磁的各向异性效应，形成氢键的影响及溶剂效应等。1．诱导效应化学位移δ值随着其邻近原子(或基团)的电负性的增强而升高。电负性较强的原子或基团可降低核外的电子云密度，即减小电子对氢原子核的屏蔽作用，结果使质子的信号出现在较低磁场，即δ值增大。CH3FCH3ClCH3BrCH3Iδ/p4.263.052.682.212．共轭效应共轭效应与诱导效应一样，也会改变磁核周围的电子云密度，使其化学位移发生变化。3.磁的各向异性效应有时仅用诱导效应不能圆满解释一些现象，CHCH,CH2=CH2,CH3-CH3碳原子的电负性:SPSP2SP3按屏蔽效应该:CHCHCH2=CH2CH3-CH3而实际上:1.6~3.44.0~8.00~2如：在外磁场的作用下，核外的环电子流产生次级感生磁场，由于磁力线的闭合性质，感生磁场在不同部位对外磁场的屏蔽作用不同，在一些区域中感生磁场与外磁场方向相反，起抗外磁场的屏蔽作用，这些区域为屏蔽区，处于此区的1Hδ小，共振吸收在高场(或低频)；而另一些区域中感生磁场与外磁场的方向相同，起去屏蔽作用，这些区域为去屏蔽区，处于此区的1Hδ变大，共振吸收在低场(高频)。这种作用称为磁的各向异性效应。HHCCHHHHo屏蔽区H电子环流去屏蔽区感