核磁共振波谱分析

核磁共振波普分析一、原子核的自旋二、核磁共振现象三、核磁共振条件第一节基本原理核磁共振（NMR）：在外磁场的作用下，具有磁矩的原子核存在着不同能级，当用一定频率的射频照射时，可引其原子核能级跃迁的现象。核磁共振信号强度对照射频率作图，所得图谱称为核磁共振波谱。利用核磁共振波谱进行结构测定分析的方法称为核磁共振波谱法。该方法属于吸收光谱范畴。NMR共振吸收法是一种测定核能级跃迁吸收的一种特殊方法。研究对象为具有核磁矩的原子核一、原子核的自旋原子核是带正电粒子，通过对原子光谱精细结构研究，发现了核的自旋运动，若原子核存在自旋，就会产生核磁矩：)1(2IIhp角动量p、核磁矩都是矢量，其方向平行，符合右手法则称为磁旋比，(magnetogyricratio),每种核都有特定值。对于1H1核，其值为2.67519108T-1s-1;Ⅰ为自旋量子数形成分子原子核在外磁场中分裂→分裂能量差为△E→当照射频率满足能量差△E时→则原子核会发生跃迁→产生吸收信号p1、核自旋分类（用自旋量子数Ⅰ来描述）(1)I=0的原子核:16O8；12C6；32S16无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或正整数的原子核:2H1，14N7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；(3)I=1/2:1H1，13C6，19F9，31P15I=3/2：11B5，35Cl17，79Br35，I=5/2：17O8原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，自旋量子数I=1/2的原子核是核磁共振研究的主要对象。例如氢核可当作电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，就会产生磁场，类似一个小磁铁。右手法则自旋轴二、原子核自旋能级和共振吸收（一）核自旋能级分裂1、核磁矩的取向：当核置于外磁场B0中时，相对于外磁场，原子核到底有多少种取向？通常用m（磁量子数）表示,取值范围为I，I-1，…，-I共（2I+1）种取向。核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的，是量子化的。这种现象称为核磁矩的空间量子化。B0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz2、核磁矩在外加磁场Z轴上的分量取决于角动量在该轴上的分量（Pz），且IIIImm，，，，磁量子数21:2hmz2hmPz3、核能级分裂：若无外磁场，由于核的无序排列，不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁场作用下，核磁矩按一定方向排列，对氢核的磁矩则有两种取向，即m=1/2,是顺磁场,能量低；m=－1/2，逆磁场，能量高。从而产生了能级的分裂现象。每一种核的磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。002BhmBEz0210211221221BhEBhEH,:02BhE由能级分裂现象说明，高场强仪器比低场强仪器测得的核磁共振信号清晰。（二）原子核的共振吸收1、原子核的进动当带正电荷的、且具有自旋量子数的核绕自旋轴旋转时则会产生磁场，当这个自旋核置于外磁场中时，该核的自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋（摇头旋转），这种回旋称为进动。进动频率与外加磁场关系可用Larmor方程表示：02B回旋轴2、核磁共振吸收条件在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生电磁波的能量（h0）等于核能级差△E就会有NMR。002B共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场，能级裂分;(3)照射频率与进动频率相等(4)002B)(1只能发生在相邻能级间跃迁选律：mMHzTsTB10014323488210675192211800)(...背景知识：磁感应强度，单位：特斯拉T永磁铁：0.4-0.7T变压器铁芯：0.8-1.4T超导强电流:几十T地面：0.510-4TIlFB0例计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。共振条件讨论：（1）对于同一种核，磁旋比为定值，B0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度B0和射频频率不同。（3）固定B0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振产生吸收（图）。也可固定，改变B0（扫场,多用）不同原子核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.3488T共振频率100MHz磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特斯拉）02B例计算在多大强度的的磁场中，1H的共振频率为500MHz。TB7211106751921050014322860...三、原子核磁能级上的粒子分布不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：kThkTEkTEENNjijiexpexpexp磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比：Ni、Nj分别为低能级（基态）和高能级（激发态）核的数目，两能级上核数目相差1.610-5；核磁信号就是靠所多出的16/1,000,000低能态氢核的净吸收而产生的。MHz....0010024323488210675192280B共振频率000016129810380661100010010626623634.KKJssJ...exp11jiNN1.000016-1=1.610-5磁核在各能级上的玻尔兹曼分布是热运态平衡。当低能级的磁核吸收了射频辐射后，被激发至高能级，同时给出共振吸收信号。但随着实验的进行，只占微弱多数的低能级磁核越来越少，最后高、低能级上的磁核数目相等—“饱和”—从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同——体系净吸收为0——共振信号消失。幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！说明必然存在着使低能级上的磁核保持微弱多数的内在因素。这种内在因素就是核的驰豫何为弛豫？处于高能态的磁核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的磁核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强，产生的共振信号越易观察。据Heisenberg测不准原理，激发能量差E与体系处于激发态磁核的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽成正比，即：1，，hEhE4hE因此而式中，为谱线宽度，它与弛豫时间成反比。可见，弛豫决定于处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。弛豫可分为纵向弛豫（体系和环境间）和横向弛豫（核磁矩之间）1、纵向弛豫1：又称自旋-晶格弛豫。处于高能级的核将其能量转移给周围环境(晶格,溶剂)，从而使自己返回到低能态的现象。该驰豫使低能级磁核数目增多。1愈小，纵向弛豫效率越高，愈有利于NMR信号测定。气体、液体1小，固体1大。2、横向弛豫2：又称自旋-自旋弛豫。当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移所发生的弛豫现象。各能级核数目不变,对恢复玻尔兹曼平衡没贡献。气体及液体2大，固体2小。在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间1和2大致相当，在0.5-50s之间，能给出尖锐的谱峰，因此，在NMR分析中，往往需将样品配制成液体进行测量两种弛豫过程中，时间短者控制弛豫过程。一、核磁共振仪组成二、样品制备第二节核磁共振仪一、连续波核磁共振仪磁铁探头射频发生器射频接收器扫描发生器信号放大及记录仪仪器组成连续波核磁共振仪脉冲傅立叶变换核磁共振仪按扫描方式二、傅里叶变换核磁共振波谱仪三、核磁共振仪组成1、永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2、射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。3、射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4、样品管:外径5mm玻璃管,测量过程中旋转,保证磁场对样品作用均匀二、样品制备试样浓度：5～10%；需要纯样品15～30mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg；标样浓度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶剂：1H谱四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物一、屏蔽效应二、化学位移表示三、影响化学位移因素四、几类质子化学位移第三节化学位移一、屏蔽效应理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：=B0/(2)应产生单一的吸收峰；实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生与外磁场方向相反的感应磁场时，则会起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小实际的外磁场强度应表示为B=（1-）B0其中为屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。实际受到外磁场越小，这时对应的进动频率则表示为=[/(2)]×（1-）B0屏蔽的存在，使共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。电子环流的反方向二、化学位移=[/(2)]（1-）B0由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率就有差异，即引起共振吸收峰的位移也不同，这种现象称为化学位移。化学位移:由屏蔽效应的存在，使不同化学环境的氢核的核磁共振吸收位置(磁场强度或共振频率)发生移动的现象。电子环流的反方向苯丙酮1H-NMR化学位移的表示方法用符号表示(1)位移的标准：没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷（内标）规定其化学位移TMS=0。(2)为什么用TMS作为基准?a.12个氢处于完全相同的化学环境，氢核只产生一个尖峰b.氢核的屏蔽强烈，信号在高场区与其它质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。其它核位移按=[（样-TMS)/TMS]106(ppm)SiCH3CH3H3CCH3四甲基硅烷(TMS)小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图的右侧；大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图的左侧三、影响化学位移的因素凡是影响屏蔽常数（电子云密度）的因素均可影响化学位移，即影响NMR吸收峰的位置。1、诱导效应(Induction)：分子与高电负性基团相连----分子电子云密度下降(去屏蔽)---下降---产生共振所需磁场强度小---吸收峰向低场移动，增大。（氯甲烷）3.05；（甲烷）0.23CClHHH2、共轭效应(Conjugated)：使电子云密度平均化，可使吸收峰向高场或低场移动；减小或增大。与C2H4比：左图：氧孤对电子与C2H4双键形成p-共轭，—CH2上质子电子云密度增加，移向高场。右图：羰基双键与C2H4-共轭，—CH2上质子电子云密度降低，移向低场。25.5CCHHOCH3HCCHHCHOCH357.399.387.550.53、磁各向异性效应：置于外加磁场中的分子产生的感应磁场(次级磁场)，使分子所在空间出现屏蔽区(+)和去屏蔽区(-)，导致不同区域内的质子移向高场和低场。该效应通过空间感应磁场起作用，涉及范围大，所以又称远程屏蔽。图１图２图３图1:C2H4中电子云分布于键所在平面上下方，感应磁场将空间分成屏蔽区(+)和去屏蔽区(-),由于质子位于去屏蔽区，与C2H6（=0.85）相比移向低场(=5.28)。醛基质子处于去屏蔽区，且受O电负性影响，故移向更低场（=7.27）。图2:C2H2中三键电子云分布围绕C-C键呈对称圆筒状分布，质子处于屏蔽区，其共振信号位于高场(=2.88)。图3:苯分子与C2H4的情况相同，即苯的质子移向低场（=7.27）；对