核磁共振波谱法

仪器分析INSTRUMENTALANALYSIS教师：谢宝平Tel.020-61648591,13580416918E-mail:[e-mail]-Vis、AAS、MFSIR辐射吸收——分子价电子能级跃迁，伴随振转能级跃迁辐射吸收——原子价电子能级跃迁辐射发射——分子价电子激发后去激辐射吸收——分子振转能级跃迁核：磁性质的原子核磁：外加磁场共振：吸收射频辐射产生核自旋能级跃迁，产生NMR信号核磁共振波谱法NMRNuclearMagneticResonanceSpectroscopy——吸收光谱范畴研究的对象是处于强磁场中原子核对射频辐射的吸收美籍德国人O.Stern：发现质子磁矩1943年诺贝尔物理学奖1944年诺贝尔物理学奖美籍奥地利人I.I.Rabi：应用共振方法测定了原子核磁矩和光谱超精细结构核磁共振分析的历史及现状（1）质子磁矩的发现（2）核磁共振现象的发现01核磁共振分析的历史及现状美国FelixBloch和EdwardMillsPurcell1946年发现核磁共振现象，建立核子感应理论，开辟了核磁共振分析的历史，获1952年诺贝尔物理学奖。（3）脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明瑞士RichardR.ErnstPulseFT-NMR02核磁共振分析的历史及现状1966年发明Fourier-NMR分光法和二维、多维的核磁共振技术，获得了1991年诺贝尔化学奖核磁共振与诺贝尔奖JohnB.Fenn，KoichiTanaka：发明了生物大分子的质谱分析法KurtWüthrich：发明了利用NMR技术测定生物大分子三维结构的方法2002年诺贝尔化学奖核磁共振分析的历史及现状（4）生物大分子分析的NMR技术3DStructureofBio-macromolecules美国PaulC.Lauterbur英国PeterMansfield上世纪70年代发明磁共振成像技术(MRI)，可从微观到宏观无损探测生物活体的结构和功能。药2003年诺贝尔生理或医学奖核磁共振分析的历史及现状（5）核磁共振成像技术（MRI）（5）核磁共振仪器的发展1951年，第一台NMR仪于laboratoryoftheUniversityofLeipzig1953年，Varian制作了第一台商用高分辨NMR仪1970年：Fourier(pilsed)-NMR开始市场化1980年:第一台MRI扫描仪问世2005年：950MHz谱仪商品化，二十一世纪出现1GHz以上谱仪核磁共振分析的历史及现状950MHz、1GHz以上NMR谱仪——更高灵敏度和分辨率二维、三维和多维核磁谱——利于复杂分子谱线归属；固体高分辨NMR技术、HPLC-NMR联用技术、碳、氢以外核的研究——扩展了NMR的应用范围；快速扫描和功能性核磁共振成象技术——提高MRI应用范围（7）NMR仪器的发展方向核磁共振分析的历史及现状（7）目前的应用领域核磁共振分析的历史及现状•核磁共振波谱仪•核磁共振成像仪•核磁共振测井仪•核磁共振探水仪•核磁共振分析仪•核磁共振表面探测仪物质的分子结构与构象研究；化学动力学、氢键或速率常数研究药物、材料的研究与开发（8）基本类型原则上凡自旋量子数不为零的原子核均能测得NMR信号，但目前为止仅限于1H、13C、19F、31P、15N等原子核，其中氢谱和碳谱应用最为广泛。核磁共振分析的历史及现状1H-NMR——质子类型及所处的化学环境C骨架上的H原子相对数目H核间的关系－CH3、－CH2－、－CH－、＝CH2、≡CH、Ar－H、CHO、－OH…1H-NMR谱给出的结构信息缺点1）无H的结构无法给出信号；2）对于长链的烷烃，H谱谱线多重叠。13C-NMR——含碳的个数碳的类型区分伯、仲、叔、季碳无氢含碳基团检测13C-NMR谱给出的结构信息缺点：C的数目与13C谱的峰面积不成比例第一节核磁共振的基本原理NMR的研究对象为具有磁矩的原子核。一、原子核的自旋核自旋，正电荷形成环形电流，产生核磁矩2)1(hIIPP核磁矩。h；P：；I：；普朗克常数量核在磁场方向自旋角动自旋量子数核的特征磁旋比:,:I=0时，P=0，原子核无自旋现象I≥½时，原子核有自旋现象I与原子质量数、电荷数有关一、原子核的自旋质量数电荷数（原子序数）自旋量子数（I）NMR讯号原子核偶数偶数0无奇数奇或偶数1/2有奇数奇或偶数3/2，5/2…有偶数奇数1，2，3…有各种核的自旋量子数和核磁共振SiS,O,C,28143216168126PF,N,C,H,311519915713611BrCl,S,O,B,793535163316178115NB,H,14710521结论：质量数和电荷数两者或其一为奇数时，才有非零的核自旋量子数。一、原子核的自旋无外磁场：核磁矩任意取向ZZm＝+1/2m＝－1/2氢核磁矩的取向02HhE＝EH0=0m＝－1/2m＝+1/2I＝1/2核的能级分裂二、核自旋能级分裂I=1/2自旋核，共有2种取向（m=+1/2，－1/2）磁场H0中：2I+1个取向，能级分裂成2I+1个磁能级(m)I=1自旋核，3种取向（m=+1，0，－1）I=2自旋核，5种取向（m=+2，+1，0，－1，－2）I=1/2I=1I=2m=1/2m=+1/2m=1m=+1m=m=2m=1m=m=m=zzzB0I≥½的核是NMR研究的对象，其中I=1/2的原子核电荷均匀分布表面，其核磁共振谱线窄，最适宜于核磁共振检测分析。二、核的能级分裂低能量高能量电磁波辐射002HhEh0021H氢核，I=1/2，在磁场中自旋轴只有两种取向：与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高三、原子核的进动Larmor进动：自旋磁场与外加磁场作用，产生的以外加磁场方向为轴线的回旋运动。的关系自旋核进动频率与磁场两种取向不完全与外磁场平行(1H,＝54º24′和125º36′)20H四、核磁共振吸收共振吸收：能级跃迁时电磁辐射频率与进动频率相等，给出信号00021H20H共振吸收条件自旋磁性核在外磁场发生能级裂分，跃迁发生在相邻两个能级间。200H照射频率与外磁场满足，照射频率与进动频率相等。讨论:共振条件：同一种核，磁旋比为定值，H0变，射频频率0变。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H0和射频频率0不同。固定H0，改变0（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振。也可固定0，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多（图）。200H扫描方式：扫频——固定磁场，线性改变频率扫场——固定频率，线性改变磁场0H0低场高场吸收能量信号“扫场”方式：固定频率，线性改变磁场，当H0与ν0正好满足共振条件时，自旋核吸收能量，自旋取向改变，给出吸收信号。低场向左磁场强度向右高场CHCl3部分核的磁性质H0=1.4092T时，要使氢核跃迁，须使用60MHz无线电波。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz五、自旋弛豫hh低能态（基态）E0高能态（激发态）Ei弛豫：高能态释放能量而返回低能态的过程。——使低能态维持多数，保证信号不会中止KTrhHKTEeenn201H为例。H0=1.4092T（60MHz核磁共振谱仪），T=27℃（300K）时，两个能级上的氢核数目之比为99999.03001038.114.324092.11068.21063.62/12/123834enn提高H0和降低工作温度T,可减小n-1/2/n+1/2，提高观察NMR信号的灵敏度。低能态核n+和高能态核n－的比例服从Boltzmann分布：高能态核低能态核nn:•如果高能态的核不能通过有效途径释放能量回到低能态，低能态核总数就会越来越少，一定时间后，高低能态的核数相等，这时不会再有射频吸收，共振信号完全消失，这种现象称为饱和。如果照射的射频电磁波强度过大或照射时间过长，就会出现饱和现象hh低能态核（基态）E0高能态核（激发态）Ei自旋-晶格弛豫（spinlatticerelaxation）自旋弛豫的形式又称纵向弛豫，为自旋核与周围分子交换能量的过程，其寿命用T1表示。12低能级高能级21低能级高能级T1愈小、弛豫效率愈高，有利于NMR信号测定。液体及气体样品：T1很小，仅几秒钟固体样品：T1很大，甚至需几小时——测定NMR时一般多采用液体试样12低能级高能级21低能级高能级自旋弛豫的形式自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）也称横向弛豫，为自旋核与自旋核能量交换的过程。其寿命用T2表示。气体及液体样品：T2为1秒左右固体及粘度大的液体：T2很小，只有10-4-10-5秒T1和T2是解析物质化学结构的一个重要参数第二节核磁共振仪器结构及组成一、连续波（CW）核磁共振仪样品管连续波（CW）核磁共振仪结构示意图通过高频交变电流产生稳定的电磁辐射接受线圈中产生的共振感应信号提供恒定、均匀的磁场；记录核磁共振谱图硼硅酸盐玻璃制成，测量过程中旋转使磁场作用均匀二、傅里叶变换核磁共振仪（PFT-NMR）化学位移（ppm）提高了仪器的灵敏度；提高了测量速度；FT-NMR具有如下优点：FT-NMR工作原理：当样品经射频脉冲照射后接受线圈感应得到含有样品结构信息的干涉图，经傅里叶变换后得频域核磁共振谱图。1Hfreq.Year(toappear)Price（＄）600MHz14.09T1987800K800MHz18.79T19962000K900MHz21.14T20014500K950MHz20058500K1000MHz200916,000K布鲁克（Bruker）公司核磁共振仪SampleXpressTM是布鲁克公司最新产品之一。可以采用各种长度的样品管（100-190mm）,其最高频率达800M。Ascend核磁共振谱仪由Ascend提供的1HNMR谱图采用先进的超导技术，最高频率达700-850MHz，具有先进的磁场稳定功能。最新软件TopSpinTM:集测试、数据处理及结构模拟等功能。Avance1000核磁仪世界第一台采用永久超导磁场技术的频率高达1000MHz核磁共振谱仪，于2009年11月在法国里昂安装成功。Solid-StateDNP-NMRSpectrometer263GHzAVANCE™III世界第一台商品级高分辨率固态核磁谱仪，尤其适合生物分子分析。431、样品管核磁样品管及清洗器匀质，清洁，不携带铁磁性物质不要用洗液洗涤，以免带入顺磁杂质不要在温度太高的烘箱里直立烘太久避免烘干过程导致其变形三、核磁共振实验技术2、测试溶剂1H谱的理想溶剂是四氯化碳或二硫化碳。此外，常用的其他溶剂有氯仿、丙酮、二甲基亚砜、苯以及氘代试剂等。三、核磁共振实验技术常用试剂1H化学位移（ppm）13C化学位移（ppm）四氯化碳--96.0二硫化碳--192.3二氧六环3.767.4环己烷1.4327.5DMF2.9、3.0、8.931、36、162.4氘代氯仿7.2677氘代丙酮2.1729.2、204.13、基准物质样品基准物内标法外标法基准物样品为测定化学位移需加入一定的基准物质，对于氢谱或碳谱，最常用的基准物质是四甲基硅烷。三、核磁共振实验技术4、样品溶液的配置样品溶液配制过程应考虑以下四方面：溶解性所选溶剂应确保能均匀溶解测试样品。溶剂峰位置应避免溶剂峰位置与样品峰重叠出现。溶液浓度浓度一般为5-10%，需纯样品15-30mg。测试温度结合测试温度需要选择合适沸点或凝固点的溶剂。三、核磁共振实验技术5、核磁分析的一般步骤核磁管的准备选择合适规格核磁管，确保干净、烘干。样品溶液配制选择合适溶剂，控