NMR(核磁共振)分析

第五章核磁共振波谱分析（NMR）1概述核磁共振波谱（NuclearMagneticResonancespectroscopy,NMR）类似于红外或紫外吸收光谱，是吸收光谱的另一种形式。核磁共振波谱是测量原子核对射频辐射（4～600MHz）的吸收，这种吸收只有在高磁场中才能产生。核磁共振是近几十年发展起来的新技术，它与元素分析、紫外光谱、红外光谱、质谱等方法配合，已成为化合物结构测定的有力工具。目前核磁共振波谱的应用已经渗透到化学学科的各个领域，广泛应用于有机化学、药物化学、生物化学、环境化学等与化学相关的各个学科。在化学领域中的应用１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型；２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用层析和纸层析检查不出来的杂质；３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能测定出混合物的比率；４质子交换，单键的旋转和环的转化等。5.2核磁共振基本原理5.2.1原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象，因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且磁矩与角动量成正比，即μ=γp(5.1)式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad·T−1·s−1，即核磁矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比，它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核磁子单位等于5.05×10−27J·T−1；p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表(5.2)式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。）（12IIhp自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系见表：质量数A原子序数Z自旋量子数INMR信号原子核偶数偶数0无12C616O832S16奇数奇或偶数½有1H1，13C619F9，15N7，31P15奇数奇或偶数3/2,5/2…有17O8，33S16偶数奇数1,2,3有2H1，14N7当I=0时，p=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I＞0时，p≠0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布，见图5.1（b）核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是NMR主要的研究对象。I＞1/2的原子核，自旋过程中电荷在核表面非均匀分布图5.1原子核的自旋形状有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振信号相对简单，已广泛用于有机化合物的结构测定然而，核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰度和旋磁比的立方成正比的，如1H的天然丰度为99.985%，19F和31P的丰度均为100%，因此，它们的共振信号较强，容易测定，而13C的天然丰度只有1.1%，很有用的15N和17O核的丰度也在1%以下，它们的共振信号都很弱，必须在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有用的信息。5.2.2自旋核在外加磁场中的取向数和能级按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取向数不是任意的，可按下式计算：自旋取向数=2I＋1以H核为例，因I=1/2，故在外加磁场中，自旋取向数=2（1/2）＋1=2，即有两个且自旋相反的两个取向，其中一个取向磁矩与外加磁场B0一致；另一取向，磁矩与外加磁场B0相反。两种取向与外加磁场间的夹角经计算分别为54024'（θ1）及125036'（θ2）。见图5.2图5.2H核在磁场中的行为应当注意，每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态，并可用磁量子数（m）来表示，它是不连续的量子化能级。m取值可由－I……0……＋I决定。例如：I=1/2，则m=−1/2，0，＋1/2；I=1，则m=－1，0，＋1。在上图中，当自旋取向与外加磁场一致时（m=＋1/2），氢核处于一种低能级状态（E=－μB0）；相反时（m=－1/2），氢核处于一种高能级状态（E=＋μB0）两种取向间的能级差，可用ΔE来表示：ΔE=E2－E1=＋μB0－(－μB0)=2μB0(5.3)式中：μ为氢核磁矩；B0为外加磁场强度上式表明：氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能量ΔE与外加磁场强度B0及氢核磁矩μ成正比图5.3能级裂分与外加磁场强度的关系同理，I=1/2的不同原子核，因磁矩不同，即使在同一外加磁场强度下，发生核跃迁时需要的能量也是不同的。例如氟核磁矩（μF）＜（μH），故在同一外加磁场强度下发生核跃迁时，氢核需要的能量将高于氟核5.2.3核的回旋当原子核的核磁矩处于外加磁场B0中，由于核自身的旋转，而外加磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为Larmor进动。原子核在磁场中的回旋,这种现象与一个自旋的陀螺与地球重力线做回旋的情况相似。换句话说：由于磁场的作用，原子核一方面绕轴自旋，另一方面自旋轴又围绕着磁场方向进动。其进动频率，除与原子核本身特征有关外，还与外界的磁场强度有关。进动时的频率、自旋质点的角速度与外加磁场的关系可用Larmor方程表示：ω=2πv=γB0（5.4）v=γ/2πB0（5.5）式中：ω—角速度；v—进动频率（回旋频率）；γ—旋磁比（特征性常数）由Larmor方程表明，自旋核的进动频率与外加磁场强度成正比。当外加磁场强度B0增加时，核的回旋角速度增大，其回旋频率也增加。对1H核来说，当磁场强度B0为1.4092T(1T=104)高斯时，所产生的回旋频率v为60兆赫（γ=26.753×107rad·T−1·s−1）；B0为2.3487T高斯时，所产生的回旋频率v为100兆赫。5.2.4核跃迁与电磁辐射(核磁共振)已知核从低能级自旋态向高能态跃迁时，需要一定能量，通常，这个能量可由照射体系用的电磁辐射来供给。如果用一频率为ν射的电磁波照射磁场中的1H核时，电磁波的能量为E射=hv射(5.6)当电磁波的频率与该核的回旋频率ν回相等时，电磁波的能量就会被吸收，核的自旋取向就会由低能态跃迁到高能态，即发生核磁共振。此外E射=ΔE，所以发生核磁共振的条件是:(5.7)或(5.8)可见射频频率与磁场强度B0是成正比的，在进行核磁共振实验时，所用磁场强度越高，发生核磁共振所需的射频频率越高。02BhγhvhvE射回02Bγvv回射5.2.5核的自旋弛豫前面讨论的是单个自旋核在磁场中的行为，而实际测定中，观察到的是大量自旋核组成的体系。一组1H核在磁场作用下能级被一分为二，如果这些核平均分布在高低能态，也就是说，由低能态吸收能量跃迁到高能态和高能态释放出能量回到低能态的速度相等时，就不会有静吸收，也测不出核磁共振信号。但事实上，在热力学温度0K时，全部1H核都处于低能态（取顺磁方向），而在常温下，由于热运动使一部分的1H核处于高能态（取反磁方向），在一定温度下处于高低能态的核数会达到一个热平衡。处于低能态的核和处于高能态的核的分布，可由玻尔兹曼分配定律算出。例如B0=1.4092T,T=300K时，则:式中：N+—处于低能态核的数目；N——处于高能态核的数目；△E—高低能态的能量差；K—玻耳兹曼常数；T—热力学温度。0000099.12//2/12/10eeThBkTENN对于氢核，处于低能态的核比高能态的核稍多一点，约百万分之十左右。也就是说，在1000000个氢核中，低能态的核仅比高能态的核多十个左右，而NMR信号就是靠这极弱量过剩的低能态氢核产生的。如果低能态的核吸收电磁波能量向高能态跃迁的过程连续下去，那么这极微量过剩的低能态氢核就会减少，吸收信号的强度也随之减弱。最后低能态与高能态的核数趋于相等，使吸收信号完全消失，这时发生“饱和”现象。但是，若较高能态的核能够及时回复到较低能态，就可以保持稳定信号。由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量△E是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量返回到低能态（如发射光谱那样），这种由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程称为驰豫（relaxation）过程驰豫过程可分为两种：自旋—晶格驰豫和自旋—自旋驰豫（1）自旋—晶格驰豫（spin-latticerelaxation）：自旋—晶格驰豫也称为纵向驰豫，是处于高能态的核自旋体系与其周围的环境之间的能量交换过程。当一些核由高能态回到低能态时，其能量转移到周围的粒子中去，对固体样品，则传给晶格，如果是液体样品，则传给周围的分子或溶剂。自旋—晶格驰豫的结果使高能态的核数减少，低能态的核数增加，全体核的总能量下降。一个体系通过自旋—晶格驰豫过程达到热平衡状态所需时间，通常用半衰期T1表示，T1是处于高能态核寿命的一个量度。T1越小，表明驰豫过程的效率越高，T1越大，则效率越低，容易达到饱和。T1的大小与核的种类，样品的状态，温度有关。固体样品的振动、转动频率较小，不能有效地产生纵向驰豫，T1较长，可以达到几小时。对于气体或液体样品，T1一般只有10−4~102s。（2）自旋—自旋驰豫（spin-spinrelaxation）：自旋—自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液体样品，T2约1s。自旋—自旋驰豫虽然与体系保持共振条件无关，但却影响谱线的宽度。核磁共振谱线宽度与核在激发状态的寿命成反比。对于固体样品来说，T1很长，T2却很短，T2起着控制和支配作用，所以谱线很宽。而在非粘稠液体样品中，T1和T2一般为1s左右。所以要得到高分辨的NMR谱图，通常把固体样品配成溶液进行测定。5.3核磁共振波谱仪与实验方法5.3.1仪器原理及组成我们知道，实现NMR即满足核跃迁的条件是：△E（核跃迁能）=△E，（辐射能）即2μB0=hv实现核磁共振的方法，只有以下两种：（1）B0不变，改变v方法是将样品置于强度固定的外加磁场中，并逐步改变照射用电磁辐射的频率，直至引起共振为止，这种方法叫扫频（frequencysweep）。（2）v不变，改变B0方法是将样品用固定电磁辐射进行照射，并缓缓改变外加磁场的强度，达到引起共振为止。这种方法叫扫场（fieldsweep）。通常，在实验条件下实现NMR多用2法。核磁共振波谱仪主要由磁铁、射频振荡器、射频接收器等组成（1）磁铁可以是永久磁铁，也可以是电磁铁，前者稳定性好。磁场要求在足够大的范围内十分均匀。当磁场强度为1.409T时，其不均匀性应小于六千万分之一。这个要求很高，即使细心加工也极难达到。因此在磁铁上备有特殊的绕组，以抵消磁场的不均匀性。磁铁上还备有扫描线圈，可以连续改变磁场强度的百万分之十几。可在射频振荡器的频率固定时，改变磁场强度，进行扫描。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.4T，这相应于氢核的共振频率为100MHz。对于200MHz以上高频谱仪采用超导磁体。由含铌合金丝缠绕的超导线圈完全浸泡在液氦中间，对超导线圈缓慢地通入电流，当超导线圈中的电流达到额定值（即产生额定的磁场强度时），使线圈的两接头闭合，只要液氦始终浸泡线圈，含铌合金在此温度下的超导性则使电流一直维持下去。使用超导磁体，可获得10~17.5T的磁场，其相应的氢核共振频率为400~750MHz。（2）射频振荡器射频振荡器就是用于产生射频，NMR仪通常采用恒温下石英晶体振荡器。射频振荡器的线圈垂直于磁场，产生与磁场强度相适应的射频振荡。一般情况下，射频频率是固定的，振荡器发生60MHz（对于1.409T磁场）或100MHz（对于2.350T磁场）的电磁波只对氢核进行核磁共振测定。