核磁共振波谱分析

1核磁共振波谱分析引言1945年，美国哈佛大学和斯坦福大学的几位学者，各自独立观察到一般状态下物质的核磁共振现象，1952年由此获得诺贝尔物理奖。1953年世界上第一台商品化NMR谱仪研制成功(30MHz)，1964年第一台超导磁体的NMR谱仪研制成(200MHz)，1976年Ernst等人确立了二维谱的理论基础，1991年Ernst教授因其在脉冲付立叶变换NMR和二维NMR方面的杰出贡献而获当年诺贝尔化学奖。2000年在900MHz谱仪上获得NMR谱图。30MHz=0.7T(泰斯勒tesla)=7000高斯(Gauss)200MHz=4.7T=47000高斯400MHz=9.4T=94000高斯10000高斯=1T2核磁共振谱仪的主要组成部分1.提供外磁场B0的磁铁2.产生射频场B1的谱仪部分3.用于控制及数据处理的计算机三者构成一个整体——核磁共振谱仪(1)超导磁体——铌-钛合金绕成的螺管线圈，置于盛有液氦的超低温杜瓦瓶中，通过一定电流产生强磁场，在接近绝对零度的温度时，螺管线圈内阻几乎为零，成为超导体，消耗的功率也接近零，断绝电源后，超导电流仍保持循环流动，形成永久磁场。(2)波谱仪射频发生器N探头S接收机FIDNMR谱数摸转换D/AFT计算机模数转换A/D探头是NMR谱仪的心脏，样品管放置其中，探头绕有线圈，射频源作用于样品线圈，把共振时样品线圈发生的变化转交给接收机。(3)数据处理系统FID－freeinductionedecay自由感应衰减FT－Touriertransferm付立叶变换3一、核磁共振基本原理核磁共振研究对象为具有磁矩的原子核。只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。原子核的自旋运动与自旋量子数Ⅰ相关。Ⅰ=0的原子核没有自旋运动，Ⅰ0的原子核才有自旋运动。在此主要讨论Ⅰ=1/2的1H，13C，19F，31P……当原子核自旋量子数Ⅰ非零时，它具有自旋角动量P。具有自旋角动量的原子核具有磁矩，与P之间存在下列关系：=γP，γ称为磁旋比，是原子核的重要属性，是原子核磁性大小的度量，γ值大表示原子核的磁性强，反之亦然。在天然同位素中，以氢原子核(质子)的γ值最大(26.7)，因此检测灵敏度最高，这也是质子首先被选择为NMR研究对象的重要原因之一。氢、碳、氟和磷核的若干性质同位素自旋量子数(Ⅰ)自然丰度(％)共振频率*（MHz）磁旋比(γ)1H1/299.9842.57726.75313C1/21.10810.7056.72819F1/210040.05525.17531P1/210017.23510.840*注：1特拉斯即1万高斯磁感强度下的共振频率磁旋比(magnetogyricratic)旋磁比(gyromagreticratic)4具有一定磁矩的自旋核在外磁场B0的作用下，此核将同外磁场形成一角作进动运动(拉莫尔进动)。o=γB0o为角频率这就是核磁共振的基本方程在同外磁场B0垂直方向施加一旋转磁场B1(射频场)于进动核，如B1的旋转频率同核的进动频率o相等时满足(o=γB0)，此进动核可自B1吸收能量，由低能态跃迁至高能态，这称为核磁共振现象。因此，所谓“核磁共振”就是：处于静磁场中的核自旋体系，当其拉莫尔进动频率与作用于该体系的射频场频率相等时，所发生的吸收电磁波的现象。在特定的谱仪中，γ的差异使不同的核具有不同的观测频率。进动核吸收外界能量由低能态跃迁到高能态，波兹曼分布被破坏。此时，被激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去，使核从高能态回到低能态，这一过程称为弛豫。它是一个物理学的概念，指一个体系由不平衡状态恢复到平衡状态的过程。它的存在是核磁共振现象在发生后得以保持而产生波谱的必要条件。否则，信号一旦产生将很快达到饱和而消失。按量子力学原理，自旋核(即它的磁矩)在外磁场中的取向是不同的。自旋为I的核在外磁场中可有(2I+1)个取向，每种取向各对应一定的能量。就质子（I＝1/2）而言，可以有两种取向，可用磁量子数m描述。顺磁方向m=+1/2，能量较低；逆磁方向m=－1/2，能量较高。51.化学位移(chemicalshift)某种核由于所处的化学环境不同，核的共振频率也不同，因而它的谱线出现在谱图的不同位置上即化学位移。是一个相对值(单位是ppm，百万分之一),与磁场强度无关，规定以TMS(四甲基硅烷)的峰为原点，同绝大多数有机化合物比较，TMS共振磁场最高，不同官能团的原子核谱峰位置相对于原点的距离，反应了它们所处的化学环境。的定义如下：υ样品－υ标准=×106υ标准υ=共振频率在不同仪器条件下，所表示的磁场或频率的绝对值是不同的。对氢而言：υ=60MHz时1ppm=60Hzυ=400MHz时1ppm=400Hz对同一种同位素的原子核来说，由于核所处的化学环境不同，其共振频率会有变化，这是因为核外电子对原子核有一定的屏蔽作用。σ称为屏蔽常数，它反映核外电子对核的屏蔽作用的大小，也反应了核所处的化学环境，可用下式表示：σ=σd+σp+σa+σsσd反映抗磁屏蔽的大小。氢核外s电子在外加磁场的感应下产生对抗磁场，使原子核实受磁场稍有降低，此屏蔽称为抗磁屏蔽，氢原子的电子密度呈球形分布，其主要贡献为σd。σp反映顺磁屏蔽的大小。原子核外电子运动受阻，电子云呈非球形，所产生的磁场和抗磁效应方向相反，称为顺磁屏蔽，6是p.d电子的主要贡献，13C、19F等原子外围存在p电子、d电子，电子云分布不再是球形对称，相应产生大的顺磁位移。例如1H为～20ppm，13C为～300ppm。σa表示相邻基团的磁各向异性的影响(电子云分布不是球形对称，则将在各个方面产生不同的第二磁场——磁各向异性效应)。σs表示溶剂，介质的影响。结论：对所有的同位素，σd、σp的作用大于σa和σs。对1H，只有σd，但对1H以外的同位素，σp比σd重要的多。影响化学位移的因素：(1)原子屏蔽原子的屏蔽可以指弧立原子的屏蔽，亦可指分子中原子的电子壳层的局部磁屏蔽，称为近程屏蔽。σds电子，其电子云分布为球形对称，不论它以什么方向接近外加磁场，所感应出的次级磁场的方向总是与外磁场相反，从而表现出抗磁性。σpp电子，具有方向性，在外磁场作用下，电子云只能绕其对称轴旋转，自身便有了磁矩，从而表现出顺磁性。(2)分子内的屏蔽分子内的屏蔽指分子中其他原子或原子团对所要研究的核的磁屏蔽作用，分子结构对化学位移的影响，主要也表现在这里。(3)分子间的屏蔽7分子间的屏蔽指样品中其他分子对所要研究的分子中的核的磁屏蔽作用。核屏蔽原子的屏蔽:抗磁屏蔽以S电子为主(1H)顺磁屏蔽以P电子为主(13C、19F、31P……)分子的屏蔽:分子内屏蔽1.诱导效应2.共轭效应3.氢键效应4.范德华效应5.磁各向异性效应6.顺磁效应分子间屏蔽1.溶剂效应2.介质磁化率效应3.氢键效应4.顺磁效应2.自旋-自旋偶合(spin-spincoupling)自旋偶合是同一分子的磁性核间通过连接这些核的价电子相互传递自旋状态信息的过程。自旋偶合所引起的谱线称之为裂分，在干扰作用很弱时，谱线裂分的宽度是偶合常数J(单位是Hz)，干扰作用较强时，偶合常数不能直接从裂分宽度测得。核的相互偶合是通过一根键，二根键或三根键完成的。氢谱中两个氢核通过四根(4J)或五根(5J)键的偶合称之远程偶合，碳谱中2J以上即为长程偶合。自旋偶合是通过成键电子完成的，它与外加磁场强度无关，也较少受外界条件如溶剂、温度、浓度等的变化的影响。8谱线的裂分数目取决于邻近核的数目和自旋量子数。N=2nI+1N是谱线裂分数目，n是邻近核的数目I是邻近核的自旋量子数当I=1/2时，N=n+1，称为“n＋1规律”，这是解释氢谱裂分的重要规则，同时也适用于I=1/2的其他核。下面以—CH2CH3基团的NMR裂分为例来说明“n＋1规律”是怎样产生的。先看CH3谱线是怎样裂分的。与CH3邻近的是CH2，有两个H，H核的自旋量子数为1/2，每个H核在磁场中有两种可能的取向；当自旋取向与外磁场B0一致时(顺磁)，m=+1/2，用表示；当自旋取向与外磁场B0相反时(逆磁)，m=－1/2，用表示。那么，处于同一磁场中的两个H相互作用时，其自旋取向共有多少种排列组合方式？二核体系核自旋的排列组合方式组合方式m几率CH3处磁场变化+11增强、02不变-11减弱从表中可以看出有三种组合方式，相当于m等于+1，0，-1，而每种方式出现的几率为1:2:1。第一种方式，两个H核自旋取向与B0相同，因而在CH3处产生的局部磁场与B0相同，二者相互加强，从而使CH3的共振峰向低场方向移动；第二种方式，两个H核自旋取向相反，在CH3处产生的局部场为零，CH3的共振峰位置不变；第三种方式的情形与第一种方式相反，CH3共振峰向高场方向移动。这样一来，CH3谱线不再是一条，而是裂分成三条，9每条谱线的相对强度与每种方式出现的几率成正比，即1:2:1。下面讨论CH2谱线的裂分情况。与CH2邻近的是CH3基团，CH3中的三个H自旋的排列组合方式列表如下。三核体系核自旋的排列组合方式组合方式m几率CH2处磁场变化+3/21增强多，，+1/23增强少，，-1/23减弱少-3/21减弱多从表中可见四种排列组合方式，相应于m为+3/2，+1/2，-1/2，-3/2，每种方式出现几率为1:3:3:1，因此谱线裂分为四条，强度之比为1:3:3:1。从上述二核，三核体系不难看出，谱线强度之比遵循二项式(a+b)n的系数规则，n为体系中的核数。影响偶合常数的因素：⑴A、B两核之间的偶合常数与其磁旋比的乘积成正比。⑵随着原子序的增加，核周围电子密度增加，因而传递能力增加，偶合常数增大。例如：CH4JC-H＝125HzH3PJP-H=182HzPF3JP-F=1410Hz⑶随着核之间相隔化学键数目的增加，其相互间的偶合减弱，偶合常数变小。苯环邻位氢的偶合JH-H＝8Hz,间位氢偶合JH-H＝1.7Hz,对位氢偶合JH-H＝0.5Hz。⑷化学键的类型不同，传递偶合能力不同。多重键传递偶10合能力比单键强，因而偶合常数也较大,π键的传递能力比σ键强。例如：饱和烷烃3JH－H＝7－9Hz烯烃3JH－H＝11.6Hz⑸化学键的电子云分布，与偶合常数有密切关系。1JC－H与杂化轨道s电子的关系分子1JC－H(Hz)杂化轨道s％CH3－CH3124.9sp325.0CH2=CH2156.4sp233.3CH=CH248.7sp50.0随着碳原子杂化轨道s电子的增加，1JC－H明显增加。(6)键角与偶合常数有关乙烯的分子结构，在反式的情形下，两个C－H平行，θ＝0。或180。，在顺式情形下，θ＝60。。CHHCHH3J顺＝11.6Hz3J反＝19.1Hz偶合常数有正负之分，直链烷烃的一般规律：隔单数键的偶合常数nJ0(n为奇数)，隔双数键的偶合常数nJ0(n为偶数)。自旋取向、体系的能量决定偶合常数的正与负。有偶合作用的两核，若它们取向相同时，能量较高，J0，取向相反时，能量较低，J0。这种差别在能量图上可显示，但在一般的NMR谱图上观察不到。11溶剂的选择：常用的氘代溶剂有，丙酮、二甲亚砜、甲醇、吡啶、氯仿、三氟醋酸等。在核磁共振实验中，选择适当的溶剂是非常重要的。(1)样品在溶剂中的溶解度要好，否则会影响谱图的质量。(2)样品峰与溶剂峰的化学位移值尽量互不干扰。(3)样品与溶剂不会相互作用起反应。常用氘代溶剂的化学位移和多重性溶剂含H基团HcCDCl3CH7.28(单峰s)77.0(三重峰t)(CD3)2COCD2H2.05(五重峰quintet)29.8(七重峰septet)206.5D2OHDO5.3(单峰)DMSO-d6(CD3)2SOCD2H2.5(五重峰)39.7（七重峰)CD3ODCD2H3.3(五重峰)49.0(七重峰)注：质子和氘(2nD+1)氘(I=1)碳和氘(2nD+1)12二、核磁共振氢谱核磁共振氢谱能提