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第8章 核磁共振波谱法 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) 8.1核磁共振的基本原理 (Principles of Nuclear Magnetic Resonance) 8.2核磁共振波谱仪 (Nuclear Magnetic ResonanceSpectrometer) 8.3核磁共振波谱法的应用 (Applications of NMR) 8.4其他核的核磁共振波谱 (NMR of Other Nuclei),发展历史,1924年Pauli W.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂 1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell 独立证实了上述假设。获Nobel Prize 1956年，第一台NMR仪器FT-NMR 1991年，Ernst 对高分辨核磁共振方法发展（获Nobel Prize） 2002年 （生物大分子的核磁分析）,Nobel Prizes,1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的布洛赫（Felix Bloch，19051983）和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔（Edward Purcell，19121997），以表彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。 1991年R.R. 恩斯特（瑞士人） 发明了傅里叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术 2002年诺贝尔化学奖 授予瑞士科学家库尔特 维特里希，发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法“,选择生物大分子中的质子(氢原子核)作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。,生物大分子,应用之 医学,磁共振成像（MRI）&计算机断层摄影技术（CT） 三维空间多层面多方位的对人体内的病变及人体结构进行研究 1H-MRS（质子核磁共振波谱 ）用于检测体内多种微量代谢物,应用之 环保,控制柴油车尾气污染 安装环保引擎增效器 “所有物质都存在内部振动，包括在燃油中碳氢键” 节油和控制尾气污染,应用之 地质,核磁共振测井 利用弛豫时间可以计算重要的石油测井参数,应用之 合成,1H NMR 13C NMR 判断和鉴定有机合成物结构、构象，研究结构与性质的关系，给出合成物的谱峰归属及结构表征 利用谱峰的峰面积定量分析所测定基团的含量 利用化学位移差值研究电荷分布以及与定位效应的关系 进行有机合成过程分析和过程变化分析 药物分析与产品分析以及中间体质量控制,原子核不是一个质点而有电荷分布 有自旋角动量和磁矩 原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象 原子核是自然界安排在物质内部的极小探针,81 核磁共振的基本原理,(一）自旋核在磁场中的行为 1能级分裂 1)量子力学模型 假设一个核围绕经核心指定轴进行自旋，其自旋角动量为p，而自旋角动量的状态数由该核的自旋量子数I决定，共有2I+1个、取值为I、I一1、 、一I在无外磁场存在时各状态的能量相同。,质量数 原子序数 自旋量子数I 偶数 偶数 0 偶数 奇数 1，2，3. 奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2.,自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：,讨论:,(1) I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（32）等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。 (2) I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I,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)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。,(2)经典力学模型 经典力学模型认为，对于一个具有非零自旋量子数的核由于核带正电荷，所以在其旋转时会产生磁场。当这个自旋核置于磁场中时，核自旋产生的磁场与外加磁场相互作用，就会产生回旋，称为进动(procession)。进动的频率与自旋质点角速度及外加磁场的关系可以用Larmor方程表示即,2能级分布与弛豫过程,若用足够强的辐射照射质子，则较低能态的过量核减少会带来信号减弱甚至消失，这种现象称为饱 和(saturated)。但若较高能态的核能够及时返回到低能态则可以保持信号稳定这种由高能态回复到低能态的过程称为弛豫(relaxation)。,驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程,自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。 自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变，速率1/T2，T2为自旋自旋时间。 驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫时间成反比。 饱和：高能级的核不能回到低能级，则NMR信号消失的现象。,(二)核磁共振中环境因素的影晌 1化学位移,屏蔽效应化学位移的根源,磁场中所有自旋核产生感应磁场，方向与外加磁场相反或相同，使原子核的实受磁场降低或升高，即屏蔽效应。,H核=HO（1-）,其中H核表示氢核实际所受的磁场，为屏蔽常数 分类：顺磁屏蔽，抗磁屏蔽,化学位移的表示 ：单位ppm,标准：四甲基硅（TMS），=0，（如以表示，=10，=10+）,用TMS作标准是由下列几个原因： (i)TMS中12个氢核处子完全相同的化学环境中，它们的共振条件完全一致，因此只有一个尖峰。 (ii)IMS中质子的屏蔽常数要比大多数其他化合物中质子的大，只在图谱中远离其他大多数待研究峰的高磁场(低频)区有个尖峰。 (iii)TMS是化学惰性的，易溶于大多数有机溶剂中且易于用蒸馏法从样品中除去(bp=27). 在含水介质中要改用3三甲基硅丙烷磺酸钠 而在较高温度环境中使用六甲基二硅醚,常见的各种1H的化学位移如下：,2影响化学位移的各种因素,(1)诱导效应 由于电负性基团如卤素、硝基、氰基等存在，使与之相接的核外电子云密度下降从而产生去屏蔽作用，使共振信号向低场移动。在没有其他因素影响的情况下屏蔽作用将随可以导致氢核外电子云密度下降的元素的电负性大小及个数而相应发生变化,(2)共轭效应 与诱导效应一样共轭效应亦可使电子云密度发生变化，从而使化学位移向高场或低场变化。,由于邻对位氧原子的存在，右图中双氢黄酮的芳环氢ab的化学位移为6.15ppm通常芳环氢化学位移大于7ppm。,(3)磁各向异性效应 如果在外场的作用下、一个基团中的电子环流取决于它相对于磁场的取向，则该基团具有磁各向异性效应。而电子环流将会产生一个次级磁场(右手定则)这个附加磁场与外加磁场共同作用，使相应质子的化学位移发生变化。,叁键 ：键轴向为屏蔽区，其它为去屏蔽区。,羰基平面上下各有一个锥形的屏蔽区，其它方向（尤其是平面内）为去屏蔽区。,单键,(4)氢链 当分子形成氢键时氢键中质子的信号明显地移向低磁场，使化学位移变大。一般认为是由于形成氢键时，质子周围的电于云密度降低所致。对于分子间形成的氢键，化学位移的改变与溶剂的性质及浓度有关。,绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场。,如下面化合物4个羟基的均可以形成氢键，按照氢键由弱到强的顺序，逐步增大。,乙醇的羟基随浓度增加，分子间氢键增强，化学位移增大,溶剂效应 ：溶剂不同使化学位移改变的效应,3自旋偶合及自旋分裂,在磁场中有两个自旋取向，而这些自旋取向会产生局部磁场而对邻近核产生干扰。两种核的自旋之间产生的相互干扰称为自旋自旋偶合，简称为自旋偶合。相互干扰的大小用偶合常数表示。由自旋偶合所引起的谱线分裂的现象称为自旋自旋分裂，简称自旋分裂。,一级自旋-自旋裂分规则,当I=1/2时，自旋裂分峰数目服从n+1规则。 1. n+1规则：当某基团上的氢有n个相邻的氢时，它将显示n+1个峰，各峰的高度比基本为二项式的各项系数比,偶合常数,偶合常数反映两核之间自旋偶合作用大小的量度，用J表示。 J常常等于两裂分峰之间的裂距，一般在20Hz以下。 偶合常数也是重要的结构信息。例如：,偶合常数的特点： J与H0无关。不同H0作用下或不同场强的仪器测得的J值相同。 两组相互干扰的核J值相同。 例如，CH2ClCHCl2中三重峰间裂距等于二重峰间裂距。 在复杂体系中，J裂距！解析图谱时，需进行繁杂的计算以求得和J。,较复杂图谱的简化 增加磁场 (ii) 同位素取代 (iii)自旋去耦 (iv)化学位移试剂,4化学交换的影响 (1)质子交换 (2)构象改变 (3)受阻旋转,82 核磁共振波谱仪 按工作方式，可将高分辨核磁共振波谱仪分为两大类：连续波核磁共振波谱仪及脉冲博里叶变换核磁共波振谱仪。 扫场法： 固定射频磁场频率，让Bz连续变化。 扫频法： 磁场Bz固定，让射频场频率连续变化。,(一) 连续波核磁共振波谱仪,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的玻璃管,测量过程中旋转, 磁场作用均匀。,(二)傅里叶变换NMR谱仪 采用在恒定的磁场中，在整个频率范国内施加具有一定能量的脉冲，使自旋取向发生改变并跃迁至高能态。高能态的核经一段时间后又重新返回低能态通过收集这个过程产生的感应电流，即可获得时间域上的波谱图。,83 核磁共振波谱法的应用 (一)化合物鉴定 1H-NMR的谱图解析 解析步骤 谱图中有几组峰？几种氢？ 各种氢核的个数？ 各峰的归属？ 常见结构的化学位移大致范围,解析实例,例1：C3H7Cl的NMR。,例2：下列谱图是否 的NMR？,所以，该图是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。,3.9(单峰) -OCH3,6.77.3 苯环氢,苯氢,与氧原子相 连的甲基氢,例3：下图与A、B、C哪个化合物的结构符合？,例4：芳香酮C8H7ClO的NMR谱。,(连在羰基上),例5：指出C6H5CH2CH2OCOCH3的NMR谱图中各峰的归属。,(苯氢),(与氧原子相连 的亚甲基氢),(与羰基相连 的甲基氢),(二)定量分析 核磁共振光 谱广泛用于化合物的结构分析，而其在化合物的定量分析中的应用则是比较新的内容，日益受到重视。,1定量参数：峰面积或峰高。 2定量的特点： 1）对于确定的核（质子），其信号强度与产生该信号的核（质子）的数目成正比，而与核的化学性质无关。 2）利用内标法或相对比较法分析混合物中某一化合物时，无需该化合物的纯品作为对照标准。,3）峰很窄，远小于各化合物之间的化学位移的差值，因而混合物中不同组分的信号之间很少发生明显的重叠。 4）方法简单快速、准确、专属性高，不破坏被测样品，可选择性的测定混合药物或药物制剂中的组分乃至药物的立体异构体。,3测定方法：选择一个合适的峰作为测量峰。 （1）内标法（绝对测量法） 内标法为NMR定量分析最常用的方法，它与GC的内标法相似，在样品溶液中，直接加入一定量内标物质后，NMR光谱测定，将样品指定基团上的质子引起的共振峰面积进行比较，当样品与内标均经精密称重时，则样品的绝对重量（Wu）可由下式求得：,Wu Au Eu Au Eu - = - - Wu = Ws- - Ws As Es As Es Wu 百分含量 = -100% W,84 其他核的核磁共振波谱,提供的是分于骨架信息化学位移范围达200，与质子NMR相比要宽得多同核耦合及自旋自旋分裂会发生，但观测不出有效地降低了图谱的复杂性,13C-NMR的化学位移,内标：TMS。以其中的13C核的化学位移为标准。 变化范围：0250ppm。 各种常见的13C核的化学位移如下：,13C-NMR的谱图,采取不同的去偶技术，可得到不同的13C-NMR图谱。常见的有宽带去偶谱、偏共振去偶谱、DEPT谱等。 下图是2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的13C 的宽带去偶谱：,(四) 电子自旋共振波谱法,ESR广泛