第六章核磁共振波谱法

1、第6章 核磁共振波谱法 (NMR)Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy第一节 概述一、什么是NMR NMR的研究对象磁性核与电磁波的相互作用磁性核在磁场中磁性核：109种元素所有的核均带电荷，有些核具有角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺)磁棒在磁场中图示：磁性核在外加磁场中的行为图1: (1)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(2)放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行图2: (1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差E=h。用能量等于E的电磁波照射

2、磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不不同同频频率率频率频率强强度度二、NMR发展简史p1924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p 1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了上述假设。获Nobel Prizep 1953年，第一台NMR仪器FT-N

3、Mp 1971年，Jeener首次提出二维核磁共振；p 19751976年间R.Ernst从理论和实践两方面对2D NMR进行了深入的研究，获1991年Nobel Prizep 2002年K. Wthrich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,获2002年Nobel Prize1944: I. Rabi1952: F. Bloch 1952：E.M. Purcell1955: W.E. Lamb 1955：P. Kusch1964: C.H. Townes1966: A. Kastler1977: J.H. Van Vleck 对对NMR作过贡献的作过贡献的15位位Nob

4、el奖得主奖得主1981: N. Bloembergen1983: H. Taube1989: N.F. Ramsey1991: R.R. Ernst2002: Kurt Wthrich14. 2003：Paul Lauterbur15. 2003：Peter Mansfield三、设计NMR仪器的关键考虑a) NMR产生的外因：外加磁场b) NMR信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定c) 样品的吸收频率范围：无线电电磁波d) NMR谱记录：吸收峰频率(化学位移）与峰强度的关系300M核磁600M核磁第二节 核磁共振理论基础一、 核磁共振的产生1、 磁性核和非磁性核自旋角动量与磁矩磁矩

5、 原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距距。磁距磁距与自旋角动量与自旋角动量 P P成正比，比例成正比，比例常数为常数为 ： = = P P 称为磁旋比，是原子核的重要属性（称为磁旋比，是原子核的重要属性（见见下页图下页图）。）。但是，不是所有的原子核都有磁性。但是，不是所有的原子核都有磁性。自旋量子数为 1/2 的常用核的 NMR 性质同位素核磁旋比(radius T-1s-1)天然丰度(%)相对灵敏度1H2.6810899.981.0013C6.731071.110.01615N-2.710

6、70.3719F2.52108100.000.8331P1.08108100.000.066经验规律：（1） 原子核的总核自旋角动量P为零，此类核无NMR信号。如4He, 12C, 16O，质子数与中子数相等。（2）自旋角动量P P不为零，称为磁性核： I 0 I 0的核为磁性核，可以产生NMR信号。 I = 0的核为非磁性核，无NMR信号。1)I(I2hP自旋角动量P P是量子化的，可用自旋量子数I表示。I为整数、半整数或零。原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I的经验规则：pp与n同为偶数，I = 0。如 12C, 16O, 32S等。pp + n =奇数，I =半整数(1/2,

7、3/2等)。p 如 1H, 13C, 15N, 17O, 31P等。pp与n同为奇数，I =整数。如2H, 6Li等。 I 0的核为磁性核，可以产生NMR信号。 I = 0的核为非磁性核，无NMR信号。I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系原子序数 Z质量数 A自旋量子数 I例奇、偶奇半整数I=1/2 1H; 13C; 15N;19F; 31P; 77Se 等I=3/2 7Li; 9Be;11B; 33S; 35Cl; 37Cl等I=5/2 17O; 25Mg;27Al; 55Mn

8、 等奇偶整数I=1 2H; 6Li; 14N 等I=2 58CoI=3 10B偶偶零12C; 16O; 32S 等2 2、核磁共振的频率、核磁共振的频率磁距磁距与磁场与磁场B B0 0的相互作用能的相互作用能 E E 为为E = - E = - B B0 0 = = P PB B0 0原子核间进行能级跃迁的能量为原子核间进行能级跃迁的能量为00212122BhmBhEEE（选律（选律 m = m = 1 1） = B0 0 /2 自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系 (a)地球重力场中陀螺的进动 (b)磁场中磁性核的进动核的进动圆频率： = 2 = B B0核磁共振的产生静磁场中，磁性核存

9、在不同能级。用一特定频率的电磁波(能量等于E)照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。 E =h = (h/2) B0 = B0 /2核磁共振的基本方程式核磁共振的基本方程式讨论：（1）磁场固定时，不同频率的电磁波可使不同的核(不同)产生共振；（2）同样的核(一定)，改变磁场时，吸收频率不同。不同核的NMRB0 = 2.35T核天然同位素存在比(%)E (J) (MHz)1H99.986.6 x 10-2610013C1.1*1.7 x 10-262519F1006.2 x 10-269431P1002.7 x 10-2640.514N99.630.5 x 10-26715N0

10、.37*0.6 x 10-261017O0.037*0.9 x 10-2613.5*天然丰度越低，测定越困难。B0 = 2.35T（特士拉）： = 25MHz时，13C共振；分别为100MHz、94MHz、40.5MHz时，可分别观测1H, 19F, 31P核的吸收。磁性核的共振频率与外加磁场成比例： B B03、 驰豫过程 Relaxation Process 热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布N / N= exp(- E / kT) E =h = h B0 /2N / N = exp(-h B0 /2kT)N ：高能级的原子核数N ：低能级的原子核数k：Boltzmann常

11、数，1.3810-23JK-1若1 1H H 核，B0 = 4.39T, 20C时，则：N / N = exp-(2.681086.6310-344.39) / (21.3810-23293) = 0.999967对于106个高能级的核，低能级核的数目： N = 106/ 0.999967 = 1,000,033(a)核在态与态间达到热平衡的状态。(b)比(a)处于高热能的状态，不再有热平衡(c)两能级间原子核数目相等的饱和状态，在驰豫之前不再有净能量吸收驰豫过程：饱和状态时观测不到NMR信号。要观测到净能量吸收，必须有核从态返回态，此即驰豫过程。即必须保持上图的(a)或(b)状态。 自旋-晶

12、格驰豫(spin-lattice relaxation)：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋-晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋-晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋-晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋-晶格驰豫的时间用T1表示。 自旋-自旋驰豫(spin-spin relaxation)：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间(寿命)改变。自旋-自旋驰豫的时间用T2表示。驰豫的两种方式：4、NMR信号的灵敏度N /

13、N = exp( E / kT) = exp(h B0 /2kT)由于 E / kT很小， N / N 1+ E / kT = 1+h B0 /2kT N B0，即：低能级核的数目与磁场强度呈线性关系，NMR信号的强弱随磁场强度成比例增加53年第一台仪器：B0 =0.7T，1H共振于30MHz93年前后，用于NMR的超导磁体场强达17.5T，1H共振于750MHz化学系200MHz； 300MHz； 600MHz；生物系500MHzNMRNMR能检测的原子能检测的原子思考题 目前核磁共振仪器主要用于研究氢谱。按照公式： = B0 /2所有化合物的氢谱都是一样的，怎么能用于研究物质分子的结构？二

14、、 核磁共振参数 1、 化学位移 chemical shift核磁共振条件: = B0 /2。依此公式，只有单个质子峰未考虑核外电子云的影响。实际上质子受到屏蔽作用氢核实际所受的磁场为：B0 = (1-) B0 = B0/ 2 = (1-) B0/ 2 ：屏蔽常数即：1H核所处的化学环境不同，不同，也不同。特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的化学位移化学位移，用(ppm)表示。乙醇的氢谱)ppm(106标标样乙醇的氢谱1H-NMR： TMS13C-NMR： TMS14N, 15N-NMR： 液NH317O-NMR： H2O19F-NMR： CFCl331P-NMR： 85%

15、H3PO4SiCH3CH3H3CCH3NMR标准物质的选择标准秃核(无屏蔽作用)或电子云密度非常大的核(屏蔽作用非常大， = 0)，例如：TMS 四甲基硅烷TMS的优点优点1）单峰：TMS中所有质子等同，只有一个吸收峰2）TMS的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大(电子云密度大)， 处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物H核的共振频率都 在左侧3）一个分子中有12个等价H和4个等价C，故加入低含量如1-5% v/v 的TMS可得到足够强的尖峰。4）TMS稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低(b.p. = 27C)，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。5）TMS不溶于水，对于水溶液，有D

16、DS和TSP-d4等钠盐替代 品。它们的甲基H在几乎与TMS相同的位置出峰，亚甲基H 出一系列小峰，市售亚甲基H均为氘代产品。思考题 采用高分辨的核磁共振谱仪获得的光谱发生谱线分裂现象，为什么？2、自旋-自旋耦合spin-spin coupling核自旋通过成键电子与附近相邻磁性核自旋间的相互作用所引起的NMR谱线分裂现象。以下列分子结构单元为例分析谱线裂分现象： CCHHHHHCH2对CH3的影响B0(2)(3)(1)(4)Field directionPossible spin orientations of methylene proton自旋同时相反， CH3三重峰右边的第一个峰。(1

17、) (4) 自旋同时相同， CH3三重峰左边的第一个峰。(2) (3) 自旋相反，影响抵消。中间峰裂分为3， 峰面积比1:2:1。CH3对CH2的影响B0可能的组合方式: 23=8种中间6组为两组等同的磁效应裂分为4峰面积比为1:3:3:1相邻原子上的质子数以n表示，则简单氢谱NMR谱线的裂分数为n+1。谱线分裂数的谱线分裂数的n+1n+1规则规则: :(a+b)n展开式的各项系数n n二项式展开系数二项式展开系数峰型峰型111 2 13 3 11 4 6 4 11 5 10 10 5 1012345单峰单峰双峰双峰三重峰三重峰四重峰四重峰五重峰五重峰六重峰六重峰思考题 为什么TMS（ 四甲基

18、硅烷）只有一个峰？SiCH3CH3H3CCH33 3、耦合常数、耦合常数J J (coupling constant)谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位Hz。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：nJ：n化学键的个数。同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。相邻碳上的氢。如HA-CH2-CH2-HB, HA与HB的耦合。相隔4个化学键，耦合作用很弱。2J:3J:4J:4、峰面积反映某种原子核的定量信息。反映某种原子核的定量信息。各峰组的面积之比各峰组的面积之比反映了各官能团的反映了各官能团的氢原子数之比氢原子数之比5、弛豫时间与核在分子中所处的环境有关，因此可与核在分子中所

19、处的环境有关，因此可以表征分子大小、分子与溶剂的作用、分子以表征分子大小、分子与溶剂的作用、分子运动的各向异性等。运动的各向异性等。自旋自旋- -晶格驰豫时间晶格驰豫时间( (T1) )：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋周围分子吸收转变成热运动，称自旋- -晶格驰豫。晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋的溶剂分子群。自旋- -晶格驰豫反映体系与环境的晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋能量交换。自旋- -晶格驰豫速度服从一级反应速率晶格驰

20、豫速度服从一级反应速率方程，自旋方程，自旋- -晶格驰豫的时间用晶格驰豫的时间用T T1 1表示。表示。三、影响化学位移的因素和红外光谱需要记忆一些官能团特征和红外光谱需要记忆一些官能团特征吸收频率一样，核磁共振波谱图谱解析的吸收频率一样，核磁共振波谱图谱解析的关键是要首先记住不同类型的质子的化学关键是要首先记住不同类型的质子的化学位移。位移。例如：例如：CH3CH30.90.9左右左右CH2CH21.21.2左右左右PhHPhH7-87-8之间之间1.常见官能团的氢谱A) CH30.9 ppm (饱和)在高场出峰，峰强，易于辨认0.8 1.2; 2.12.6; 2.2 3.2; 2.0 2.

21、7; 3.2 4.0 1H(CH3)(1)烷基：02 ppm (烷烃)CH3HCOCH3OCH3CCH3CH3NB) CH2CH2CH3H3CCH2ORH3CCH2HCH3CO 1H(CH2)1.17 2.473.40C) CH一般比CH2的值大0.3ppmCH2YX(2)烯：HaCHbCXHc一般1Hc最大。(3)苯环：无取代基时，47 ppm (6.5 ppm左右较普遍 )1H=7.3 ppm, 单峰A) 单取代a.烃基单取代HCCHRCH3HCCCRCH2一组峰，分辨不开OHORNH2NHRNRRb.使苯环活化的邻对位单取代邻对位质子受屏蔽作用，在高场，分辨不开间位质子在低场，三重峰c.

22、间位定向基团的单取代CHOCORCOORCOOHCONHRNO2N NSO3HAr苯环电子云密度降低，邻位质子受影响大Jab：7 10 Hz ； Jac：2 3 Hz ；Jad：0 1 Hz HaHbHdHc邻位质子受去屏作用，大，粗略呈双峰；其它质子位移不大。B) 二取代a.对位二取代最具特色，两对3J耦合四重峰，左右对称NH2NO2AABBHA = 7.27-0.8+0.3 = 6.77HB = 7.27+1.0-0.15 = 8.12o-NO2:1.0; m-NO2: 0.3o-NH2: 0.8; m-NH2: 0.15b.邻位二取代相同取代基时，谱图左右对称不同取代基时，谱图复杂c.间

23、位二取代谱图复杂。中间质子显示粗略单峰。*1、取代基的电负性屏蔽作用电子云密度电负性化学位移与CH3连接基团的电负性对其质子化学位移的影响 化合物 (CH3) (CH3)4-Si, TMS 0.0 定义 (CH3)3-Si(CD2)2CO2-Na+, TSP-d4 0 CH3I 2.2 CH3Br 2.6 CH3Cl 3.1 CH3F 4.3 CH3NO2 4.3 CH2Cl2 5.5 CHCl3 7.30.511.522.533.544.522.533.544.5Electronegativity of XCH3-FCH3-OCH3-NCH3-CCHCH3 3XX的质子位移的质子位移2、相连

24、碳原子的S-P杂化 CH3-CH3 CH2=CH2 CHCH 0.9 5.8 2.9酸度顺序 (3) (2) (1)C杂化形式 SP3 SP2 SP屏蔽作用减弱屏蔽作用减弱3、环状体系的环电流效应以苯环为例以苯环为例 （环外（环外H与磁场同向）与磁场同向）环外氢: 顺磁效应,去屏蔽 环内侧氢: 逆磁效应,屏蔽HCH3CH3CH2H2CH2CCH2CH2 7.3 2.3 2.0 -1.0电子数满足4n+2的环状多烯=9.3=-3.0甲基1H, =-4.2B.烯烃的各向异性HROHOHROOHR2NO=9.7 =10.0 =8.0 =7.8 双键C上的氢：去屏蔽作用，值高于饱和C双键平面上下方：逆

25、磁效应，屏蔽作用C.炔烃的各向异性叁键C上的氢受屏蔽作用NMR解析举例1) C5H10O2（1 1）H H数目数目 6 6：4 4：4 4：6 = 36 = 3：2 2：2 2：3 3（2 2）不饱和度）不饱和度=1 =1 有一个双键有一个双键（3 3） =3.6=3.6处为单峰处为单峰O O可能的结构可能的结构CHCH3 3OCOC =0.9=0.9处三重峰为是典型的处三重峰为是典型的CHCH2 2CHCH3 3峰峰 =2.2=2.2处三重峰为羰基相邻的处三重峰为羰基相邻的CHCH2 2的两个质子的两个质子另一个另一个CHCH2 2在在 =1.7=1.7处产生处产生1212个峰（个峰（4 4

26、 3 3），但仪），但仪器分辨率不够，只看到器分辨率不够，只看到6 6个峰。个峰。可能的结构可能的结构 O O CH CH3 3O CCHO CCH2 2CHCH2 2CHCH3 3简化图谱的方法简化图谱的方法去耦去耦为使谱图简化，除去相邻核间的耦合作用的方法。醋酸异丙酯的1H-NMR(100MHz)。双重照射去耦的谱图变化实例。(a)常法测定的谱图。(b)照射最右端的两个甲基质子去其耦合作用 (c)去次甲基质子的耦合作用用两个电磁波发生器，扫描第一个发生器，（A核的共振频率1 ），用2的强电磁波照射，使B核共振达到饱和。双重照射法除去B核对A核的影响。双照射方法双照射方法第三节 核磁共振波谱

27、仪一、NMR仪器的基本构成外加磁场探头高频电磁波发生器及接受器数据处理及记录1、 NMR用磁铁强弱：磁场强度B B0，单位：T习惯用氢核的共振频率来表示。如100M的仪器，B0=2.35T。永久磁铁永久磁铁permanent magnetpermanent magnetB B0 2.1T，简单、经济耐用。重量轻(如60MHz，350kg)。电磁铁电磁铁 electromagnetelectromagnetB B0 2.35T(100MHz以下)。需强大电流产生磁场(60MHz时3.5kW)，并需水冷保持温度恒定以使磁场强度稳定。较重，且耗电量大。超导磁铁超导磁铁 superconductive

28、 magnetsuperconductive magnet利用铌钛合金在液氦中(温度4K)的超导性质。只要不破坏超导状态，及时补充液氦，则磁场强度不变。液氮液氮液氦液氦超超导导线线圈圈磁场强度与灵敏度、分辨率的关系磁场强度与灵敏度、分辨率的关系 磁场强度越强，低能级上核的数目越多， 灵敏度越高100 MHz时，N比N多17200 MHz时，N比N多33300 MHz时，N比N多50 磁场的均一性越好，分辨率越高 磁场越强，以频率表示的化学位移越大， 分辨率越高（1）连续波NMR仪器(CW-NMR)核磁共振条件： = B0 /2 扫频方式(frequency sweep)：固定B0，扫描电磁波频

29、率 扫场方式(field sweep)：固定，扫描磁场强度B0CW-NMR仪器的不足：连续变化一个参数使不同基团的核依次满足共振条件任一瞬间只有一种原子核处于共振状态，其它核处于等待状态结果： 样品利用率低，灵敏度低，分辨率低2 2、电磁波发生器、电磁波发生器（2） FT-NMR特点：特点：磁场强；强而短的脉冲(高频脉冲)在这一脉冲下，所有的核都发生共振。脉冲停止后，这些核都产生相应的核磁共振信号。这些信号含多种频率，总信号是多种频率信号的叠加，这些信号以时间为变量，也是随时间衰减的。因此，信号是时间的函数(时域谱)，通过FT转换变为频域谱。dtetfFti)(21)(环己烯的13C谱脉冲FT

30、-NMR的优点3. 通过增加重复累积测量次数使样品测量信号平均化， 降低噪声，可提高S/N比。故FT-NMR与连续波仪器 相比灵敏度高，样品用量少，测定时间短。1.在脉冲作用下，该同位素的所有核同时共振2. 脉冲时间短(为微秒级，脉冲间隔为几秒)， 在样品进行累积测量时较连续波仪器节省时间。 一般1H-NMR测量累加10-20次，需时1分左右； 13C-NMR测量需时数分。3、探头圆柱形，圆柱形， 在磁体中心，放样品管在磁体中心，放样品管作用：作用：发射脉冲电磁波发射脉冲电磁波检测核磁共振信号检测核磁共振信号产生固定频率的探头：产生固定频率的探头：双核探头：双核探头：1H， 13C四核探头：四

31、核探头： 1H，31P，13C，15N频率连续可调探头：频率连续可调探头： 如如3131P P到到1515N N4、 样品处理技术1.粘度不高的液态：2-15%的溶液2.NMR溶剂不应含氢，可用卤化或氘代溶剂， 如CDCl3, C6D6等。二、二维核磁共振二、二维核磁共振 （2-D NMR2-D NMR）改变不同t，施加两次脉冲电磁波，重复测定，得到两个频率变量或化学位移变量的二维谱图。在这种2D图谱中，两种自旋-自旋偶合（弛豫时间）不同的核显示不同的图谱特征。1、同核位移相关谱（COSY）2、异核位移相关谱（H，C-COSY）3、总相关谱（TOCSY）4、其他2D谱同核位移相关谱（COSY）三、核磁成像三、核磁成像四、固体核磁四、固体核磁如果按照通常的作图方法，用固态样品作图会如果按照通常的作图方法，用固态样品作图会得到很宽的谱线，得不到什么信息。产生这种现象主得到很宽的谱线，得不到什么信息。产生这种现象主要有两个原因：要有两个原因：第一是自旋核之间的偶极第一是自旋核之间的偶极- -偶极相互作用；偶极相互作用；第二是化学位移的各向异性。第二是化学位移的各向异性。这两个原因都和分子在磁场中的取向有关。在液体试这两个原因都和分子在磁场中的取向有关。在液体试样中，分子在不断地翻滚，因此以上两种作用