核磁共振波谱法NuclearMagneticResonanceSpectroscopy

1、第15章 核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ) 15.1 NMR简介15.2 NMR基本原理 一. 原子核能级的分裂及其描述 二. 能级分布与弛豫过程 三. 化学位移与自旋-自旋分裂15.3 NMR仪器及组成 一. 仪器分类 二. 仪器组成15.4 核磁共振波谱法的应用1. 一般认识v NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。15.1 NMR简介v在强磁场中，原子核发生能级

2、分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为0.025 J)，当吸收外来电磁辐射(1091010 nm, 4 900 MHz)时，将发生核能级的跃迁-产生所谓NMR现象。 射频辐射原子核(强磁场下能级分裂) 吸收能级跃迁NMR v 与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。2. 发展历史1924年：Pauli 预言了NMR 的基本理论，即，有些核同时具有自旋和磁 量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证 实NMR现象，并于1952年分享

3、了Nobel奖；1953年：美国Varian（瓦里安）开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台 高分辨NMR仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影 响与物质分子结构有关。 1970年： Pulsed Fourier Transform(PFT)-NMR 开始市场化（早期多使用的 是连续波NMR 仪器）。1991年：瑞士化学家richard R ErnstK开发研制了高分辨率核磁共振仪技术 获得诺贝尔奖。15.2 NMR基本原理一. 原子核能级的分裂及其描述1. 原子核之量子力学模型 原子核自旋 自旋磁场 磁矩 (沿自旋轴方向) 。磁矩 的大小与磁场方向的角

4、动量 P 有关： （ 为磁旋比） 每种核有其固定 值（H核为2.68108T-1s-1)。其中，其中h为Planck常数 (6.62410-27erg.s)；I为自旋量子数 。上面公式表明I相同的核角动量相同，但磁矩不同。I=0，P=0，核无自旋现象。P 2)1(hIIP 对于I0的核处于磁场中，核磁矩的取向有m=2I+1个，m称磁量子数，取值范围是：I，I-1，I-2,-I。 一个自旋核在外磁场中有2I+1个取向，每种取向对应一个能级。由于磁矩的取向不同，决定了其能级的不同。量子力学证明，每个能级对应的能量是：0BImE B0是以T为单位的外加磁场强度，是一个常数，称为核磁子，等于5.049

5、10-27JT-1;是以核磁子为单位表示的核磁矩，对于质子为2.792。 对氢核来说，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示 H 核在磁场中，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 两个能级的能量分别为：两式相减：又因为，所以，即， B0 的单位为特斯拉(T,Kgs-2A-1), 也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。 02BE 0 hE 002 hB hB002 0021,21)1(BBImEm 0021,21)2(BBImEm 2. 几点说明a) 并非

6、所有的核都有自旋，或者说，并非所有的核会在外加磁场中发生能级分裂！当核的质子数 Z 和中子数 N 均为偶数时，I=0 或 P=0，该原子核将没有自旋现象发生。如12C，16O，32S等核没有自旋。b) 当 Z 和 N 均为奇数时，I=整数，P0，该类核有自旋，但NMR 复杂，通常不用于NMR分析。如2H，14N等。c) 当 Z 和 N 互为奇偶时，I=半整数，P0，可以用于 NMR 分析，如1H，13C。二. 能级分布与弛豫过程(Relaxation Process)1. 核能级分布 在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足Bo

7、ltzmann分布： 通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T 的磁场中，位于高、低能级上的 1H 核数目之比为0.999984。即：处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出16/1,000,000 ！)2exp(00kThBeeNNkThkTEji 当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等饱和从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同体系净吸收为0共振信号消失！ 幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！ 例1：计算在25oC时，样品在4.69T磁场中，其处于高、低磁能级原子核的相对个数。99

8、99679. 0/512312701021. 3)298)(1038. 1()69. 4)(10049. 5792. 22()2(0 eeeNNKJKTTJkTBj例2：许多现代NMR仪器所使用的磁场强度为4.69T。请问在此磁场中，氢核可吸收多大频率的辐射？MHzssJTTJIhB2001000. 21064. 62169. 410049. 5792. 2183412700 2. 弛豫何为弛豫？ 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。 据He

9、isenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽 成正比，即： 可见，弛豫决定处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。 1hE三. 化学位移与自旋-自旋分裂(Chemical Shift and Spin-spin Splitting)1. 化学位移现象：多数有机物都含有氢原子(1H 核)，从前述公式: 可见：在B0一定的磁场中，若分子中的所有 1H 都是一样的性质，这时只将出现一个吸收峰，这对NMR来说，将毫无意义。 事实上，处于不同化合物中的质子或同一化合物中不同位置的质子，其共振吸收频率会稍有不同，或者说产生了化学位移, 通过

10、测量或比较质子的化学位移了解分子结构这使 NMR 方法的存在有了意义。002B HCHOCCHHHHOH3CCH3CHCHCH3CH3600 HzB化学位移：在一定的辐射频率下，处于不同化学环境的有机化合物中的质子，产生核磁共振的磁场强度或共振吸收频率不同的现象，称为化学位移。2. 化学位移产生原因及其表示方法产生原因：分子中的原子核处在核外电子氛围中，电子在外加磁场B0的的作用下产生次级磁场，该原子核受到了屏蔽： B为核实际受到的磁场， 由电子云密度决定的屏蔽常数，与化学结构密切相关。000)1(BBBB 表示方法：由于不同核化学位移相差不大，有时会发生共振吸收频率漂移，因此，实际工作中，化

11、学位移不能直接精确测定，一般以相对值表示。于待测物中加一标准物质（如TMS），分别测定待测物和标准物的吸收频率x 和s，以下式来表示化学位移 ： 无量纲，对于给定的质子峰，其值与射频辐射无关。(ppm)106 ssx 在NMR中，通常以TMS作标准物，因为：a) 由于四个甲基中12 个H核所处的化学环境完全相同， 因此在核磁共振图上只出现一个尖锐的吸收峰；b) 屏蔽常数 较大，因而其吸收峰远离待研究的峰的高 磁场(低频)区；c) TMS化学惰性、溶于有机物、易被挥发除去； 此外，也可根据情况选择其它标准物。 含水介质：三甲基丙烷磺酸钠。 高温环境：六甲基二硅醚。SiCH3CH3H3CCH3 从

12、前式 可知，凡是影响屏蔽常数（电子云密度）的因素均可影响化学位移，即影响NMR吸收峰的位置。1）诱导效应(Induction)：分子与高电负性基团相连-分子电子云密度下降(去屏蔽)-下降-产生共振所需磁场强度小-吸收峰向低场移动；000)1(BBBB CClHHH3. 影响化学位移的因素2）共轭效应(Conjugated)：使电子云密度平均化，可使吸收峰向高场或低场移动；与 C2H4 比：a)图：氧孤对电子与C2H4双键 形成 p- 共轭，CH2上质子电子云密度增加，移向高场。b)图：羰基双键与 C2H4 -共轭，CH2上质子电子云密度降低，移向低场。CCHHHOCH3CCHHHCH3CO3）

13、磁各向异性效应：置于外加磁场中的分子产生的感应磁场(次级磁场)，使分子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区，导致不同区域内的质子移向高场和低场。该效应通过空间感应磁场起作用，涉及范围大，所以又称远程屏蔽。图1：C2H4 中 电子云分布于 键所在平面上下方，感应磁场将空间分成屏蔽区（+）和去屏蔽区（-），由于质子位于去屏蔽区，与C2H6（=0.85）相比移向低场(=5.28)。图2：C2H2 中三键 电子云分布围绕C-C键呈对称圆筒状分布，质子处于屏蔽区，其共振信号位于高场（=1.8）。 图3：苯分子与C2H4 的情况相同，即苯的质子移向低场（=7.27）；对于其它苯系物，若质子处于苯环屏蔽区，则移向高

14、场；醛基质子处于去屏蔽区，且受O电负性影响，故移向更低场（=7.27）。4）氢键效应：使电子云密度平均化，使OH或SH中质子移向低场。如分子间形成氢键，其化学位移与溶剂特性及其浓度有关; 如分子内形成氢键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构有关。溶剂选择原则：稀溶液；不能与溶质有强烈相互作用。 5）自旋耦合与自旋分裂现象：CH3CH2OH中有三个不同类型的质子，因此有三个不同位置的吸收峰。 然而，在高分辨 NMR 中，CH2和CH3中的质子出现了更多的峰，这表明它们发生了分裂。如右图。原因：质子自旋产生的局部磁场，可通过成键的价电子传递给相邻碳原子上的氢，即氢核与氢核之间相互影响，使各氢核受到的

15、磁场强度发生变化！或者说，在外磁场中，由于质子有两种自旋不同的取向，因此，与外磁场方向相同的取向加强磁场的作用，反之，则减弱磁场的作用。即谱线发生了“分裂”。这种相邻碳上的质子之间相互干扰的现象称之为自旋-自旋耦合。该种耦合使原有的谱线发生分裂的现象称之为自旋-自旋分裂。 CCClClHb1HaClHb2B0HaB增加(低场)B减小(高场)B不变(不变)HbB增加(低场)B减小(高场)三重峰1:1:2双重峰1:1耦合能力大小以自旋耦合常数 nJ 表示（n为两 H 氢间的键数）。必须注意：偶合常数与化学位移都用表示。但与化学位移不同的是，偶合常数 nJ 或自旋分裂程度的大小与场强无关。因此可以通

16、过改变 B0，看是否变化来判断是何种位移。质子与质子之间的关系CCHaHbFaFbNO2HbHaHcFHd#1 CH3CH2X中CH3上的三个质子是化学等价的，也是磁等价的；#2 二氟乙烯中Ha和Hb是化学等价的，但因JHF(顺式)JHF(反式)，所以Ha和Hb不 是磁等价质子；#3 对-硝基氟苯中，Ha与Hb为化学等价，但不是磁等价（3Jac 5Jbc）。 注意：化学等价，不一定磁等价，但磁等价的一定是化学等价的。化学等价核：同一分子中化学位移相同的质子。化学等价质子具 有相同的化学环境。磁等价核：如果有一组化学等价质子，当它与组外的任一磁核偶 合时，其偶合常数相等，该组质子称为磁等价质子。

17、偶合常数与分子结构的关系同碳质子(2J)： 相隔两个化学键，J 最大，但由于各质子性质完全一致，所以只观察到一个单峰。 邻碳质子(3J) ： 相隔三个化学键，J 较大，是立体分子结构分析最为重要的偶合分裂。右图是邻碳质子的Karplus曲线。 从中可见，不同位置上的核，相互之间的偶合常数不同，其大小与它们各自所在的平面的夹角有关。对于邻碳磁等价核之间的偶合，其偶合裂分规律如下：1）一个(组)磁等价质子与相邻碳上的n个磁等价质子偶合，将产生n+1重峰。如，CH3CH2OH（2+1；3+1；1）2）一个(组)磁等价质子与相邻碳上的两组质子(分别为m个和n个质子)偶合，如果该两组碳上的质子性质类似的

18、，则将产生m+n+1重峰，如CH3CH2CH3；如果性质不类似，则将产生(m+1)(n+1)重峰，如CH3CH2CH2NO2；3）裂分峰的强度比符合(a+b)n展开式各项系数之比；4）一组多重峰的中点，就是该质子的化学位移值5）磁等价质子之间观察不到自旋偶合分裂，如ClCH2CH2Cl，只有单重峰。6）一组磁等价质子与另一组非磁等价质子之间不发生偶合分裂。如对硝基苯乙醚，硝基苯上的质子为非磁等价，不产生一级图谱(AB/JAB大于20，且自旋偶合的核必须是磁等价的才产生所谓的一级图谱)因而产生的分裂较复杂，而苯乙基醚上的质子为磁等价，产生较简单的一级图谱。 几个例子：1) ClCH2CH2CH2

19、Cl峰数及峰面积比分别为，3(1:2:1)-5(1:4:6:4:1)-3(1:2:1)2) CH3CHBrCH3峰数及峰面积比分别为：2(1:1)-7(1:6:15:20:15:6:1)-2(1:1)3) CH3CH2OCH3峰数及峰面积比分别为：3(1:2:1)-4(1:3:3:1)-115.3 NMR仪器一、分类：p按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁p按照射频率：60MHz、90MHz、200MHz.p按扫描方式：连续波NMR仪（CW-NMR）和脉冲傅立 变换NMR仪（PFT-NMR）二、仪器组成：如图。400 MHz Avance System计算机电子控制柜超导体NMR Sampl

20、e Position(prior to release into probe)Liquid Helium-269C (4.2 K)Liquid Nitrogen-196C (77.4 K)NMR samplepositioned at top of probeSuperconducting magnetsrequire continuous cooling.5 mm NMRsample tubeRF energyupper levelof NMR solution探头超导磁体剖面图超导磁体横切面图四 1 NMR实验安全1)机械表,磁卡,含铁的工具,装有心脏起博器和人工假肢等不可靠近磁体.四 1

21、 NMR实验安全2)操作注意事项a.样品管洗干净后自然晾干、以免它变形b.将样品管插入转子的步骤如下图所示,样品管底部最多只能放到样品规的底部,而且液柱中心应与黑色中心线对齐.将样品管插入转子的步骤样品管在探头中的位置1）磁铁：产生一个恒定的、均匀的磁场。磁场强度增加，灵敏度增加。永久磁铁：提供0.7046T(30MHz)或1.4092T(60MHz)的场强。特点是稳定，耗电少，不需冷却，但对室温的变化敏感，因此必须将其置于恒温槽内，再置于金属箱内进行磁屏蔽。恒温槽不能断电，否则要将温度升到规定指标要23天！电磁铁：提供2.3T的场强，由软磁铁外绕上激磁线圈做成，通电产生磁场。它对外界温度不敏

22、感，达到稳定状态快，但耗电量大，需要水冷，日常维护难。超导磁铁：提供5.8T的场强，最高可达12T，由金属(如Nb、Ta合金)丝在低温下(液氮)的超导特性而形成的。在极低温度下，导线电阻降为零，通电闭合后，电流可循环不止，产生强磁场。特点是场强大、稳定性好，但仪器价格昂贵，日常维护费用极高。 磁场漂移应在10-9-10-10之间-可通过场频锁定方式克服。2）探头：由样品管、扫描线圈和接收线圈组成。样品管要在磁场中以几十Hz的速率旋转，使磁场的不均匀平均化。扫描线圈与接收线圈垂直放置，以防相互干扰。在CW-NMR中，扫描线圈提供10-5T的磁场变化来进行磁场扫描。3）射频源：类似于激发源。为得到

23、高分辨率，频率波动应小于10-8，输出功率(小于1W)波动应小于1%。4） 信号检测及信号处理。CW-NMR:扫场法：固定照射频率，改变磁场强度；扫频法：固定磁场强度，改变照射频率；记录吸收分量与场强或频率的关系，即核磁共振波。扫描速度不能太快，通常全扫描时间为200-300s。若扫描太快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。灵敏度低、所需样品量大。对一些难以得到的样品，无法进行NMR分析。PFT-NMR： 以等距脉冲调制的RF信号作多道发射机，以快速傅立叶变换作多道接收机，它在一个脉冲中给出所有的激发频率，如果此脉冲满足NMR条件，则在脉冲之后，于接收线圈上能感应出该样品所有的共振吸收信

24、号的干涉图（自由感应衰减，FID）信号。它包括分子中所有信息，是时间的函数，对此函数作傅立叶变换处理后，可将FID信号转换为常用的扫场波谱。灵敏度提高（100倍）；测量速度快：一次脉冲相当于CWNMR的一次扫描；扩大应用范围：除常规1H，13C谱外，还可用于扩散系数、化学交换、固体高分辨和弛豫时间测定等。（1）试样管：根据仪器和实验要求，选用不同外径（=5,8,10mm)的试样管。三、试样的制备（2）试样用量：对1HNMR，连续波核磁共振仪15-30mg，对脉冲傅里叶核磁共振仪1mg左右。（3）标准试样：四甲基硅烷（TMS）。（4）溶剂：氘代氯仿；氘代丙酮；氘代乙腈，氘代二甲亚砜（DMSO）；

25、重水等。15.4核磁共振波谱法的应用图谱解析核磁共振波谱法可以通过化学位移鉴别质子的类型，从而确定它所连接的基团。例:下图是仅含有一个溴原子的有机化合物的1HNMR图，推测其结构由图可知，含有一个三重峰和一个四重峰，说明含有乙基。又因仅含有一个溴原子，可以断定该化合物是CH3CH2Br。例: 一化学式为C4H7BrO2的1HNMR，如下图所示，试分析其结构128041说明该化合物可能含有一个键，图中两个三重峰出现说明它们都与亚甲基相连，其中一个化学位移大于4，说明该基团连有吸电子基团，在=11处有一个单峰，说明分子中含有一个羧基中的羟基，由此可以推知该化合物是CH3CH2CH(Br)COOH。

26、例: 下图为一化学式C4H8O的化合物的1HNMR图，试分析其结构128041说明可能含有1个键。有1个四重峰和一个三重峰，说明含有乙基，有一个单峰，说明该基团上的质子不受其它质子的影响，由此推出，该化合物的结构是CH3CH2CCH3O例: 某化合物的分子式为C9H13N，NMR图如下图所示，推测其结构。4213191说明可能含有苯环。=7.2的单峰有5H，进一步证明有苯环，2H和6H峰都是单峰说明互不影响，二者不相连，由此可推知，结构式是CH2NCH3CH3 对氢核来说，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示 H 核在磁场中，自旋轴只有两种取向：与外加磁

27、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 2. 弛豫何为弛豫？ 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。 据Heisenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽 成正比，即： 可见，弛豫决定处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。 1hE原因：质子自旋产生的局部磁场，可通过成键的价电子传递给相邻碳原子上的氢，即氢核与氢核之间相互影响，使各氢核受到的磁场