核磁共振波谱技术

1核磁共振波谱技术蒋先兴2015年10月26日NuclearmagneticresonanceSpectroscopy

——NMR2考试与成绩考试方式：考核成绩计算：考勤和平时成绩（30%），笔试（70%）3目录1.概述2.核磁共振的基本原理（了解）3.核磁共振仪与实验方法（熟悉）4.氢的化学位移（掌握）5.各类质子的化学位移（掌握）6.自旋偶合和自旋裂分（掌握）7.自旋系统及图谱分类（掌握）8.核磁共振氢谱的解析（掌握）9.核磁共振碳谱（掌握）10.其他核磁共振波谱（了解及熟悉）41.NMR简介1.1一般认识

NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequencyRadiation)

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。在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25

10-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm,4-900MHz)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

测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、环境以及官能团和

C骨架上的H原子相对数目）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。5核磁共振波谱在药学中的基本应用化合物结构解析化合物的定量分析分子结构：分子几何结构：分子中原子的种类，个数，三维排列方式，原子在空间中的位置，化学键种类，及连接关系。结构？药物化学

有机合成中的反应物或产物结构一定要用核磁共振进行结构解析。

探讨反应机理天然药物化学确定在自然界发现的化合物一定要用核磁共振进行结构解析药理药剂91.2核磁的发现四大类磁性介质铁磁体：铁，钴，镍，等；反铁磁体：铁，钴，镍的氧化物；抗磁体顺磁体核磁：来自于原子核101.3核磁共振与诺贝尔奖1943年物理学奖：O.Stern

发展分子束的方法，发现质子磁矩；1944年物理学奖：I.I.Rabi

测定原子核的磁矩和光谱的超精细结构1952年物理学奖：FelixBloch与EdwardPurcell

首次观测到宏观物质的核磁共振信号1991年化学奖：RichardErnst

傅里叶变换，二维核磁2002年化学奖：库尔特.维特里希生物大分子三维结构的测定2003年生理与医学奖：劳特布尔和曼斯菲尔德核磁共振成像及其在医学中的应用获得诺贝尔奖最多的科学专题111952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(FelixBloch)&珀赛尔(EdwardPurcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。布洛赫(FelixBloch)珀赛尔(EdwardPurcell)RelatedNobelPrize121991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－）瑞士物理化学家他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括：

一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱二.二维核磁共振谱三.核磁共振成像132002诺贝尔化学奖:

瑞士科学家库尔特·.维特里希“forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution".他将获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。

Ifoneknowsallthemeasurementsofahouseonecandrawathree-dimensionalpictureofthathouse.Inthesameway,bymeasuringavastnumberofshortdistancesinaprotein,itispossibletocreateathree-dimensionalpictureofthatprotein.

142003年诺贝尔医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象15MRIisusedforimagingofallorgansinthebody.161.4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年分享了Nobel奖；1953年：Varian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：Fourier(pilsed)-NMR

开始市场化（早期多使用的是连续波

NMR

仪器）。17小结：

核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)

是上世纪中叶发现的低能电磁波（无线电波）与物质相互作用的一种基本物理现象。

50多年来，核磁共振技术得到了迅猛的发展。目前核磁共振技术广泛应用于工业、农业、化学、生物和医药等领域，它是确定有机化合物特别是新的有机化合物结构最有力的工具。NMR证明了核自旋的存在，为量子力学的一些基本原理提供了直接的验证，并且首次实现了能级反转，这些为激光的产生和发展奠定了坚实的基础。到了近代核磁共振由一维发展到二维，使其更加完善并得到更加广泛的应用。

www.nobel.se182.核磁共振的基本原理

2.1什么是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

核磁共振波谱技术原理讲述内容——介绍相关名词核磁共振现象原子核自旋原子核自旋能级原子核磁矩原子核磁矩能级核磁共振跃迁的特点不同原子核磁矩的特点仪器的测试原理简述样品的制备核磁共振现象定量描述20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21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

。22用能量等于

E的电磁波照射磁场中的磁性核，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。NSNSSNNS232.2电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不同频率24频率强度252.3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

26

原子核正电荷，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。 磁距μ与自旋角动量P成正比，比例常数为

：

=P

称为磁旋比，是原子核的重要属性（见下页图）。但是，不是所有的原子核都有磁性。2728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12C,16O，质子数与中子数相等。（2）自旋角动量P不为零，称为磁性核：I

0I

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。自旋角动量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。029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：p与n同为偶数，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇数，I=半整数(1/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p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。

3031自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系322.4.原子核能级的分裂及其描述2.4.1.原子核之量子力学模型带电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动量P有关：（

为磁旋比）每种核有其固定

值（如，H核为2.68×108T-1s-1)。其中，

其中h为Planck常数(6.62410-27erg.sec)；m为磁量子数，其大小由自旋量子数I决定，m共有2I+1个取值，即角动量P有2I+1个状态！或者说有2I+1个核磁矩。z33必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。对氢核来说，I=1/2，其m值只能有2

1/2+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

34两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),1T=104Gauss

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。352.4.2.原子核之经典力学模型当带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动(Procession)。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用Larmor方程表示：此式与量子力学模型导出的式子完全相同。

0称为进动频率。在磁场中的进动核有两个相反方向的取向，可通过吸收或发射能量而发生翻转。可见，无论从何种模型看，核在磁场中都将发生分裂，可以吸收一定频率的辐射而发生能级跃迁。363.几点说明a)并非所有的核都有自旋，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，P

0，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。37例1：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？382.5.能级分布与弛豫过程(RelaxationProcess)2.5.1.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Boltzmann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！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！392.5.2.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：

式中，

为谱线宽度，它与弛豫时间

t成反比。可见，弛豫决定于处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫。40纵向弛豫T1：又称自旋-晶格弛豫。处于高能级的核将其能量及时转移给周围分子骨架(晶格)中的其它核，从而使自己返回到低能态的现象。a)

固体样品---分子运动困难---T1最大---谱线变宽小---弛豫最少发生；b)

晶体或高粘度液体---分子运动较易---T1下降---谱线仍变宽---部分弛豫;c)

气体或受热固体---分子运动容易---T1较小---谱线变宽大---弛豫明显。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，T1增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。横向弛豫T2：又称自旋-自旋弛豫。当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移所发生的弛豫现象。a)固体样品—结合紧密—自旋核间能量交换容易—T2最小—谱线变宽最大(宽谱)—

纵向弛豫容易。b)受热固体或液体—结合不很紧密—自旋核间能量交换较易—T2上升—谱线变宽较小—纵向弛豫较易；c)气体—自旋核间能量交换不易—T2最大—谱线变宽最小—横向弛豫最难发生。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，T2下降，越多纵向弛豫发生—谱线宽。41

在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间T1和T2大致相当，在0.5-50s之间。两种弛豫过程中，时间短者控制弛豫过程。对于固体样品：T1大而T2小，此时弛豫由时间短的控制，因此谱线很宽！因为液体和气体样品的T1和T2均为1秒左右，能给出尖锐的谱峰，因此，在NMR分析中，需将样品配制成液体！42

因两种自旋状态的能差(⊿E)与外磁场强度有关，所以发生共振的辐射频率也随外加磁场强度变化,核磁共振的条件为：hv=γN

ħBO

由上式可求得不同磁场强度时发生共振所需的频率．

目前核磁共振有两种操作方式：①固定磁场扫频,②

固定辐射频率扫场.432.7.2观察共振现象通常有两种方法：一：调频44二：调场聚四氟乙烯样品的共振曲线水样品的共振曲线453.Applications:核磁共振成象(MRI)：(1)点成像法核磁共振已在众多领域中有了广泛的应用.从技术手段上讲，核磁共振的应用主要有两个方面：核磁共振波谱：实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移（横坐标）的关系曲线(2)弛豫时间成像法463.1核磁共振波谱所谓核磁共振波谱，实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移（横坐标）的关系曲线。乙醇中三个核磁共振吸收谱47乙基苯的核磁共振谱图483.1.1核磁共振谱仪简介

核磁共振谱仪（NMR）494.2.2脉冲傅里叶核磁共振谱仪（PFT-NMR）5051400MHzNMRSpectrometerUnixcomputerelectroniccontrolssuper-conductingmagnet52.1NMR用磁铁强弱：磁场强度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permanentmagnetB0<2.1T，简单、经济耐用。重量轻(如60MHz，350kg)。电磁铁electromagnetB0<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。53超导磁铁superconductivemagnet

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。液氮液氦超导线圈54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100MHz时，N

比N

多17200MHz时，N

比N

多33300MHz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55（1）连续波NMR仪器(CW-NMR)核磁共振条件：

=

B0/2

•扫频方式(frequencysweep)：固定B0，扫描电磁波频率

•扫场方式(fieldsweep)：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、电磁波发生器56（2）FT-NMR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。