儀器分析-楊屹-核磁共振波譜法

1,核磁共振波譜法,NMR,2,核磁共振波譜法,NMR概述基本原理譜圖解析與應(yīng)用NMR儀器,3,核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging)，是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance，簡稱NMR）原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。將這種技術(shù)用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學(xué)診斷工具。極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。,NMR概述,4,核磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因?yàn)槿梭w的約70%是由水組成的，MRI即依賴水中氫原子。當(dāng)把物體放置在磁場中，用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈渌?，使之共振，然后分析它釋放的電磁波，就可以得知?gòu)成這一物體的原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像。通過一個(gè)磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個(gè)連續(xù)切片的動(dòng)畫，由頭頂開始，一直到基部。,人腦縱切面的核磁共振成像,NMR概述,5,歷史,1946年-Bloch(StanfordU.)zh-cn:保羅勞特布爾-（PaulC.Lauterbur）和英國物理學(xué)家彼得曼斯菲爾德（PeterMansfield），以表彰他們在醫(yī)學(xué)診斷和研究領(lǐng)域內(nèi)所使用的核磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域的突破性成就。,NMR概述,14,自旋核在磁場中的行為,化學(xué)位移及影響因素,自旋偶合及自旋裂分,NMR原理,15,核的自旋核磁共振弛豫過程,原理自旋核在磁場中的行為,16,一、原子核的自旋,核的自旋,自旋角動(dòng)量：,I：自旋量子數(shù)h：普朗克常數(shù),質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)自旋量子數(shù)I偶數(shù)偶數(shù)0偶數(shù)奇數(shù)1，2，3.奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/2；3/2；5/2.,17,二、原子核的磁矩,核的自旋,核磁矩（核磁子）：,=P,磁旋比,18,1I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）等無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收。,2I=1或I的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=5/2：17O，127I,這類原子核的核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少。,核的自旋,19,核的自旋,31/2的原子核：1H，13C，19F，31P原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象。,20,無外磁場時(shí)核自旋取向任意,有外磁場時(shí)核自旋取向數(shù)I+1,磁量子數(shù)m=I,I-1,-I，對(duì)應(yīng)能級(jí),氫核（I=1/2），兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)1/2(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)1/2,核磁共振能級(jí)分裂,21,原子核在磁場中的勢能,E=-hmH0/2,1/2,E1/2=-hH0/4,-1/2,E-1/2=hH0/4,E=hH0/2,核磁共振-能級(jí)分裂,22,核磁共振能級(jí)分裂,23,核磁共振共振條件,電磁輻射能h,核磁能級(jí)差E=hH0/2,核磁共振條件=H0/2,24,（1）對(duì)于同一種核，磁旋比為定值，H0變，射頻頻率變。,（2）不同原子核，磁旋比不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的磁場強(qiáng)度H0和射頻頻率不同。,（3）固定H0,改變（掃頻),不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振;也可固定,改變H0（掃場)。掃場方式應(yīng)用較多,共振條件=H0/2,25,核磁共振共振條件,氫核（1H）：1.409T共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz,磁場強(qiáng)度H0的單位：1高斯（GS）=10-4T（特斯拉）,26,弛豫過程Boltzmann分布,根據(jù)Boltzmann分布，在磁場中不同能級(jí)的核數(shù)分布：,常溫下1H核N+/N-=1000000/1000007,27,弛豫過程,高能態(tài)原子核通過非輻射形式放出能量而回到低能態(tài)。,自旋晶格弛豫或縱向弛豫自旋自旋弛豫或橫向馳豫,28,原理化學(xué)位移,理想化的、裸露的氫核滿足共振條件：0=H0/(2)產(chǎn)生單一的吸收峰,實(shí)際上，氫核受周圍不斷運(yùn)動(dòng)著的電子影響，使氫核實(shí)際受到的外磁場作用減小：H=（1-）H00=/(2)（1-）H0,29,在有機(jī)化合物中，各種氫核周圍的電子云密度不同（結(jié)構(gòu)中不同位置）共振頻率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。,化學(xué)位移,30,：屏蔽常數(shù)。越大，屏蔽效應(yīng)越大。,由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)生共振需要更大的外磁場強(qiáng)度（相對(duì)于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。,化學(xué)位移,31,1位移的標(biāo)準(zhǔn)沒有完全裸露的氫核，沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）位移常數(shù)TMS=0,化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn),32,2為什么用TMS作為基準(zhǔn)?,(1)12個(gè)氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰；,（2）屏蔽強(qiáng)烈，位移最大；,（3）化學(xué)惰性，易溶于有機(jī)溶劑，沸點(diǎn)低，易回收。,化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn),33,=（樣-TMS)/TMS106(ppm),小，屏蔽強(qiáng)，共振需要的磁場強(qiáng)度大，在高場出現(xiàn)，圖右側(cè),大，屏蔽弱，共振需要的磁場強(qiáng)度小，在低場出現(xiàn)，圖左側(cè),化學(xué)位移的表示,常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍,35,影響化學(xué)位移的因素,（1）誘導(dǎo)效應(yīng)（2）共軛效應(yīng)（3）磁各相異性效應(yīng)（4）范得華效應(yīng)（5）氫鍵去屏蔽效應(yīng),改變電子云密度,36,（1）誘導(dǎo)效應(yīng),吸電子作用強(qiáng)，電子云密度降低，屏蔽作用減弱，信號(hào)峰在低場出現(xiàn)。,37,CH3，=1.62.0；-CH2I，=3.03.5,（1）誘導(dǎo)效應(yīng),38,間隔鍵數(shù)增多，誘導(dǎo)效應(yīng)減弱,CH3Br(2.68ppm),CH3CH2Br(1.65ppm),CH3CH2CH2Br(1.04ppm),（1）誘導(dǎo)效應(yīng),39,（2）共軛效應(yīng),與誘導(dǎo)效應(yīng)一樣，共軛效應(yīng)亦會(huì)使電子密度變化。,40,(3)磁各向異性效應(yīng),（炔氫）,（烯氫）,實(shí)際值：,（炔氫）=1.83.0,（烯氫）=4.57.5,（炔氫）J鄰（順）,偶合常數(shù)-J,58,3.遠(yuǎn)程偶合常數(shù)1)芳香質(zhì)子偶合常數(shù)J鄰=610Hz,J間=13Hz,J間=0.21.5Hz;2)烯丙基型偶合長常數(shù)(H-C=C-C-H)偶合常數(shù)為負(fù)值，在0-3Hz之間。,偶合常數(shù)-J,59,核的化學(xué)等價(jià)和磁等價(jià)性,化學(xué)等價(jià)核：化學(xué)位移相同的一組核叫化學(xué)等價(jià)核。,磁等價(jià)：分子中有一組化學(xué)位移相同的核，他們對(duì)組外任何一個(gè)核的偶合相等值表現(xiàn)出一種耦合常數(shù)，則這組核稱為磁等價(jià)的核。,磁等價(jià)的核一定為化學(xué)等價(jià)的，但化學(xué)等價(jià)的核不一定磁等價(jià)。,60,化學(xué)不等價(jià)核,凡符合下列情況之一的，均為化學(xué)不等價(jià)核：,1）化學(xué)環(huán)境不同的核；2）固定環(huán)上的CH2的兩個(gè)氫；3)與不對(duì)稱碳相連的CH2的兩個(gè)氫；4）單鍵帶有雙鍵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁不等價(jià)核；5）單鍵不能自由旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)不等價(jià)核。,61,核磁共振氫譜譜圖分分為一級(jí)譜和高級(jí)譜。一級(jí)譜的特征：自旋裂分峰的數(shù)目為2nI+1,I為核的自旋量子數(shù)，n為相鄰基團(tuán)上發(fā)生偶合的磁全同核的數(shù)目。,自旋體系的分類,對(duì)于氫核則裂分峰的數(shù)目為n+1,稱為n+1規(guī)律。,62,n+1規(guī)律,（1）當(dāng)某基團(tuán)上的氫有n個(gè)相鄰氫時(shí)，它將裂分為n+1個(gè)峰。若這些相鄰氫核處于不同的化學(xué)環(huán)境中，如一種環(huán)境為n個(gè)，另一種為n個(gè)，將裂分為（n+1)(n+1)個(gè)峰;（2）自旋裂分峰的強(qiáng)度比基本上為二項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)之比.（3）一組多重峰的中心即為化學(xué)位移，各重峰間的距離即為偶合常數(shù)。,63,n+1規(guī)律,（4）磁全同核之間沒有自旋裂分現(xiàn)象，其吸收峰為單一峰，如：CH3-CH3，Cl-CH2-CH2-Cl,CH3-O-等.,峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例,64,n+1規(guī)律-活潑氫,活潑氫的峰形與活潑氫之間交換速度有密切關(guān)系。如果交換速度快，即活潑氫在O原子上停留時(shí)間比1/1000秒短很多，它就不能感覺到鄰近質(zhì)子兩種自旋態(tài)的不同影響，而是處于一種平均環(huán)境之中。鄰近質(zhì)子不對(duì)活潑氫峰形產(chǎn)生裂分，故顯示單峰。如羥基、亞氨基等。鄰近質(zhì)子也只能處于活潑氫的兩自旋態(tài)平均環(huán)境之中，故活潑氫也不對(duì)鄰近質(zhì)子產(chǎn)生峰的裂分。,如：,65,譜圖解析與應(yīng)用,核磁共振譜圖能夠提供的化合物結(jié)構(gòu)信息：（1）峰的數(shù)目：多少種（2）峰的強(qiáng)度(面積)：多少個(gè)（3）峰的位移()：每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境（4）峰的裂分?jǐn)?shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)（5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構(gòu)型,66,譜圖解析的步驟,檢查譜圖是否規(guī)則：四甲基硅烷的信號(hào)應(yīng)在零點(diǎn)，基線平直，積分曲線在沒有信號(hào)的地方也應(yīng)平直。(2)從積分曲線，算出各組信號(hào)的相對(duì)面積，再參考分子式中氫原子數(shù)目，來決定各組峰代表的質(zhì)子數(shù)目。也可用可靠的甲基信號(hào)或孤立的次甲基信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,67,(3)從各組峰的化學(xué)位移，偶合常數(shù)及峰型，根據(jù)它們與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，推出可能的結(jié)構(gòu)單元?？上冉馕鲆恍┨卣鞯膹?qiáng)峰、單峰，如CH3O，CH3N，CH3-C=C等，識(shí)別低場的信號(hào)，醛機(jī)、羧基、烯醇、磺酸基質(zhì)子均在916ppm之間，再考慮其它偶合峰，推導(dǎo)集團(tuán)的相互關(guān)系。(4)識(shí)別譜圖中的一級(jí)裂分譜，讀出J值，驗(yàn)證J值是否合理。,譜圖解析的步驟,68,(5)結(jié)合元素分析、紅外光譜、紫外光譜、質(zhì)譜、13C核磁共振譜和化學(xué)分析的數(shù)據(jù)推導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)。(6)仔細(xì)核對(duì)個(gè)組信號(hào)的化學(xué)位移和偶合常數(shù)與推定的結(jié)構(gòu)是否相符，必要時(shí)，找出類似化合物的共振譜進(jìn)行比較，進(jìn)而確定化合物的結(jié)構(gòu)式。,譜圖解析的步驟,69,70,例1某化合物分子式為C6H10O3，其核磁共振譜圖如下，試確定該化合物的結(jié)構(gòu)。,示例-1,71,解：從化合物分子式C6H10O3求得未知物的不飽和度為2，說明分子中含有C=O或C=C。但核磁共振譜中化學(xué)位移5以上沒有吸收峰，表明不存在烯氫。譜圖中有4組峰，化學(xué)位移及峰的裂分?jǐn)?shù)目為4.1ppm（四重峰），3.5ppm（單峰）,2.2ppm（單峰），1.2ppm（三重峰），各組峰的積分高度比為2：2：3：3，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。從化學(xué)位移和峰的裂分?jǐn)?shù)可見4.1ppm和1.2ppm是互相偶合,與強(qiáng)拉電子基團(tuán)相連，表明分子中存在乙酯基（COOCH2CH3),3.50ppm為CH2，2.2ppm為CH3，均不與其它質(zhì)子偶合，根據(jù)化學(xué)位移2.2ppm應(yīng)于拉電子的羰基相連，即CH3-C=O。,示例-1,72,示例-2,73,示例-2,解：從化合物分子式C6H8O3求得未知物的不飽和度為3，說明分子中沒有苯環(huán)。根據(jù)紅外信息，可能為酸酐。NMR譜圖中有2組峰，各組峰的積分高度比為1：3，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,74,示例-3,例3某化合物分子式為C9H12，其核磁共振譜圖如下，試確定該化合物的結(jié)構(gòu)。,75,解：從化合物分子式C9H12求得未知物的不飽和度為5，說明分子中含有苯環(huán)。NMR譜圖中有4組峰，各組峰的積分高度比為5：2：2：3，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,示例-3,76,示例-4,77,解：從化合物分子式C9H10O求得未知物的不飽和度為5，說明分子中含有苯環(huán)。根據(jù)紅外信息，可知結(jié)構(gòu)中含有羥基、苯環(huán)和C=C雙鍵。NMR譜圖中有4組峰，各組峰的積分高度比為5：2：2：1，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,示例-4,78,核磁共振波譜儀,1永久磁鐵：,2射頻振蕩器：,3射頻信號(hào)接受器（檢測器）,4樣品管：,79,1永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。,2射頻振蕩器：線圈垂直于