核磁共振基本知識

1、核 磁 共 振 (nuclear magnetic resonance),基本知識,發(fā) 展 簡 史,第一階段：1945年到1951年，發(fā)明核磁共振法并奠定理論和實驗基礎(chǔ)的時期： Bloch（斯坦福大學(xué)，觀察到水中質(zhì)子的信號） 和Purcell（哈佛大學(xué)，觀察到石蠟中質(zhì)子的信號）獲得了Nobel獎金。,發(fā) 展 簡 史,第二階段：1951年到1960年為發(fā)展時期，其作用被化學(xué)家和生物學(xué)家所共認(rèn)，解決了許多重要難題。 1953年出現(xiàn)了第一臺30MHz核磁共振譜儀； 1958年及年代初又出現(xiàn)了60MHz,100MHz的儀器。 50年代中期發(fā)展了1H-NMR，19F-NMR和31P-NMR,發(fā) 展 簡

2、史,第三階段：60至70年代，NMR技術(shù)飛躍時期。 脈沖Fourier變換技術(shù)，提高了靈敏度和分辨率，可常規(guī)測定13C核； 雙頻和多頻共振技術(shù)；,發(fā) 展 簡 史,第四階段：70年代后期理論和技術(shù)發(fā)展成熟。 1、200，300，500MHz和600MHz的超導(dǎo)NMR譜儀； 2、應(yīng)用各種脈沖系列，在應(yīng)用方面作了重要的開拓； 3、出現(xiàn)了2D-NMR； 4、多核研究，可應(yīng)用到所有磁性核； 5、出現(xiàn)了“核磁共振成象技術(shù)”等新的分支學(xué)科。,主 要 用 途：,結(jié)構(gòu)的測定和確證，有時還可測定構(gòu)型、構(gòu)象,化合物純度的檢查，靈敏度較薄層、紙層析高,混合物分析，如主要信號不重疊，無需分離即 可測定混合物的比例。,質(zhì)

3、子的交換，單鍵的旋轉(zhuǎn)，環(huán)的轉(zhuǎn)化等化學(xué)變 化速度的推定,在所有元素的同位素中，大約有一半的原子核具有自旋運動。這些自旋的原子核是核磁共振的研究對象。,自旋量子數(shù)：描述原子核自旋運動的量子數(shù)，可以為整數(shù)、半整數(shù)或0。,1原子核的自旋,1原子核的自旋,在有機(jī)化合物組成元素中，C、H、O、N是最主要的元素。在其同位素中，12C、16O無磁性，因此不發(fā)生核磁共振。1H的天然豐度較大，磁性較強(qiáng)，易測定，故NMR研究以前主要是針對質(zhì)子進(jìn)行的。13C的豐度較小，只有12C的1.1，且信號靈敏度只為質(zhì)子得到1/64。故總靈敏度只有1H的1/6000，較難測定。但近30年來，核磁共振儀器很大改進(jìn)，能在短時間內(nèi)測定

4、13C譜，且給出的信息較多，已成為NMR的主要手段。1H, 19F,31P天然豐度較大，磁性較強(qiáng)，且核電荷分布為球狀，最易測定。,1原子核的自旋,2核磁共振現(xiàn)象,進(jìn)動:具有一定磁矩的自旋核在外磁場H0作用下，此核將因外磁場形成角作進(jìn)動運動：為進(jìn)動運動角速度，它正比于H0（外磁場強(qiáng)度）,自旋核在外磁場中的取向：沒有外磁場時，其自旋磁距取向是混亂的。磁性核處于外磁場H0中，有（2I1）個取向。磁性核在外磁場中的的自旋可以類比于陀螺在重力場中的進(jìn)動（旋進(jìn)、回旋）,圖 核在外磁場中的進(jìn)動,1/2 (),-1/2 (),若外界提供一個電磁波，波的頻率適當(dāng)，能量恰好等于核的兩個能量之差，h=E， 那么此原

5、子核就可以從低能級躍遷到高能級，產(chǎn)生核磁共振吸收。,兩種取向的能量差E可表示為:, 核磁共振的條件,產(chǎn)生核磁共振必須具備磁性原子核、外磁場、射頻磁場三個前提，且滿足射頻磁場的頻率等于自旋核的進(jìn)動頻率，才發(fā)生共振，由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷。, 核磁共振的條件,在外磁場H0垂直方向施加一旋轉(zhuǎn)磁場H1于進(jìn)動核，若H1的旋轉(zhuǎn)頻率同核的旋轉(zhuǎn)進(jìn)動頻率值相等時，進(jìn)動核可從H1吸收能量，由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷即為核磁共振。, 核磁共振現(xiàn)象：,低能態(tài)核比高能態(tài)核只多0.001。因此低能態(tài)核總是比高能態(tài)核多一些，因為這樣一點過剩，所以能觀察到電磁波的吸收。,3.飽和及弛豫,如果核連續(xù)吸收電磁波，原過剩的低能態(tài)就逐漸減少

6、，吸收信號的強(qiáng)度就會減弱，最終完全消失，這個現(xiàn)象就稱飽和。出現(xiàn)飽和時，兩種自旋狀態(tài)的核數(shù)目完全相同。,3.飽和及弛豫,在外部磁場中，低能態(tài)的核一般比高能態(tài)的核多一些，吸收電磁波能量而遷移到高能態(tài)的核會經(jīng)各種機(jī)制放出能量，而回到原低能態(tài)，這種過程稱弛豫。,它的存在是核磁共振現(xiàn)象得以保持產(chǎn)生波譜的必要條件。,弛豫的兩種類型：,自旋格子弛豫（縱向弛豫，T1 ） 高能態(tài)核被弛豫而遷移到低能態(tài)，這時所放出的能量作為平移、轉(zhuǎn)動和振動的熱能傳遞到格子區(qū)（弛豫過程中，高能態(tài)核周圍存在的各類磁性核稱之為格子），由于這個機(jī)制，低能態(tài)的核才能保持過剩。 自旋自旋弛豫（橫向弛豫，T2） 是在進(jìn)行旋進(jìn)運動而互相接近的兩

7、個核之間，互相交換自旋而產(chǎn)生的，這種弛豫不能保持過剩的低能態(tài)核。,譜線寬度與T1、T2成反比，并決定于它們中較小者。 T太小，譜線太寬 T太大，信號強(qiáng)度不夠， 最佳半衰期0.11”（相當(dāng)1Hz）,3.飽和及弛豫,4.屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移, 理想狀況時的共振,對于孤立的、裸露的核，E =(h/2) H 在一定H0下，一種核只有唯一的E E = E外 = h 只有唯一頻率的吸收 如H0=2.3500 T 時， 1H的吸收頻率為： = 100 MHz 13C的吸收頻率為： = 25.2 MHz,4.屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移, 真實的核：屏蔽現(xiàn)象,核外有電子（不是孤立、不是裸露） 化合物中：原子間結(jié)合（作用）不同

8、，如化學(xué)鍵、氫鍵、靜電作用、分子間力 設(shè)想：在H0=2.3500 T，由于核外電子的屏蔽，在核的位置，真實的磁場比2.3500 T略小 表示 H0 (1 ) 共振頻率，比100 MHz略高 高多少？對1H是010, 13C是0250,氫原子核的外面有電子，它們對磁場的磁力線有排斥作用。對原子核來講，周圍的電子起了屏蔽（Shielding）效應(yīng)。核周圍的電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)就越大，要相應(yīng)增加磁場強(qiáng)度才能使之發(fā)生共振。核周圍的電子云密度是受所連基團(tuán)的影響，故不同化學(xué)環(huán)境的核，它們所受的屏蔽作用各不相同，它們的核磁共振信號亦就出現(xiàn)在不同的地方。,4.屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移,4.屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移, 如果

9、用60MHz或100MHz的儀器測定，一般有機(jī)化合物質(zhì)子產(chǎn)生核磁共振的電磁波頻率范圍為1000Hz或1700Hz。在測定結(jié)構(gòu)時，需要測定正確的共振頻率，常常需要幾個Hz的準(zhǔn)確度，一般都以適當(dāng)?shù)幕衔餅闃?biāo)準(zhǔn)來測定相對頻率。標(biāo)準(zhǔn)化合物的共振頻率與某一個質(zhì)子共振頻率之差叫做化學(xué)位移,4.屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移, 常用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：四甲基硅烷 （TMS）,TMS作為標(biāo)準(zhǔn)物，有以下優(yōu)點：,沸點低27。C，回收樣品較易 易溶于 有機(jī)溶劑 信號為單峰，且這個信號的磁場比一般有機(jī)化合物的信號磁場高，故信號不會重疊 比較穩(wěn)定，與樣品分子之間不會發(fā)生締合,4. 實驗基本技術(shù),樣品制備,純度好 95以上 樣品量 23mg（

10、氫譜）一般給5mg （ 碳譜） 810mg 選擇好溶劑,4. 實驗基本技術(shù),溶劑：溶解度；惰性；易揮發(fā)；不干擾,理想溶劑必須具備以下條件： （1）不含質(zhì)子 （2）沸點低 （3）與樣品不發(fā)締合 （4）溶解度好 （5）價格便宜,常用的 溶劑有： CDCl3 、CD3COCD3 、CD3OD、DMSO-d6 、C5D5N D2O 氘代質(zhì)子越少越好，因為氘代不可能完全 CDCl3 ：最好 DMSO-d6：溶解度范圍寬，但沸點高，回收困難 C5D5N： 對甙類化合物溶解度好 同種物質(zhì)，溶劑不同，其NMR譜（尤其氫譜）相差較大,4. 實驗基本技術(shù),2,2,2,3,5、H核磁共振譜圖的信息,信號的數(shù)目: 分

11、子中有多少種不同類型的質(zhì)子 信號的位置: 每種質(zhì)子的電子環(huán)境，化學(xué)位移 信號的強(qiáng)度: 每種質(zhì)子的比數(shù)或個數(shù) 裂 分 情 況: 鄰近有多少個不同的質(zhì)子,化學(xué)位移的定義和表示,信號的位置 樣品 標(biāo)準(zhǔn) （Hz） 106 標(biāo)準(zhǔn) （M Hz ） 在上式中， 是以Hz為單位表示的化學(xué)位移，這個式子的分子以Hz，分母以M Hz 來表示。故以百萬分之一為單位的參數(shù)，用值表示時，TMS信號位移值為0,常見類型的有機(jī)化合物的化學(xué)位移,6. 影響化學(xué)位移的因素,誘導(dǎo)效應(yīng),CH3X 不同化學(xué)位移與-X的電負(fù)性 化合物 電負(fù)性（X） 4.0（F） 3.5（O） 3.1（Cl） 2.8（Br） 2.5（I） 4.26 3

12、.40 3.05 2.68 2.16,X, : X, 電子云密度, 屏蔽效應(yīng), 共振在較低磁場發(fā)生， ,拉電子基團(tuán)越多, 這種影響越大,誘導(dǎo)效應(yīng),3.05,5.30,7.27,基團(tuán)距離越遠(yuǎn)，受到的影響越小, 共軛效應(yīng),共軛效應(yīng)通過電子的位移而導(dǎo)致對質(zhì)子屏蔽的較弱或增強(qiáng), 各向異性效應(yīng),實驗發(fā)現(xiàn)鄰近pi-電子的H的化學(xué)位移的變化很大，難以用電負(fù)性來解釋，如,苯環(huán)(及其它大鍵體系)形成環(huán)流,芳烴的各向異性圖示,(a)苯環(huán)的H處于誘導(dǎo)磁場的去屏蔽區(qū)域，因此在低場 7.3；(b)18-輪烯的環(huán)外H去屏蔽，在低場.8.9，環(huán)內(nèi)H屏蔽，在高場， -1.8,雙鍵及三鍵的各向異性圖示,(c)乙烯基H，去屏蔽，

13、 5-6，醛H 9-10； (d)炔基H，屏蔽， 2-3,H鍵效應(yīng),ROH、RNH2在0.5-5，ArOH在4-7，變化范圍大，影響因素多 氫鍵作用隨溫度、溶劑、濃度變化顯著，可以了解與氫鍵有關(guān)的結(jié)構(gòu)及其變化,分子內(nèi)氫鍵同樣可以影響質(zhì)子的共振吸收,-二酮的烯醇式可以形成分子內(nèi)氫鍵 該羥基質(zhì)子的化學(xué)位移為1116, 溶劑效應(yīng),苯與 DMF形成了復(fù)合物。苯環(huán)的 電子云吸引DMF正電一端，排斥負(fù)電一端。 甲基正好處于屏蔽區(qū)，共振向高場移動；而 甲基處于去屏蔽區(qū)，共振吸收向低場移動，結(jié)果是兩個吸收峰位置發(fā)生互換,7. 自旋偶合與偶合常數(shù),7. 自旋偶合與偶合常數(shù),7. 自旋偶合與偶合常數(shù),產(chǎn)生譜線增多

14、的原因:自旋偶合,相鄰核自旋之間的相互作用稱為自旋-自旋偶合（spin-spin coupling） 由自旋耦合引起的吸收峰分裂使譜線增多的現(xiàn)象稱為自旋-自旋裂分，簡稱自旋裂分（splitting）,7. 自旋偶合與偶合常數(shù),自旋裂分規(guī)律:(n+1)規(guī)律,當(dāng)一個氫核有n個鄰近的全同氫核存在時，其NMR吸收峰分裂為(n+1)個，相鄰峰間距離為J（Hz），各峰相對強(qiáng)度比為二項式(a + b)n展開式的各項系數(shù)之比,信號裂分的數(shù)目和相對強(qiáng)度,氫核間的耦合類型,2J(a) 3J(b) 4J(c) 苯環(huán)上的質(zhì)子耦合(d-f),典型有機(jī)物的質(zhì)子耦合常數(shù),核 磁 共 振 碳 譜,13C NMR譜與1H譜的對比,幾種常見碳譜,使用一個高功率頻率范圍較寬的可以覆蓋全部質(zhì)子Larmor頻率范圍的去偶場，使樣品中所有1H全部共振飽和去偶使每一個C都出現(xiàn)一個S峰