第二章-核磁共振原理

核磁共振原理一、基本原理二、核磁共振儀三、化學(xué)位移四、自旋－自旋偶合和自旋—自旋裂分核磁共振(nuclearmagneticresonancespectroscopy)，簡稱NMR，是指具有磁矩的原子核在靜磁場中，受到電磁波的激發(fā)而產(chǎn)生的共振躍遷現(xiàn)象。1945年F．Bloch和E．M．Purcell為首的兩個(gè)研究小組同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，NMR的理論基礎(chǔ)是核物理。核磁共振分析能夠提供四種結(jié)構(gòu)信息：化學(xué)位移δ、偶合常數(shù)J、各種核的信號強(qiáng)度比和弛豫時(shí)間。通過分析這些信息，可以了解特定原子(如1H、13C等)的化學(xué)環(huán)境、原子個(gè)數(shù)、鄰接基團(tuán)的種類及分子的空間構(gòu)型。近年來，隨著超導(dǎo)磁體和脈沖傅里葉變換法的普及，NMR的新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，核磁共振的分析方法和技術(shù)不斷完善，樣品用量大大減少，靈敏度大大提高。由只能測溶液試樣發(fā)展到可以做固體樣品，靈敏度很低的13C和15N等核的NMR測試也已可以順利完成。

NMR可以提供多種結(jié)構(gòu)信息，不破壞樣品，應(yīng)用很廣泛。NMR也可以作定量分析，但誤差較大，不能用于痕量分析。

F．Bloch和E．M．Purcell對核磁共振的解釋采取了不完全相同的理論。F．Bloch使用的是核磁感應(yīng)的觀點(diǎn)。E．M．Purcell用量子光學(xué)中能量吸收的觀點(diǎn)。這兩種觀點(diǎn)都在廣泛使用。不同場合用不同的理論。

一、基本原理

核磁共振譜是由具有磁矩的原子核受射頻場的照射而發(fā)生躍遷所形成的吸收光譜。

原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)都是偶數(shù)時(shí)，自旋量子數(shù)為零(I＝0)。原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)至少有一個(gè)為奇數(shù)時(shí)，其自旋量子數(shù)才不為零(I≠0)。I≠0的原子核本身的自旋運(yùn)動，將產(chǎn)生自旋角動量()，并使核有一個(gè)磁矩()。具有磁矩的核在靜磁場H0中，就會有一定的運(yùn)動和取向。除其原有的自旋運(yùn)動外還會產(chǎn)生圍繞H0的陀螺式運(yùn)動即進(jìn)動(見圖8—1)，且有自己特定的自旋量子數(shù)。

自旋量子數(shù)I＝0的原子核。它們沒有磁矩，不產(chǎn)生核磁共振，因此，不能用于核磁共振研究。自旋量子數(shù)I＝1/2或自旋量子數(shù)I＞1的原子核，自旋的核具有循環(huán)的電荷，因而可產(chǎn)生磁場，形成磁矩，即μ≠0。這類核適用于核磁共振研究。(見表8—1)。

可供核磁共振研究的原子核，以1H最容易測出，因此，目前分析中最常用的是1H—NMR的測定。其次，用的較多的是13C、31P和19F。雖然13C的天然豐度很小，只有1.069％(1H為99.9844％，19F為100％，31P為100％)。且其信號靈敏度只有質(zhì)子的1／63，較難測定。但現(xiàn)代由于儀器和操作技術(shù)的改進(jìn)，測定13CNMR譜在結(jié)構(gòu)測定中已占十分重要的地位。

在磁場中，各種核所產(chǎn)生的磁矩有一定的取向，由磁量子數(shù)（m）決定，而磁量子數(shù)m由核的自旋量子數(shù)決定，即：m＝I，(I－1)，(I－2)，…，－I由此，共有(2I＋1)個(gè)m值。1H，13C等核，其I＝1/2，則只可能有兩種取向，即：m＝＋1/2，表示核磁矩順著B0方向(↑)m＝－1/2，表示核磁矩逆著B0方向(↓)。

質(zhì)子磁矩的兩種取向相當(dāng)于兩個(gè)能態(tài)。磁矩方向與磁場相同(順B0方向)的，質(zhì)子能態(tài)低，不相同(逆B0方向)的，質(zhì)子能態(tài)高。

若以射頻場照射磁場中的質(zhì)子，當(dāng)射頻場的能態(tài)與兩個(gè)能態(tài)的能量差相等時(shí)，處于低能態(tài)的質(zhì)子就可吸收射頻場的能量躍遷到高能態(tài)。這就是核磁共振，上述兩個(gè)能態(tài)間的能量差可以下式表示：

式中：普朗克常數(shù)h＝(6.626176±0.000036)×10－34J·s

v—共振頻率。

共振頻率和外磁場強(qiáng)度之間又有如下的關(guān)系：

式中：γ—磁旋比，即核的磁矩與角動量的比值，是核固有的性質(zhì)；B0—外磁場強(qiáng)度。

對于相同的原子核，γ為常數(shù)，不同的原子核，則γ不同。由此，改變外磁場強(qiáng)度B0或改變輻射能頻率v都可保持上式的關(guān)系。目前，一般核磁共振儀多采用固定輻射頻率而改變磁場強(qiáng)度B0的方法，更便于獲得能量吸收曲線，即核磁共振譜圖。見圖8—2。同一種核，γ為一常數(shù)；磁場B0強(qiáng)度增大，共振頻率v也增大。不同的核γ不同，共振頻率也不同。如B0＝2.3TG(1TG＝104高斯)時(shí)，1H共振頻率為100MHz，13C為25MHz，31P為40.5MHz。

1H核有兩種能級狀態(tài)，由于兩者之間能量差很小，低能級核的總數(shù)僅占很少的多數(shù)。若外加磁場強(qiáng)度為14092高斯，溫度為27℃，則低能級與高能級1H核數(shù)目之比為也就是說，每一百萬個(gè)核中，低能級的氫核僅比高能級多l(xiāng)0個(gè)左右。對每個(gè)核來說，由低能級向高能級或由高能級向低能級的躍遷概率是—樣的，但低能級核的數(shù)目較多．因此總的來說，產(chǎn)生凈的吸收現(xiàn)象，產(chǎn)生NMR信號。由于兩種核的總數(shù)相差不大，若高能級的核沒有其他途徑回到低能級，也就是說沒有過剩的低能級核可以躍遷，就不會有凈的吸收，NMR信號將消失，這個(gè)現(xiàn)象叫飽和。在正常情況下，在測試過程中，高能級的核可以不用輻射的方式回到低能級，這個(gè)現(xiàn)象叫弛豫。

飽和與弛豫弛豫有兩種方式：

*1.自旋晶格弛豫、又叫縱向弛豫。核(自旋體系)與環(huán)境(又叫晶格)進(jìn)行能量交換，高能級的核把能量以熱運(yùn)動的形式傳遞出去，由高能級返回低能級。這個(gè)弛豫過程需要一定的時(shí)間，其半衰期用T1表示，Tl越小表示弛豫過程的效率越高。*2.自旋-自旋弛豫，又叫橫向弛豫..高能級核把能量傳遞給鄰近一個(gè)低能級核。在此弛豫過程前后，各種能級核的總數(shù)不變。其半衰期用T2表示。

對每一種核來說，它在某一較高能級平均的停留時(shí)間只取決于T1及T2中之較小者。根據(jù)測不準(zhǔn)原理．譜線寬度與弛豫時(shí)間成反比(由T1或T2中之較小者決定)。固體樣品T2很小，所以譜線很寬。因此在NMR測試中，一般將固體樣品配成溶液。另外，如果溶液中有順磁性物質(zhì)，如鐵、氧氣等物質(zhì)會使T1縮短，譜線加寬，所以樣品中不能含鐵磁性物質(zhì)。二、核磁共振儀核磁共振儀基本構(gòu)成如下圖：

1．磁鐵

用來產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的外加磁場。按磁鐵的種類分為永久磁鐵、電磁鐵、超導(dǎo)磁鐵三種。前兩種磁鐵的儀器最高可以做到100MHz，超導(dǎo)磁鐵可高達(dá)950MHz。MHz數(shù)越大，磁場強(qiáng)度越大，儀器越靈敏，圖譜越簡單，越易解析。在磁鐵上有一個(gè)掃描線圈(又叫Helmholtz線圈)，內(nèi)通直流電。它產(chǎn)生一個(gè)附加磁場，可用來調(diào)節(jié)原有磁場的磁場強(qiáng)度，連續(xù)改變磁場強(qiáng)度進(jìn)行掃描。把射頻振蕩器的頻率固定，進(jìn)行磁場掃描，使各種質(zhì)子在不同磁場強(qiáng)度下發(fā)生共振，得到NMR圖，這種方法叫“掃場”。一般這種連續(xù)波掃描的儀器，從低磁場強(qiáng)度即左端掃起，向高磁場強(qiáng)度的右端掃描，磁場強(qiáng)度的增加數(shù)值折合成頻率Hz而被記錄下來。在進(jìn)行測定時(shí)，電磁鐵要發(fā)熱，所以要用水冷卻，使其溫度變化小于每小時(shí)0.1度(＜0.1℃/h)。這種連續(xù)波掃描的儀器已經(jīng)基本不生產(chǎn)，目前生產(chǎn)的主要是超導(dǎo)磁鐵的脈沖博里葉變換核磁共振儀。

2．射頻振蕩器亦稱兆赫頻率器，其兆赫數(shù)一般是固定的，各射頻數(shù)相應(yīng)發(fā)生NMR信號的磁場強(qiáng)度值一定。例如，目前常用的60M周／s射頻，其磁場強(qiáng)度為14100Gs；100M周／s為23500Gs。300M周以上的頻率則采用液氮超導(dǎo)裝置。一般情況下，射頻頻率是固定的。在測定其他核如13C、15N時(shí)，要更換其他頻率的射頻振蕩器。

3．射頻接受器和記錄儀：產(chǎn)生核磁共振時(shí)，射頻接受器能檢出被吸收的電磁波能量。此信號被放大后，用儀器記錄下來就是NMR譜圖。射頻振蕩器、射頻接受器在樣品管外面，它們兩者互相垂直并且也與掃描線圈垂直。

4．探頭和樣品管座：射頻線圈和射頻接受線圈都在探頭里。樣品管座能夠旋轉(zhuǎn)，使樣品受到均勻的磁場。

5．電子計(jì)算機(jī)(工作站)：用于控制測試過程，作數(shù)據(jù)處理，如累加信號等。

6．其他：核磁共振儀還可以有其他一些裝置，用于不同的測試目的，擴(kuò)大儀器的應(yīng)用。(1).雙照射去偶裝置，用于做各種雙照射測定。(2).可變溫度控制裝置。(3).異核射頻振蕩器，用于測定13C、15N等核。三、化學(xué)位移

(一)1H的化學(xué)位移

化學(xué)位移的起源前面已經(jīng)講到，核磁共振的條件是改變頻率或磁場強(qiáng)度，使?jié)M足特定核的共振條件對于同一種核，旋磁比是相同的。那么固定了射頻頻率，是否所有1H核都在同一個(gè)磁場強(qiáng)度下發(fā)生共振呢？情況并非如此，質(zhì)子的共振磁場強(qiáng)度與它的化學(xué)環(huán)境有關(guān)。

不同的質(zhì)子(或其他種類的核)，由于在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同，因而在不同的磁場下共振的現(xiàn)象叫化學(xué)位移。

所謂化學(xué)環(huán)境主要是指氫原子核的核外電子云以及該氫原子鄰近的其他原子對其的影響。當(dāng)氫核處在外加磁場中時(shí)，其外部電子在外加磁場相垂直的平面上繞核旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，將產(chǎn)生—個(gè)與外加磁場相對抗的附加磁場。附加磁場使外加磁場對核的作用減弱。這種核外電子削弱外加磁場對核的影響的作用叫屏蔽。若以σ表示屏蔽常數(shù)，外加磁場為B0，這個(gè)屏蔽作用的大小為σB0，所以核的實(shí)受磁場B為B0－σB0。故核磁共振的條件應(yīng)表達(dá)為σ是核的化學(xué)環(huán)境的函數(shù)，因?yàn)楦鞣N氫核所處的化學(xué)環(huán)境不同、所以σ值也不同，故各種核在不同磁場強(qiáng)度下共振，產(chǎn)生了化學(xué)位移.

各種不同化學(xué)環(huán)境的1H共振頻率相差不大，如在100MHz的儀器上1H的共振頻率的差別約為1500Hz。由于無法以裸核作標(biāo)準(zhǔn)測出其絕對值，所以選用一種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的共振峰與測定化合物中的各種1H的相對距離Hz數(shù)，作為這些1H的化學(xué)位移。由此，化學(xué)位移的定義可以下式表示：

δ為化學(xué)位移，v為頻率，單位為周／s。由于磁場強(qiáng)度與共振頻率成正比關(guān)系，上式亦可表示為：由于標(biāo)準(zhǔn)的共振頻率數(shù)目較大，且與輻射頻率相差不多，為方便起見，即以v輻射頻率代替v標(biāo)準(zhǔn)，單位為周／s。因數(shù)值太小，為便于計(jì)算，各乘以106并設(shè)單位為ppm(partpermillion)。

最常用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為四甲基硅烷(CH3)4Si，簡稱TMS。由于Si的電負(fù)性低，四甲基上氫的屏蔽效應(yīng)大．它的共振信號在高場位，且為強(qiáng)而銳的吸收峰。以TMS的共振峰為零(δTMS＝0)。共振峰的共振頻率與TMS相差60周／s時(shí)，δ為1；相差120周／s時(shí)，δ為2；依此類推。

核磁共振譜圖中，常以化學(xué)位移δ為橫坐標(biāo)表示。化學(xué)位移也有用τ表示的。τ的定義為10－δ＝τ。例如，δ＝2，則τ＝8。用δ表示時(shí)，0是高場；用τ表示時(shí)，10是高場。有些化合物的質(zhì)子信號，發(fā)生在δ＝0以下，δ是負(fù)數(shù)，表示屏蔽效應(yīng)很強(qiáng)；反之，δ＝10以上，表示去屏蔽效應(yīng)很強(qiáng)。以δ表示化學(xué)位移，不因儀器不同而有所差異，使用方便，現(xiàn)為國際上采用。下面列舉一些基團(tuán)中質(zhì)子的化學(xué)位移(δ值)。見表8—2，8—3，8—4。

(二)13C的化學(xué)位侈

13C的化學(xué)位移范圍很寬。一般有機(jī)化合物中各種碳原子的δc值范圍在0—250ppm。一個(gè)不對稱的分子，幾乎每個(gè)碳原于都有各自的δc峰。δc一般也以TMS為內(nèi)標(biāo)物。δTMS＝0ppm。下面列舉一些化合物類型的δc：

(1)(取代)三元環(huán)、C－Si、長鏈－烷烴：0—10ppm或15ppm；

(2)烷烴、CH2或CH3上連有O、N、S、Br、Cl：30—50ppm；

(3)環(huán)氧化合物、或CH一連有Br、Cl：50—70ppm；

(4)炔烴、CH2上連有F：70—90ppm；

(5)－CCl3、－CHF、O－C－O：90—105ppm；

(6)(取代)芳烴、雜芳烴、烯烴、：105—150ppm；

(7)羰基化合物(羥酸、鹽、酯、酰胺等)，肟：150—180ppm；

(8)不飽和醛或酮、不飽和：180—200ppm；

(9)飽和酮、飽和、正碳離子：＞200ppm。

（三）31P的化學(xué)位移

31P—NMR具有較強(qiáng)的信號，因?yàn)?1P的豐度較大。31P－NMR一般以85％H3PO4為內(nèi)標(biāo)物。δp—0，由于31P譜線較寬；且δ隨溫度而變化，因此，一般報(bào)道的數(shù)據(jù)有5ppm的出入。

31PNMR的一些數(shù)據(jù)見表8—7。四、自旋－自旋偶合和自旋—自旋裂分

有機(jī)化合物的核磁共振譜圖中，有些質(zhì)子的吸收峰不是單峰，而是一組雙峰、三峰或多重峰。這是由于磁核之間的相互作用所引起的能態(tài)裂分，即一個(gè)質(zhì)子受到鄰近質(zhì)子的自旋狀態(tài)以反所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的影響導(dǎo)致的裂分現(xiàn)象。這種相互作用稱自旋—自旋偶合(Spin—spincoupling)。其作用的大小可用J來表示。J為自旋—自旋偶合常數(shù)，簡稱自旋偶合常數(shù)(Couplingconstant)，單位為Hz。自旋—自旋偶合所產(chǎn)生的裂分現(xiàn)象稱為自旋—自旋裂分(Spin－spinsplitting)，簡稱自旋裂分。

若一個(gè)質(zhì)子受鄰近一個(gè)質(zhì)子的影響，則裂分為兩個(gè)信號，即產(chǎn)生二重峰，其信號強(qiáng)度為1∶1。

若一個(gè)質(zhì)子受鄰近兩個(gè)質(zhì)子的影響，則裂分為三個(gè)信號，即產(chǎn)生三重峰，其信號強(qiáng)度為1∶2∶1。

若一個(gè)質(zhì)子受鄰近三個(gè)質(zhì)子的影響，則裂分為四個(gè)信號，即產(chǎn)生四重峰，其信號強(qiáng)度為1∶3∶3∶1。

由此，可見偶合裂分的峰數(shù)，有一定的規(guī)律，一組等同的質(zhì)子，可使一個(gè)鄰近的質(zhì)子發(fā)出的信號裂分為n＋1個(gè)峰。下面舉兩個(gè)例子說明自旋—自旋偶合和自旋—自旋裂分現(xiàn)象。[例1]3－戊酮從圖8－4可以看出，A為三重峰，系分子中CH3