第十五章 核磁共振波譜法

第十五章核磁共振波譜法

(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)將有磁矩的原子核放入磁場后，用適宜頻率的電磁波照射，就會吸收能量，發(fā)生原子核能級的躍遷，同時產(chǎn)生核磁共振信號，得到核磁共振譜，這種方法稱為核磁共振波譜法。核磁共振波譜法也屬于吸收光譜法，只是研究的對象是處于強(qiáng)磁場中的原子核對射頻輻射的吸收。

方法特點(diǎn)：核磁共振波譜法是各種有機(jī)和無機(jī)成分結(jié)構(gòu)分析的最強(qiáng)有力的工具之一；分析時樣品不會受到破壞，屬無損分析，在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但儀器價格昂貴。在磁場中，原子核分裂出的磁能級之間的能量差很小,若要在這樣的磁能級之間產(chǎn)生躍遷，其所需的電磁輻射能量極小，只要處于109－1010nm間的射頻輻射已足夠了。射頻區(qū)

§15－1核磁共振基本原理原子核是質(zhì)子與中子的組合體，是帶正電荷的粒子，本身有自旋現(xiàn)象，并且在沿著自旋軸方向上存在一個核磁矩μ和角動量P，兩者均為矢量，方向相同，它們的關(guān)系為：式中自旋量子數(shù)I可以為0,1/2,1,3/2，…等值，h為普朗克常數(shù)。

為磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，代表核的特性。核的自旋角動量P的值是量子化的，可用自旋量子數(shù)I表征：一、原子核的磁性質(zhì)和能級的能量1、原子核的自旋顯然，當(dāng)I=0時,P=0，即原子核沒有自旋現(xiàn)象，只有當(dāng)I>0時，原子核才有自旋角動量和自旋現(xiàn)象。自旋量子數(shù)與原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)有關(guān)：可見，I=0的原子核：因其原子核電荷分布不均勻，產(chǎn)生的共振信號復(fù)雜，應(yīng)用很少。只有I=1/2的原子核，因核電荷呈球體均勻分布，自旋時有磁矩產(chǎn)生，可產(chǎn)生共振信號，包括沒有自旋現(xiàn)象，沒有磁矩，也就不產(chǎn)生共振信號；I1的原子核：核的磁性質(zhì)2、自旋核在磁場中的行為當(dāng)自旋核置于外加磁場B0中，則沿著磁場方向的角動量分量為：

m為磁量子數(shù)。核的自旋軸在空間是不能連續(xù)地任意指向的，是量子化的，它只能有2I＋1個取向。I為自旋量子數(shù)。

每種取向代表一種磁能級，用m表示，其值為：I、I－1、I－2、…、－I。因此的氫核在外加磁場（BO）中，只能是兩種取向：平行于外磁場方向，能量較低與外磁場逆平行，能量較高在外磁場中的質(zhì)子核，由于本身自旋而產(chǎn)生磁場，并與外磁場相互作用，而產(chǎn)生一個以外磁場方向?yàn)檩S線的回旋運(yùn)動，稱為進(jìn)動或拉摩爾（Larmorprecession)進(jìn)動。這樣原子核一面自旋，一面繞磁場方向回旋，類似于陀螺的運(yùn)動。自旋核的角速度為進(jìn)動頻率拉摩爾進(jìn)動行為當(dāng)I=1/2時，m有兩個取向:-1/2,+1/2則質(zhì)子的高能級與低能級之間的能量差為：3、核磁共振吸收在外加磁場中能級的能量E可由下式確定。即當(dāng)進(jìn)動核便與輻射光子相互作用，即發(fā)生共振，

0為光子頻率也是核的進(jìn)動頻率，所以能級能量E取決于磁矩及磁場強(qiáng)度在給定的磁場強(qiáng)度下，質(zhì)子的進(jìn)動頻率是一定的。若此時以相同頻率的射頻輻射照射質(zhì)子，即滿足“共振條件”，該質(zhì)子就會有效地吸收射頻的能量，使其磁矩在磁場中的取向逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了從低能級到高能級的躍遷過程。此過程就是核磁共振吸收過程。

二、弛豫處在兩種能級上的原子核分布應(yīng)滿足玻耳茲曼方程由于磁能級的能量差很小，因此可以用上式計算出在室溫（300K)及1.41T磁場強(qiáng)度下，處于低能級的核的數(shù)目僅僅比高能級核約多百萬分之十。當(dāng)?shù)湍芗壓宋樟松漕l能量后，被激發(fā)到高能級上，同時給出共振信號。但隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，只占微弱多數(shù)的低能級核越來越少，很快高能級與低能級上分布的核數(shù)目相等，相當(dāng)于達(dá)到動態(tài)平衡。此時，體系的凈能量吸收為零，共振信號消失。這種現(xiàn)象稱為“飽和”。Ni,N0分別為在高能級和低能級上的核總數(shù)弛豫過程弛豫過程可分為兩類：縱向弛豫和橫向弛豫。1、縱向弛豫（又稱自旋－晶格弛豫）：處于高能級的核將其能量轉(zhuǎn)移給周圍分子骨架（晶格）中的其它核，而使自己返回到低能級，這種方式稱縱向弛豫。2、橫向弛豫（又稱自旋－自旋馳豫）：當(dāng)兩個相鄰的核處于不同能級，但進(jìn)動頻率相同時發(fā)生橫向弛豫。高能級核與低能級核互相通過自旋狀態(tài)的交換而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，每種自旋狀態(tài)的總數(shù)并未改變，也不可能改變兩種能級上的核數(shù)目的比例，但確實(shí)使某些高能級核的壽命減短了。事實(shí)上，信號并未中止，處于高能級的核可以通過非輻射途徑釋放能量后而回復(fù)到低能級，這一過程稱為弛豫過程。弛豫可用馳豫時間T來表征，表示處于高能級磁核壽命的量度，縱向弛豫時間T1，橫向弛豫時間T2表示?！?5－2核磁共振波譜儀（一）連續(xù)波核磁共振譜儀(CW-NMR)

：由磁鐵、磁場掃描發(fā)生器、射頻發(fā)生器、射頻接受器及信號記錄系統(tǒng)等組成磁鐵一、核磁共振波譜儀的類型：按工作方式不同，可分成兩類：連續(xù)波核磁共振譜儀(CW-NMR)和脈沖傅立葉核磁共振譜儀(PFT-NMR)1、磁鐵與磁場掃描發(fā)生器磁鐵的質(zhì)量和強(qiáng)度決定了核磁共振波譜儀的靈敏度和分辨率。靈敏度和分辨率隨磁場強(qiáng)度的增加而增加。

對磁場的要求：均勻性、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性必須十分良好。

磁鐵的類型：永久磁鐵、電磁鐵以及超導(dǎo)磁鐵。

永久磁鐵及電磁鐵獲得的磁場強(qiáng)度一般不超過2.4T相應(yīng)于氫核的共振頻率為100MHZ。超導(dǎo)磁鐵的分辨率最高，也最昂貴，其提供的磁場強(qiáng)度可達(dá)17.5T，相當(dāng)于質(zhì)子的吸收頻率為750MHZ。為便于儀器適合于各種原子核的核磁共振測定，一般以：固定射頻頻率，改變磁場強(qiáng)度，采用磁場掃描，稱為掃場；固定磁場強(qiáng)度,改變頻率，采用射頻頻率掃描，稱為掃頻。許多儀器同時有這兩種裝置。因?yàn)?、射頻發(fā)射和接收器將射頻發(fā)射器連接到發(fā)射線圈上，該線圈與掃描線圈垂直，然后將能量傳遞給樣品，而射頻發(fā)射方向垂直于磁場。射頻接收器連接到一個圍繞樣品管的線圈上，發(fā)射線圈與接收圈互相垂直，又同時垂直于磁場方向。當(dāng)振蕩器發(fā)生的電磁波頻率

0和磁場強(qiáng)度B0達(dá)到特定的組合時，就與試樣中氫核發(fā)生共振而吸收能量，其吸收情況被射頻接受器所檢出，通過放大而記錄下來。對1H波譜，樣品一般在50mg以上。但對于13C等核，自然豐度小，靈敏度低，或在很稀的溶液中，則應(yīng)采用脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀來獲得高靈敏度的圖譜。對高靈敏度傅里葉變換1H波譜，只需0.1mg樣品，對13C只需1mg。（二）脈沖傅里葉變換核磁共振波譜(PFT-NMR)PFT-NMR是采用多道發(fā)射機(jī)同時發(fā)射多種頻率，使處于不同化學(xué)環(huán)境的核同時共振，再采用多道接收裝置同時得到所有的共振信息，因此大大提高了分析速度和靈敏度。

CW-NMR采用的是單頻發(fā)射和接收方式，在某一時刻內(nèi)，只能記錄譜圖中很窄一部分信號，即單位時間內(nèi)獲得的信息很少,對于低濃度及信號強(qiáng)度弱的試樣（如13C）測定靈敏度低。二、樣品容器及樣品處理1、樣品容器

應(yīng)由不吸收射頻輻射的材料制成。用于研究1H核磁共振譜的樣品管外徑約5mm，通常以硼硅酸鹽玻璃制成。由于13C的自然豐度低，研究13C核磁共振譜則用外徑為10mm的管子。管長15－20cm，加入樣品量約占1／8－1／6管長。利用高速氣流使樣品管圍繞Y軸以每秒鐘30轉(zhuǎn)的速率急速旋轉(zhuǎn)，以消除磁場的非均勻性，提高譜峰分辨率。2、樣品的處理

非粘滯液體樣品：可不必處理，只要置于樣品管中即行。

粘滯液體樣品：一般配成約2－10％的稀溶液后實(shí)驗(yàn)。

固體樣品：若將固體樣品直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其圖譜往往有許多互相疊合的譜帶組成，且很寬，因此對結(jié)構(gòu)分析沒有什么意義。對固體樣品，可預(yù)先將其溶解，如果溶液的制備會引起分子結(jié)構(gòu)的變化，就必須采用固體樣品直接實(shí)驗(yàn)，但必須采用一些特殊技術(shù)。若研究1H核磁共振譜，樣品溶劑應(yīng)不含質(zhì)子。常用溶劑有四氯化碳、二硫化碳及氘代溶劑。氘代溶劑對樣品的溶解度比四氯化碳和二硫化碳更好，但價格貴。常用氘代溶劑為CDCl3和C6D6。水溶性樣品則應(yīng)用D2O。溶劑選擇主要決定于樣品溶解度。樣品溶液應(yīng)不含磁性及不溶雜質(zhì),且粘度小?！?5－3化學(xué)位移與核磁共振譜圖據(jù)前討論可知，當(dāng)一個自旋量子數(shù)不為零的核置于外磁場中，它只有一個共振頻率，圖譜上只有一個吸收峰，如圖為玻璃管中放入蒸餾水后在低分辨核磁共振波譜儀上測得的水、玻璃及線圈銅絲中各成分在不同磁場強(qiáng)度下的共振譜圖。因此，核磁共振波譜法可成為無機(jī)化合物定性鑒定強(qiáng)有力的手段，且只需低分辨儀器就可以了。(a)低分辨；(b)高分辨乙醇的核磁共振圖譜如圖所示（60MHZ）但是，實(shí)際上在分辨率較高的核磁共振儀上測得的有機(jī)物氫譜往往會得到許多條氫核共振譜線，且存在許多精細(xì)結(jié)構(gòu)。究其原因發(fā)現(xiàn)是由于核所處的化學(xué)環(huán)境對核磁共振吸收的影響。不同的化學(xué)環(huán)境就會產(chǎn)生不同的核磁共振信息，因此就使核磁共振波譜成為研究有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的重要手段。

兩類化學(xué)環(huán)境的影響：(1)質(zhì)子周圍基團(tuán)的性質(zhì)不同，使它的共振頻率不同，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。(2)所研究的質(zhì)子受相鄰基團(tuán)的質(zhì)子的自旋狀態(tài)影響，使其吸收峰裂分的現(xiàn)象稱為自旋－自旋裂分。一、化學(xué)位移及其影響因素

1.兩類化學(xué)環(huán)境2.化學(xué)位移及其表示化學(xué)位移的產(chǎn)生：當(dāng)原子核置于強(qiáng)磁場中，其周圍運(yùn)動著的電子就會產(chǎn)生一個方向相反的感應(yīng)磁場，這種對抗外磁場的作用，稱為電子的屏蔽效應(yīng)。由于核外電子云的屏蔽作用，使原子核實(shí)際受到的磁場作用減小，為使核磁發(fā)生共振，必須增加外加磁場的強(qiáng)度以抵消電子云的屏蔽作用。

為屏蔽常數(shù)；B為實(shí)受磁場強(qiáng)度；由于核的共振頻率的化學(xué)位移只有百萬分之幾，采用絕對表示法非常不便，因而采用相對表示法。為此選擇一個參比化合物，并按下式表示相對化學(xué)位移值δ（有些文獻(xiàn)中常以ppm為單位來表示）。另一種表示方法采用τ：τ=10—δ化學(xué)位移的表示：所選參比物所受屏蔽最強(qiáng)，所以一般有機(jī)物氫核的相對化學(xué)位移值

為負(fù)值，為方便一般負(fù)號不加。最常用的參比物是四甲基硅烷，Si(CH3)4簡稱TMS，將它的δ值人為定為零。實(shí)驗(yàn)時加入到樣品溶液中。

選用TMS作標(biāo)準(zhǔn)的原因:

(1)TMS中12個質(zhì)子處于完全相同的化學(xué)環(huán)境中，只有一

個尖峰；

（2）TMS中質(zhì)子外圍的電子云密度和一般有機(jī)物相比是最

密的，因此氫核受到最強(qiáng)烈的屏蔽，共振時需要外加

磁場強(qiáng)度最強(qiáng)，值最大，不會和其它化合物的峰重疊；

（3）TMS是化學(xué)惰性，不會和試樣反應(yīng)；

（4）易溶于有機(jī)溶劑，沸點(diǎn)低，回收試樣容易。對水溶樣品，應(yīng)選擇4，4－二甲基－4－硅代戊磺酸鈉（DSS）作為參比化合物。(CH3)3SiCH2CH2CH2SO3Na參比物的選擇影響電子云密度的各種因素均會影響化學(xué)位移相鄰的原子或基團(tuán)的電負(fù)性大，該質(zhì)子周圍的電子云密度就小，屏蔽程度減?。慈テ帘纬潭仍龃螅?，該質(zhì)子的共振信號移向低場（即δ值增大）。

電負(fù)性對化學(xué)位移的影響CH3Si(CH3)3，

CH3-H，

CH3-N，CH3-Br，0 0.2 2.2 2.7CH3-C1，CH3-OH，CH3-NO2CH2Cl2

3.0 3.2 4.35.33、影響化學(xué)位移的因素（1）誘導(dǎo)效應(yīng)（2）磁各向異性效應(yīng)磁各向異性效應(yīng)是由于置于外加磁場中的分子所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，使分子所在空間出現(xiàn)屏蔽區(qū)和去屏蔽區(qū)，導(dǎo)致不同區(qū)域內(nèi)的質(zhì)子移向高場和低場。各向異性效應(yīng)通過空間感應(yīng)磁場起作用，涉及范圍大，所以又稱遠(yuǎn)程屏蔽。雙鍵的各向異性效應(yīng)芳環(huán)與醛基的各向異性效應(yīng)炔鍵的各向異性效應(yīng)二、核磁共振圖譜上圖為用60MHz核磁共振譜儀測定乙醚所得圖譜，圖中橫坐標(biāo)是化學(xué)位移用（或）表示，圖左邊為低磁場，右邊為高磁場。圖中有兩條曲線，下面一條是乙醚中質(zhì)子共振線，上面一條階梯形曲線為積分線。-CH2--CH3TMS由質(zhì)子共振圖譜可得到下列信息：

1、吸收峰的組數(shù)，說明分子中化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子有幾組；

2、質(zhì)子吸收峰出現(xiàn)的頻率，即化學(xué)位移值，說明分子中的基

團(tuán)情況；

3、峰的分裂個數(shù)及偶合常數(shù)，說明基團(tuán)間的連接關(guān)系；

4、階梯式積分曲線的高度，說明各基團(tuán)的質(zhì)子比?！?5－4自旋偶合與自旋裂分一、自旋偶合與自旋裂分圖中，乙醚的核磁共振波譜圖的共振信號發(fā)生了裂分，這是由于相鄰碳原子的質(zhì)子之間相互作用分引起的，這種作用稱為自旋－自旋偶合，簡稱自旋偶合，由自旋偶合引起譜線增多的現(xiàn)象稱為自旋－自旋裂分，簡稱自旋裂分。每一個質(zhì)子都可視作一個自旋的小磁體，在外加磁場中，由它自旋而產(chǎn)生的小磁場，只有兩種可能性，與外磁場方向一致或相反(這兩種可能性出現(xiàn)的幾率基本上是相等的)，凈結(jié)果肯定是使質(zhì)子核所受磁場強(qiáng)度發(fā)生變化。1、自旋偶合的產(chǎn)生以碘乙烷為例：存在兩組質(zhì)子，即Hd,Hc，Hd（三個質(zhì)子化學(xué)環(huán)境相同）除了受外界磁場作用以外，還受到相鄰碳原子上Hc的影響，兩個Hc相當(dāng)于存在兩個小磁場，對Hd所受磁場強(qiáng)度必然產(chǎn)生影響。HcHd因此，Hd裂分為3個峰，強(qiáng)度比為1:2:1

Hc同樣也受Hd的影響，Hc裂分為4個峰，強(qiáng)度比為1:3:3:1裂分后多重峰的個數(shù)：符合(n+1)規(guī)律，n表示相鄰碳原子上氫原子的個數(shù)。相鄰碳原子上氫原子的個數(shù)為1，則裂分為二重峰，3