第二章 核磁共振波譜法-本科生

核磁共振波譜法

核磁共振是1946年由美國斯坦福大學布洛克(F.Block)和哈佛大學珀賽爾(E.M.Purcell)各自獨立發(fā)現(xiàn)的,兩人因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。50多年來，超過14位科學家因推動核磁技術的發(fā)展而獲諾貝爾獎.核磁共振已形成為一門有完整理論的新學科.在世界的許多大學、研究機構和企業(yè)集團，都可以聽到核磁共振這個名詞，包括我們在日常生活中熟悉的大集團。而且它在化工、醫(yī)療、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防、環(huán)保、紡織及其它工業(yè)部門用途日益廣泛。6

射頻振蕩器

記錄儀或示波器射頻接收器及放大器

掃場線圈

掃場線圈

磁鐵磁鐵樣品管

7

1.核磁共振原理1.1概

述

核磁共振波譜是以兆周（10-1~102MHz)數(shù)量級的電磁波作用于原子核，原子核產(chǎn)生自旋躍遷所得吸收譜。由于各原子所處化學環(huán)境不同，使各種有機物的核磁共振譜不同，用以測定純化合物結構、純度及混合物定量等。NMR信息

化學位移

偶合常數(shù)

弛豫時間

NMR

氫譜

碳13譜

8

1.1.1核磁共振波譜法的特點:

◆

與通常的吸收光譜法相比,其來源不同.它來源于原子核自旋躍遷所得吸收譜;

◆

應用范圍廣:有機、無機、定性、結構分析、定量

◆

不需要標準樣品可直接進行定量;

◆

不破壞樣品;

◆

只能研究磁性核；固體樣品不能直接分析，必須轉(zhuǎn)化為溶液，對氣體樣品靈敏度較低。9

1.1.2核磁共振的條件：

◆

分析樣品必須含有磁性核；

◆

必須外加1T（特斯拉）以上的磁場；

◆

照射樣品的射頻輻射的能量應等于核磁能級差；．1.1.3核磁共振波譜圖的特點：

以吸收信號強度為縱坐標，以外加磁場強度H0或射頻頻率υ

為橫坐標，所作的曲線為核磁共振波譜圖。15

1.1.4核磁共振波譜法提供的信息:

◆

吸收峰數(shù)目

◆

多重峰數(shù)目

◆

化學位移

◆

偶合常數(shù)

◆

吸收峰面積橫坐標:化學位移縱坐標:吸收強度1.2原子核的自旋:原子核和電子一樣,存在自旋.從而有自旋角動量(ρ)和自旋磁場H0核的自旋角動量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子數(shù)(I)來描述。I＝0、1/2、1……

I=0，

ρ=0，無自旋，不能產(chǎn)生自旋角動量，不會產(chǎn)生共振信號。

只有當I＞O時，才能發(fā)生共振吸收,產(chǎn)生共振信號。

I的取值可用下面關系判斷：

質(zhì)量數(shù)（A）

原子序數(shù)（Z）

自旋量子數(shù)（I）

NMR

偶數(shù)偶數(shù)0無奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/2有奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)3/2,5/2,---有偶數(shù)奇數(shù)1,2,3,---有20

1）A和Z均為偶數(shù)的原子核，沒有自旋運動，不產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象；2）A為偶數(shù)、Z為奇數(shù)的原子核，有自旋運動，具有磁距，但核磁共振譜線寬；3）A為奇數(shù)、Z為奇數(shù)或偶數(shù)的原子核如1H1，13C6，19F9，

31P15等是核磁共振研究的最適宜對象，核磁共振譜線窄，便于檢測。1.3自旋核在外加磁場中的取向(旋轉(zhuǎn)方向)

取向數(shù)=2I+1

在沒有外磁場時，自旋核的取向是任意的,并且自旋產(chǎn)生的磁場方向也是任意的.

如:H的I=1/2,則:如果把H核放在外磁場中,由于磁場間的相互作用,氫核的磁場方向會發(fā)生變化:

應當注意，每個自旋取向?qū)⒎謩e代表原子核的某個特定的能量狀態(tài)，并可用磁量子數(shù)（ms

）來表示，它是不連續(xù)的量子化能級。ms取值可由－I……0……＋I決定。例如：I=1/2，則ms=?1/2，0，＋1/2；

I=1，則ms

=－1，0，＋1。在上圖中，當自旋取向與外加磁場一致時（ms

=＋1/2），氫核處于一種低能級狀態(tài)（E=－μH0）；相反時（ms=－1/2），氫核處于一種高能級狀態(tài)（E=＋μH0）兩種取向間的能級差，可用ΔE來表示：

ΔE=E2－E1=＋μH0－(－μH0)=2μH0(2.3)式中：μ為氫核磁矩；H0為外加磁場強度上式表明：氫核由低能級E1向高能級E2躍遷時需要的能量ΔE與外加磁場強度H0及氫核磁矩μ成正比。同理，I=1/2的不同原子核，因磁矩不同，即使在同一外加磁場強度下，發(fā)生核躍遷時需要的能量也是不同的。例如氟核磁矩（μF）＜（μH），故在同一外加磁場強度下發(fā)生核躍遷時，氫核需要的能量將高于氟核。每一種取向都對映一個能級狀態(tài)，有一個ms

。如：1H核：標記ms為－1/2和+1/21.4核的回旋

當原子核的核磁矩處于外加磁場H0

中，由于核自身的旋轉(zhuǎn)，而外加磁場又力求它取向于磁場方向，在這兩種力的作用下，核會在自旋的同時繞外磁場的方向進行回旋，這種運動稱為Larmor進動。

如果放在外磁場中,其運動方式變成:進動原子核在磁場中的回旋,這種現(xiàn)象與一個自旋的陀螺與地球重力線做回旋的情況相似。換句話說：由于磁場的作用，原子核一方面繞軸自旋，另一方面自旋軸又圍繞著磁場方向進動。其進動頻率，除與原子核本身特征有關外，還與外界的磁場強度有關。進動時的頻率、自旋質(zhì)點的角速度與外加磁場的關系可用Larmor方程表示：ω=2πv=γH0（2.4）v=γ/2πH0（2.5）式中：ω—角速度；v—進動頻率（回旋頻率）；γ—旋磁比（特征性常數(shù)）由Larmor方程表明，自旋核的進動頻率與外加磁場強度成正比。當外加磁場強度H0增加時，核的回旋角速度增大，其回旋頻率也增加。對1H核來說，當磁場強度H0為1.4092T(1T=104)高斯時，所產(chǎn)生的回旋頻率v為60兆赫（γ=26.753×107rad·T?1·s?1）；H0為2.3487T高斯時，所產(chǎn)生的回旋頻率v為100兆赫。1.5.核磁共振的產(chǎn)生:外界提供的能量等于不同取向原子核的能級差.即:核——原子核自旋I≠0磁——外加磁場H0

誘導產(chǎn)生自旋能級分裂共振——

外界=0進動能級躍遷

已知核從低能級自旋態(tài)向高能態(tài)躍遷時，需要一定能量，通常，這個能量可由照射體系用的電磁輻射來供給。如果用一頻率為ν射的電磁波照射磁場中的1H核時，電磁波的能量為E射=hv射(2.6)當電磁波的頻率與該核的回旋頻率ν回相等時，電磁波的能量就會被吸收，核的自旋取向就會由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，即發(fā)生核磁共振。此外E射=ΔE，所以發(fā)生核磁共振的條件是:

(2.7)

或

(2.8)可見射頻頻率與磁場強度H0是成正比的，在進行核磁共振實驗時，所用磁場強度越高，發(fā)生核磁共振所需的射頻頻率越高。H0H033

2.核磁共振儀器2.1NMR儀器

射頻振蕩器

記錄儀或示波器射頻接收器及放大器

掃場線圈

掃場線圈

磁鐵磁鐵樣品管

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2.1NMR儀器（1）磁鐵要求強而均勻的磁場，例如在14000Gs時，不均勻性小于6千萬分之一。永久磁鐵：方便，常用于60MHz與90MHz電磁鐵：要求電流穩(wěn)定度10-6A，磁場上限100MHz超導磁鐵：低溫（液氦）超導，200MHz（2）射頻振蕩器線圈與外加磁場垂直，可發(fā)射幾種固定頻率無線電波，如60、100、120、200、300MHz2.核磁共振儀器35

2.1NMR儀器（3）掃描發(fā)生器可在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)外加磁場強度進行掃描，通常3~10mGs

（4）射頻接受器檢測被吸收的電磁波能量（5）樣品管玻璃管，要粗細均勻并且旋轉(zhuǎn)（10~20轉(zhuǎn)/s以上）常量管0.4ml，微量管0.1ml，樣品幾十毫克，幾毫克。（6）記錄器及計算機（7）其它：電源、去偶儀、信號累計平均儀等2.核磁共振儀器36

2.2實驗技術

樣品溶于重氫氯仿或四氯化碳、重水等中，加四甲基硅（TMS）作內(nèi)標，進行測定。如丙酰胺：3H

2H

2H

NH2

CH2

CH3

TMSCH3-CH2-C-NH2

∥O2.核磁共振儀器3.1化學位移3.1.1化學位移的產(chǎn)生如上所述，當自旋原子核處在一定強度的磁場中，根據(jù)公式v=γH0

/2π可以計算出該核的共振頻率，例如，當1H核受到60MHz的射頻作用時，其共振的磁場強度為1.409T。如果有機化合物的所有質(zhì)子（1H）的共振頻率一樣，核磁共振譜上就只有一個峰，這樣核磁共振對有機化學也就毫無用處。1950年Protor和Dickinson等發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，它在有機化學上很有意義，即質(zhì)子的共振頻率不僅由外部磁場和核的旋磁比來決定，而且還要受到周圍的分子環(huán)境的影響。某一個質(zhì)子實際受到磁場強度不完全與外部磁場強度相同。質(zhì)子由電子云包圍，而電子在外部磁場垂直的平面上環(huán)流時，會產(chǎn)生與外部磁場方向相反的感應磁場。3.氫核磁共振（1H-NMR）自旋核在H0中的感應磁場H0核周圍的電子對核的這種作用，叫做屏蔽作用，各種質(zhì)子在分子內(nèi)的環(huán)境不完全相同，所以電子云的分布情況也不一樣，因此，不同質(zhì)子會受到不同強度的感應磁場的作用，即不同程度的屏蔽作用，那么，核真正受到的磁場強度為H=H0(1―σ)(σ為屏蔽常數(shù))。因此共振頻率與磁場強度之間有如下關系：（2.10）γH0從（2.10）式看出，如果磁場強度固定而改變頻率，或?qū)⑸漕l固定而改變磁場強度時，不同環(huán)境的質(zhì)子（即具有不同屏蔽參數(shù)σ的質(zhì)子）會一個接一個地產(chǎn)生共振。受屏蔽效應(氫核周圍的電子云密度，即相鄰基團的親電能力或供電能力)影響大小不同，不同類型氫核因所處的化學環(huán)境必然不同，共振峰將出現(xiàn)在磁場的不同區(qū)域。因而核磁共振吸收峰的位置有差異，這種差異用化學位移表征。因為差異很小，以相對化學位移值表示。這種由于分子中各組質(zhì)子所處的化學環(huán)境不同，而在不同的磁場產(chǎn)生共振吸收的現(xiàn)象稱為化學位移。

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3.氫核磁共振（1H-NMR）3.1.2化學位移表示方法因為化學位移數(shù)值很小，質(zhì)子的化學位移只有所用磁場的百萬分之幾，所以要準確測定其絕對值比較困難。實際工作中，由于磁場強度無法精確測定，故常將待測氫核共振峰所在磁場H0(sample)與某標準物氫核共振峰所在磁場H0(ref)進行比較，把這個相對距離叫做化學位移，并以δ表示：（2.11）H0(sample)-H0(ref)H0(ref)

其中，H0(sample)是待測氫核共振時所在磁場

H0(ref)是參考標準物氫核共振時所在磁場由于磁場強度的測定比較困難，而精確測量待測氫核相對于參考氫核的吸收頻率卻比較方便，故以代入（2.11）H0H0在上列公式中，因v（sample）及v(ref)數(shù)值都很大（其相對差很小，Hz單位），而它們與在NMR儀中用來照射樣品的電磁輻射的固定頻率（射頻）v0（60，100，200MHz）相差很小。故為方便起見，分母中的v(ref)可用v0代替，則：（2.12）（2.13）

這樣，化學位移（δ）就成了一個無因次的數(shù)了，因△v是Hz單位表示的化學位移，分子以Hz，分母以MHz來表示，因此，δ是以百萬分之一（ppm）為單位的參數(shù)（△v和v(ref)相比僅為百萬分之幾）

由此，化學位移成為一個無因次的數(shù)，并以多少個ppm來表示。（2.14）3.1.3標準氫核

理想的標準氫核應是多層沒有電子屏蔽的裸露氫核，但實際上是做不到的。