核磁共振波譜波譜分析課程

核磁共振波譜NuclearMagneticResonanceSpectroscopy1核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024幾個(gè)物理量P：自旋角動(dòng)量m：磁距m=rPr：磁旋比，對(duì)同一原子核而言，為常數(shù)，r越大表明其磁性越強(qiáng)，越易檢測(cè)P

h/2

P

普朗克常數(shù)2核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024前言核磁共振技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介第一節(jié)NMR基本原理第二節(jié)核磁共振氫譜第三節(jié)圖譜解析3核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024前言用傳統(tǒng)的化學(xué)方法解析結(jié)構(gòu)，方法繁瑣，用量大，耗時(shí)長(zhǎng)如：鴉片中嗎啡的結(jié)構(gòu)確定，用了150年時(shí)間，直到20世紀(jì)50年代?，F(xiàn)代波譜學(xué)發(fā)展為結(jié)構(gòu)解析提供強(qiáng)有力的手段四大光譜：UV、IR、NMR、MS–UV：是否含有發(fā)色團(tuán)、助色團(tuán)–IR：具有何種官能團(tuán)–MS：分子量，結(jié)構(gòu)碎片–NMR：結(jié)構(gòu)解析的主要手段解決立體構(gòu)型問(wèn)題的：CD、ORD、X-射線單晶衍射ONHOHO嗎啡morphine4核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024核磁共振技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介技術(shù)發(fā)展1946年，美國(guó)斯坦福大學(xué)F.

Bloch和哈佛大學(xué)EM

Pucell幾乎同時(shí)觀測(cè)了石蠟中質(zhì)子的信號(hào)1951年, Arnold

發(fā)現(xiàn)乙醇的NMR信號(hào)及與結(jié)構(gòu)的關(guān)系1953年, Varian公司試制了第一臺(tái)NMR儀器30MHz(CW-30MHz)1970年，PFT-NMR發(fā)展成熟1980年后，2D-NMR技術(shù)發(fā)展成熟近年來(lái)，3D，多維NMR發(fā)展成功，可用于DNA、多肽、蛋白的結(jié)構(gòu)解析，但尚未達(dá)到常規(guī)使用的階段NMR現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1945年，發(fā)展迅速，已成為當(dāng)代研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)最有力的工具。5核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024核磁共振技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介NobelPrize:?1943O.Stern---測(cè)定質(zhì)子磁距?1944I.I.Rabi---測(cè)定原子核磁距的共振方法?1952F.BlochandE.M.Pucell(美國(guó))---核磁共振現(xiàn)象?1991R.R.Ernst(英國(guó))---傅立葉變換核磁共振?2002K.WüTHRICH(瑞士) ---核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法6核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024第一節(jié)NMR基本原理7核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024NMR信號(hào)是如何產(chǎn)生的？8核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024半數(shù)以上的原子核具有自旋，其中的質(zhì)子、中子與電子一樣具有自旋運(yùn)動(dòng), 旋轉(zhuǎn)時(shí)能形成環(huán)電流，產(chǎn)生一個(gè)小磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁矩。9核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024原子核的自旋運(yùn)動(dòng)，可用自旋量子數(shù)(I)表征I----取決于質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)NMR主要研究對(duì)象:I=1/2的核，如1H,13C,15N,19F,31P質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)INMR信號(hào)電荷分布偶數(shù)偶數(shù)0無(wú)均勻偶數(shù)奇數(shù)1,2,3,…有不均勻奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/23/2,5/2,…有有均勻不均勻一、原子核的磁距(核磁)原子序數(shù)--一個(gè)原子核內(nèi)質(zhì)子的數(shù)量10核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024元素周期表11核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20242、原子核的進(jìn)動(dòng)當(dāng)核磁矩與外加磁場(chǎng)指向成一夾角時(shí)，則在外加磁場(chǎng)的作用下，核磁矩將圍繞外加磁場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)動(dòng)，稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng)(lamorprocession)進(jìn)動(dòng)頻率：w =H0g/2p二、原子核的進(jìn)動(dòng)Ho

o

12核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024自旋核形成的核磁矩可看成是個(gè)小磁針，沒有磁場(chǎng)時(shí)，排列混亂。當(dāng)置于外加磁場(chǎng)下，磁矩沿外加磁場(chǎng)方向被迫有序分布，產(chǎn)生能級(jí)差異二、原子核的進(jìn)動(dòng)高能態(tài)，不穩(wěn)定取向與H0相反低能態(tài)，較穩(wěn)定取向與H0相同13核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024二、原子核的進(jìn)動(dòng)自旋取向 m------磁量子數(shù)自旋核在外加磁場(chǎng)H0作用下，發(fā)生自旋取向，取向是量子化的當(dāng)置于外加磁場(chǎng)H0中時(shí)，相對(duì)于外磁場(chǎng)，可以有（2I+1）種取向，氫核I=1/2，故有兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;14核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024能級(jí)的躍遷只能發(fā)生在相鄰能級(jí)上 ⊿E=hH0g/2π能級(jí)差越大，吸收能量越多，越靈敏。在不同磁場(chǎng)下的能級(jí)差異，隨磁場(chǎng)大小而改變：H0↑，NMR分辨率提高二、原子核的進(jìn)動(dòng)15核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024在外磁場(chǎng)中，原子核能級(jí)產(chǎn)生裂分，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，需要吸收能量（由射頻振蕩線圈產(chǎn)生電磁波所提供）三、核的躍遷與電磁輻射(共振)躍遷實(shí)質(zhì)：m=1/2進(jìn)動(dòng)錐面翻轉(zhuǎn)到m=-1/2進(jìn)動(dòng)錐面的過(guò)程。16核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024三、核的躍遷與電磁輻射(共振)在靜磁場(chǎng)中，具有核磁矩的原子存在不同能級(jí)，運(yùn)用某一特定頻率的電磁波來(lái)照射被測(cè)樣品，并使供給的能量滿足于能級(jí)之間的能量差，原子核即可進(jìn)行能級(jí)之間的躍遷，這就是核磁共振。綜上所述，共振條件如下：磁性原子核-----》磁矩外磁場(chǎng)------》能級(jí)裂分;(3)照射頻率=自旋核的進(jìn)動(dòng)頻率17核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024在1.4092特斯拉的磁場(chǎng)，各種核的共振頻率為：1H13C19F31P60.000MHZ15.086MHZ56.444MHZ24.288MHZ對(duì)于1H核，不同的頻率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度：射頻磁場(chǎng)強(qiáng)度400.9400601.40921002.35002004.70003007.100050011.7500三、核的躍遷與電磁輻射(共振)B0

2

0

18核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024掃頻—固定磁場(chǎng)強(qiáng)度，改變射電頻率對(duì)樣品進(jìn)行掃描掃場(chǎng)—固定射電頻率，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)樣品進(jìn)行掃描核磁共振儀的工作方式對(duì)于同一種核

，磁旋比

為定值，

B0變，射頻頻率

變；氫核（1H）：1.409T2.305T共振頻率共振頻率60 MHz100MHz不同原子核，磁旋比

不同，可以在不同的頻率范圍內(nèi)分別得到不同原子核的核磁共振譜；氫核（1H）：4.690T碳核（13C)：4.690T共振頻率共振頻率200MHz50MHz19核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024現(xiàn)代核磁共振儀脈沖傅立葉變換核磁共振儀(PulsedFourierTransformNMRSpectrometers--PFT

NMR)固定磁場(chǎng)，由超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生脈沖方波自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID信號(hào)）經(jīng)傅立葉變換得到NMR圖譜核磁共振儀的工作方式20核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024NSBoB1DetectorFrequencyGeneratorRecorderMagnet核磁共振儀的原理圖21核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024核磁共振儀的原理圖22核磁共振波譜波譜分析課程5/8/202423核磁共振波譜波譜分析課程5/8/202424核磁共振波譜波譜分析課程5/8/2024屏蔽效應(yīng)H核在分子中不是完全裸露的，而是被價(jià)電子所包圍的。因此，在外加磁場(chǎng)作用下，由于核外電子在垂直于外加磁場(chǎng)的平面繞核旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生與外加磁場(chǎng)方向相反的感生磁場(chǎng)H

。這樣，H核實(shí)際感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：NMR的實(shí)現(xiàn)：HN=hu/2p(1-s)s↑→HN↑，即NMR信號(hào)出現(xiàn)在高磁場(chǎng)四、屏蔽效應(yīng)及其影響下的核能級(jí)躍遷H實(shí)

H0

H'

H0

H0

H0(1

)σ為屏蔽常數(shù)25核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20241、Boltzmann分布當(dāng)一群數(shù)目很大的I=1/2原子核在恒定的外磁場(chǎng)中，這些核有兩種取向：m=+1/2m=-1/2熱平衡時(shí)，兩種取向的原子核分布服從Boltzmann分布，五、核的宏觀磁化量26核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20241、Boltzmann分布對(duì)1H核而言，N+1/2N-1/2五、核的宏觀磁化量=1.000009N+1/2----低能態(tài)核數(shù)目N-1/2----高能態(tài)核數(shù)目1百萬(wàn)個(gè)質(zhì)子中兩者數(shù)目差別為10個(gè)低能態(tài)的核數(shù)目略多于高能態(tài)的核---躍遷存在可能兩種能態(tài)分布相差甚微，躍遷幾率很少—靈敏度很低27核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20242、馳豫高能態(tài)的原子核通過(guò)非輻射形式放出能量而回到低能態(tài)的過(guò)程①自旋一晶格馳豫（縱向馳豫）高能態(tài)的原子核將能量以熱能形式傳遞給周圍的環(huán)境而回到低能態(tài)，②自旋一自旋馳豫（橫向馳豫）核自旋之間進(jìn)行的內(nèi)部?jī)?nèi)能量交換，高能態(tài)的將能量傳給低能態(tài)的核，使高能態(tài)核變成低能態(tài)，低能態(tài)變成高能態(tài)。五、核的宏觀磁化量28核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20243、脈沖技術(shù)PFT-NMR的工作方式原理：1個(gè)脈沖覆蓋了核磁共振所有的頻率范圍，在短時(shí)間內(nèi)完成共振，大大縮短測(cè)試時(shí)間FT*=tp五、核的宏觀磁化量29核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20244、傅立葉變換FourierTransform五、核的宏觀磁化量30核磁共振波譜波譜分析課程5/8/20241、NMR的靈敏度n------自旋核數(shù)目，與天然豐度、樣品量、分子量相關(guān)13C天然豐度：1.107%1H天然豐度：99.985%r------磁旋比,與自旋核有關(guān)的常數(shù)13C=

6.728×1041H

=26.753×104rad/srad/s13C-NMR靈敏度為1H-NMR