第8章 核磁共振波譜法課件

08第8章核磁共振波譜法1第8章

核磁共振波譜法08第8章核磁共振波譜法1核磁共振波譜法(NMR)定義：通過測量原子核對射頻輻射的吸收來確定有機(jī)物或某些生化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型核進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一種極為重要的方法只有那些磁性核（I≠0）的才能產(chǎn)生吸收在外磁場作用下，原本簡并的核自旋能級分裂呈（2I＋1）個分立的核磁能級，當(dāng)外來輻射能量與相鄰磁能級的能量間隔相等時，產(chǎn)生能級躍遷，發(fā)生核磁共振現(xiàn)象。08第8章核磁共振波譜法1發(fā)展簡史三次諾貝爾獎，說明了核磁共振的重要性。開拓在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)：處于不同化學(xué)環(huán)境的同種原子核具有不同的共振頻率（化學(xué)位移）；相鄰自旋核引起的多重譜線（自旋－自旋耦合）脈沖技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了FT－NMR，使13C在有機(jī)分子結(jié)構(gòu)確定方面得到．08第8章核磁共振波譜法1近年的發(fā)展譜儀磁場發(fā)展到高強(qiáng)度（1KMHz）：大大提高了靈敏度和分辨率。二維及多維核磁共振譜、多量子躍遷等新測定技術(shù)：在歸屬復(fù)雜分子，尤其是溶液中蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的譜線方面非常有用。固體高分辨NMR及核磁共振成像技術(shù)。08第8章核磁共振波譜法1應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)過程：最有效的結(jié)構(gòu)鑒定方法?？色@得化學(xué)鍵、熱力學(xué)參數(shù)和反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理。定性、定量分析；產(chǎn)品質(zhì)量鑒定?；瘜W(xué)家、生物化學(xué)家、物理學(xué)家以及醫(yī)學(xué)家的重要工具：有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)、物理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)以及工業(yè)部門。08第8章核磁共振波譜法18.2基本原理

原子核的自旋

08第8章核磁共振波譜法1自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩I與原子的質(zhì)量數(shù)A及原子序數(shù)Z有關(guān)1）質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均為偶數(shù)，I＝0。2）質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)，I為半整數(shù)倍。3）質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù)，I為整數(shù)。從而只有2）、3）兩類原子核是核磁共振研究的對象。08第8章核磁共振波譜法1討論:(1)

Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機(jī)化合物的主要組成元素。(2)I=1或I>0的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I

這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少；08第8章核磁共振波譜法108第8章核磁共振波譜法1H0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz08第8章核磁共振波譜法13.核磁共振現(xiàn)象

自旋量子數(shù)I=1/2的原子核（氫核），可當(dāng)作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生磁場，類似一個小磁鐵。當(dāng)置于外磁場H0中時，相對于外磁場，有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;08第8章核磁共振波譜法1核磁共振：采用橫向外加適當(dāng)能量的射頻場B1，儀適當(dāng)頻率的電磁波照射核時可發(fā)生能級間的躍遷。滿足條件：不同的原子核，由于γ不同，在同一磁場中發(fā)生共振時的頻率不同：鑒別元素或同位素；同一種核，磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，共振頻率改變。08第8章核磁共振波譜法1弛豫過程弛豫(relaxtion)——高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和(saturated)——低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。08第8章核磁共振波譜法1馳豫過程1.自旋-晶格馳豫：高能態(tài)的以熱能形式傳遞給周圍的離子。全體核的總能量下降，縱向馳豫。馳豫時間T1：反映馳豫過程效率，粘度不大，濃度合適的溶液2.自旋-自旋馳豫：相鄰兩能態(tài)不同的相同核之間發(fā)生的能量交換過程。體系的總能量不變，橫向馳豫。馳豫時間T2：固體試樣的小，使得共振吸收峰的寬度增大，分辨率降低。固體試樣配置成溶液

08第8章核磁共振波譜法1化學(xué)位移定義：同一種核，由于在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同，吸收峰有所變化。理想化：裸露的原子核。原子核受周圍不斷運(yùn)動著的電子影響。由楞次定律產(chǎn)生一個感應(yīng)磁場B‘會起到屏蔽作用，使實(shí)際受到的外磁場作用減小。08第8章核磁共振波譜法1各官能團(tuán)的原子核具有不同的屏蔽常數(shù)，共振吸收峰對應(yīng)不同的頻率或磁場強(qiáng)度。固定射頻，掃描磁感應(yīng)強(qiáng)度作圖。σ大的原子核B0需增大才產(chǎn)生共振，將在高磁場處出現(xiàn)吸收峰：原子核結(jié)構(gòu)類型鑒定。08第8章核磁共振波譜法12.化學(xué)位移的表示方法位移通常很小，難以準(zhǔn)確測定絕對值。相對標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）以其峰位為譜圖坐標(biāo)原點(diǎn)，測定試樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的共振頻率差。08第8章核磁共振波譜法1位移的表示方法

與裸露的氫核相比，TMS的化學(xué)位移最大，但規(guī)定

TMS=0，其他種類氫核的位移為負(fù)值，負(fù)號不加。

小，屏蔽強(qiáng)，共振需要的磁場強(qiáng)度大，在高場出現(xiàn)，圖右側(cè)；

大，屏蔽弱，共振需要的磁場強(qiáng)度小，在低場出現(xiàn)，圖左側(cè)；

為什么用TMS作為基準(zhǔn)?a.12個氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰；

b.屏蔽強(qiáng)烈，位移最大。與有機(jī)化合物中的質(zhì)子峰不重迭；

c.化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。08第8章核磁共振波譜法1化學(xué)位移的測定測定時將內(nèi)標(biāo)TMS和試樣溶于氘代溶劑中。試驗(yàn)方法：

1）固定照射的電磁波頻率，不斷改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，從低場向高場變化，稱為掃場

2）固定磁感應(yīng)強(qiáng)度，改變照射頻率的方法稱為掃頻。08第8章核磁共振波譜法18.2.4自旋偶合與自旋裂分

每類核磁共振峰不總表現(xiàn)為單峰，有時多重峰。原因：核磁矩之間的相互作用，稱為自旋-自旋耦合作用08第8章核磁共振波譜法1峰的裂分多重峰的峰間距：偶合常數(shù)（J），用來衡量偶合作用的大小，取決于所涉及到的兩個核的性質(zhì)及相隔鍵的數(shù)目，因耦合作用一般是通過成鍵電子對傳遞的，范圍一般不超過三個鍵。08第8章核磁共振波譜法1自旋偶合08第8章核磁共振波譜法1

峰裂分?jǐn)?shù)：n+1規(guī)律；相鄰碳原子上的質(zhì)子數(shù)；系數(shù)符合二項(xiàng)式的展開式系數(shù)；

峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對比例。08第8章核磁共振波譜法1峰裂分?jǐn)?shù)：教材以乙醇為例08第8章核磁共振波譜法1在常規(guī)乙醇中由于微量H3O＋或OH－能促進(jìn)乙醇分子間OH質(zhì)子的迅速交換，消除了亞甲基與羥基質(zhì)子之間的自旋－自旋相互作用，使亞甲基仍保持四重峰。在高純乙醇中不發(fā)生分子間羥基質(zhì)子交換，由于羥基質(zhì)子的兩種自旋狀態(tài)，使亞甲基四重峰的每一條線有分裂為雙線，成為八重峰，羥基分裂為三重峰。詳見教材P202圖8-708第8章核磁共振波譜法1結(jié)論1）n+1規(guī)律：M＝n+1n表示鄰近的產(chǎn)生耦合的原子核數(shù)（I＝1/2)2）每相鄰兩條譜線間的距離相等。3）具有I＝1/2的耦合核，每組多重譜線間強(qiáng)度比為（a+b)n展開式的各項(xiàng)系數(shù)。08第8章核磁共振波譜法1峰裂分?jǐn)?shù)1:11:3:3:11:11:2:108第8章核磁共振波譜法1峰裂分?jǐn)?shù)1H核與n個不等價1H核相鄰時，裂分峰數(shù)：（n+1)(n′+1)……個；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=2×2×2=8Ha裂分為8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:108第8章核磁共振波譜法1峰裂分?jǐn)?shù)Ha裂分為多少重峰？01234JcaJbaJca

JbaHa裂分峰:(3+1)(2+1)=12實(shí)際Ha裂分峰:(5+1)=6強(qiáng)度比近似為：1:5:10:10:5:108第8章核磁共振波譜法1耦合常數(shù)J1）J的大小表示相鄰兩核間作用力的強(qiáng)弱。2）耦合作用通過成鍵電子對傳遞從而耦合常數(shù)的大小與相隔化學(xué)鍵的數(shù)目密切相關(guān)。隨化學(xué)鍵數(shù)目增加，J迅速下降；四個以上的單鍵難以存在耦合作用，若有就是遠(yuǎn)程耦合。

3）J值與取代基團(tuán)、分子結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。4）在譜圖中觀測不到等價核之間的耦合作用。耦合常數(shù)是NMR提供的極為重要的參數(shù)之一。08第8章核磁共振波譜法18.3核磁共振波譜儀：

測量化學(xué)位移及自旋耦合的精細(xì)結(jié)構(gòu)，需具有高分辨率。

射頻不同：連續(xù)波核磁共振儀CW-NMR和脈沖傅立葉變換核磁共振儀（PFT-NMR)連續(xù)波核磁共振儀組成：磁體、射頻發(fā)生器、射頻接收器以及探頭等部分。08第8章核磁共振波譜法1核磁共振波譜儀08第8章核磁共振波譜法11．永久磁鐵：提供強(qiáng)的穩(wěn)定均勻外磁場。超導(dǎo)磁體是方向，但維護(hù)費(fèi)用高采用頻率鎖定（內(nèi)或外）系統(tǒng)保證磁場的穩(wěn)定性2．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號儀提供能量產(chǎn)生躍遷。要求穩(wěn)定性好。3．射頻信號接受器：檢測器的作用。4．探頭：心臟，使試樣管保持在磁場中某一固定的位置。整個探頭置于磁體的磁極之間。5.掃描單元：控制掃描速度，掃描范圍等。08第8章核磁共振波譜法1工作原理掃場方式：掃場線圈在磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度基礎(chǔ)上連續(xù)作微小改變，掃過全部可能發(fā)生共振的區(qū)域，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度恰好符合某一化學(xué)環(huán)境的磁核的共振條件，該核便吸收能量發(fā)生躍遷。單通道儀器，只能依次逐個掃過設(shè)定的磁場范圍。從而掃描效率低，信息量少，靈敏度低且難以實(shí)現(xiàn)信號累加。優(yōu)點(diǎn)：適合于大磁矩、I為1/2和高天然豐度的靈敏核素的波譜測定。08第8章核磁共振波譜法1傅立葉變換核磁共振波譜儀

不是通過掃場或掃頻產(chǎn)生共振；恒定磁場，施加強(qiáng)而短的全頻脈沖，使不同核素同時產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號，累加后經(jīng)過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺多道儀）08第8章核磁共振波譜法1FT－NMR的特點(diǎn)寬頻譜的射頻脈沖提供的能量使所有核素躍遷，經(jīng)傅立葉變換得到譜圖。優(yōu)點(diǎn)：大大提高了分