核磁共振波谱法专家讲座.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,9,章 核磁共振波谱法,(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,NMR),9.1 NMR,介绍,9.2,NMR,基本原理,一,.,原子核能级分裂及其描述,二,.,能级分布与弛豫过程,三,.,化学位移与自旋,-,自旋分裂,9.3 NMR,仪器及组成,一,.,仪器分类,二,.,仪器组成,核磁共振波谱法专家讲座,第1页,NMR,介绍,1.,普通认识,NMR,是研究处于磁场中,原子核,对射频辐射,(Radio-frequency Radiation),吸收，它是对各种有机和无机物成份、结构进行定性分析最强,有力工具之一，有时亦可进行定量分析。,在强磁场中，原子核发生能级分裂,(,能级极小：在,1.41T,磁场中，磁能,级差约为,25,10,-3,J),，当吸收外来电磁辐射,(10,9,-10,10,nm,4-900MHz),时，,将发生核能级跃迁,-,产生所谓,NMR,现象。,射频辐射,原子核,(,强磁场下能级分裂,),吸收能级跃迁,NMR,测定有机化合物结构，,1,HNMR,氢原子位置、环境以及官能团和,C,骨架上,H,原子相对数目）,与,UV-Vis,和红外光谱法类似，,NMR,也属于吸收光谱，只是研究对,象是处于强磁场中原子查对射频辐射吸收。,核磁共振波谱法专家讲座,第2页,2.,发展历史,1924,年,：,Pauli,预言,了,NMR,基本理论，即，有些核同时含有自旋和磁,量子数，这些核在磁场中会发生分裂；,1946,年,：,Harvard,大学,Purcel,和,Stanford,大学,Bloch,各自首次,发觉并证,实,NMR,现象，并于,1952,年分享了,Nobel,奖；,1953,年：,Varian,开始商用仪器,开发,，并于同年制作了第一台高分辨,NMR,仪；,1956,年,：,Knight,发觉元素所处化学环境对,NMR,信号有影响，而这一影,响与物质分子结构相关。,1970,年：,Fourier(pilsed)-NMR,开始市场化（早期多使用是连续波,NMR,仪器）。,核磁共振波谱法专家讲座,第3页,9.1,NMR,基本原理,一,.,原子核能级分裂及其描述,1.,原子核之量子力学模型,带电原子核自旋 自旋磁场 磁矩,(,沿自旋轴方向,),磁矩,大小与磁场方向角动量,P,相关：（,为磁旋比）,每种核有其固定,值（如，,H,核为,2.68,10,8,T,-1,s,-1,),。其中，,其中,h,为,Planck,常数,(6.624,10,-27,erg.sec),；,m,为磁量子数，其大小由自旋量子数,I,决定，,m,共有,2I+1,个取值，即角动量,P,有,2I+1,个状态！或者说有,2I+1,个核磁矩。,核磁共振波谱法专家讲座,第4页,必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并，各状态能量相同。,对氢核来说，,I=1/2,，其,m,值只能有,2,1/2+1=2,个取向：,+1/2,和,-1/2,。也即表示,H,核在磁场中，自旋轴只有两种取向：,与外加磁场方向相同，,m=+1/2,，磁能级较低,与外加磁场方向相反，,m=-1/2,，磁能级较高,核磁共振波谱法专家讲座,第5页,两个能级能量分别为：,两式相减：,又因为，,所以，,即，,B,0,单位为特斯拉,(T,Kgs,-2,A,-1,),1T=10,4,Gauss,也就是说，当外来射频辐射频率满足上式时就会引发能级跃迁并产生吸收。,核磁共振波谱法专家讲座,第6页,2.,原子核之经典力学模型,当带正电荷、且含有自旋量子数核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生盘旋，称为进动,(Procession),。进动频率与自旋核角速度及外加磁场关系可用,Larmor,方程表示：,此式与量子力学模型导出式子完全相同。,0,称为进动频率。在磁场中进动核有两个相反方向取向，可经过吸收或发射能量而发生翻转。,可见，不论从何种模型看，核在磁场中都将发生分裂，能够吸收一定频率辐射而发生能级跃迁。,核磁共振波谱法专家讲座,第7页,3.,几点说明,a),并非全部核都有自旋，或者说，并非全部核会在外加磁场中发生能级分裂！,当核质子数,Z,和中子数,N,均为偶数时，,I=0,或,P=0,，该原子核将没有自旋现,象发生。如,12,C,，,16,O,，,32,S,等核没有自旋。,b),当,Z,和,N,均为奇数时，,I,=,整数，,P,0,，该类核有自旋，但,NMR,复杂，通常不用于,NMR,分析。如,2,H,，,14,N,等,c),当,Z,和,N,互为奇偶时，,I,=,半整数，,P,0,，能够用于,NMR,分析，如,1,H,，,13,C,。,核磁共振波谱法专家讲座,第8页,二,.,能级分布与弛豫过程,(Relaxation Process),1.,核能级分布,在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处于高、低能级数目到达热力学平衡，原子核在两种能级上分布应满足,Boltzmann,分布：,经过计算，在常温下，,1,H,处于,B,0,为,2.3488T,磁场中，位于高、低能级上,1,H,核数目之比为,0.999984,。即：处于低能级核数目仅比高能级核数目多出,16/1,000,000,！,当低能级核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。但随试验进行，只占微弱多数低能级核越来越少，最终高、低能级上核数目相等,饱和,从低到高与从高到低能级跃迁数目相同,体系净吸收为,0,共振信号消失！,幸运是，上述“饱和”情况并未发生！,核磁共振波谱法专家讲座,第9页,例,2,：许多当代,NMR,仪器所使用磁场强度为,4.69T,。请问在此磁场中，氢核可吸收多大频率辐射？,例,1,：计算在,25,o,C,时，样品在,4.69T,磁场中，其处于高、低磁能级原子核相对个数。,核磁共振波谱法专家讲座,第10页,2.,弛豫,何为弛豫？,处于高能态核经过非辐射路径释放能量而及时返回到低能态过程称为弛豫。因为弛豫现象发生，使得处于低能态核数目总是维持多数，从而确保共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。,据,Heisenberg,测不准原理，激发能量,E,与体系处于激发态平均时间,(,寿命,),成反比，与谱线变宽,成正比，即：,式中，,为谱线宽度，它与弛豫时间,t,成反比。可见，弛豫决定于处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。,弛豫可分为,纵向弛豫,和,横向弛豫,。,核磁共振波谱法专家讲座,第11页,纵向弛豫,1,：又称自旋,-,晶格弛豫。处于高能级核将其能量及时转移给周围分子,骨架,(,晶格,),中其它核，从而使自己返回到低能态现象。,a),固体样品,-,分子运动困难,-,1,最大,-,谱线变宽小,-,弛豫最少发生；,b),晶体或高粘度液体,-,分子运动较易,-,1,下降,-,谱线仍变宽,-,部分弛豫,;,c),气体或受热固体,-,分子运动轻易,-,1,较小,-,谱线变宽大,-,弛豫显著。,综述：,样品流动性降低,(,从气态到固态,),，,1,增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。,横向弛豫,2,：又称自旋,-,自旋弛豫。当两个相邻核处于不一样能级，但进动频率,相同时，高能级核与低能级核经过自旋状态交换而实现能量转,移所发生弛豫现象。,a),固体样品,结合紧密,自旋核间能量交换轻易,2,最小,谱线变宽最大,(,宽谱,),纵向弛豫轻易。,b),受热固体或液体,结合不很紧密,自旋核间能量交换较易,2,上升,谱线变宽,较小,纵向弛豫较易；,c),气体,自旋核间能量交换不易,2,最大,谱线变宽最小,横向弛豫最难发生。,综述：,样品流动性降低,(,从气态到固态,),，,2,下降，越多纵向弛豫发生,谱线宽。,核磁共振波谱法专家讲座,第12页,在相同状态样品中，两种弛豫发生作用刚好相反，只是在液态样品中，二者弛豫时间,1,和,2,大致相当，在,0.5-50s,之间。两种弛豫过程中，,时间短者,控制弛豫过程。,对于固体样品：,1,大而,2,小，此时弛豫由时间短控制，所以谱线很宽！因为液体和气体样品,1,和,2,均为,1,秒左右，能给出尖锐谱峰，所以，在,NMR,分析中，需将样品配制成液体！,思索：,在,NMR,测量时，要消除氧杂质，为何？,因为,O,为顺磁性物质，其波动磁场会使,1,减小，使谱峰变宽。,b),在,NMR,测量时，要求将样品高速旋转，为何？,核磁共振波谱法专家讲座,第13页,三,.,化学位移与自旋,-,自旋分裂,(Chemical Shift and Spin-spin Splitting),1.,化学位移,现象：,大多数有机物都含有氢原子,(,1,H,核,),，从前述公式,可见：在,B,0,一定磁场中，若分子中全部,1,H,都是一样性质，即,H,都相等，则共振频率,0,一致，这时只将出现一个吸收峰，这对,NMR,来说，将毫无意义。,实际上，质子共振频率不但与,B,0,相关，而且与核磁矩或,相关，而磁矩或,与质子在化合物中所处,化学环境,相关。,换句话说，处于不一样化合物中质子或同一化合物中不一样位置质子，其共振吸收频率会稍有不一样，或者说产生了化学位移！经过测量或比较质子化学位移,了解分子结构,这使,NMR,方法存在有了意义。,化学位移：,在一定辐射频率下，处于不一样化学环境有机化合物中质子，产生核磁共振磁场强度或共振吸收频率不一样现象，称为化学位移。,600 Hz,B,核磁共振波谱法专家讲座,第14页,2.,化学位移产生原因及其表示方法,产生原因：,分子中原子核处于核外电子气氛中，电子在外加磁场,B,0,作用下,产生次级磁场，该原子核受到了屏蔽：,B,为核实际受到磁场，,由电子云密度决定屏蔽常数，与化学结构亲密相关。,表示方法：,因为不一样核化学位移相差不大，有时会发生共振吸收频率漂移，因,此，实际工作中，化学位移不能直接准确测定，普通以相对值表示。,详细做法：,于待测物中加一标准物质（如,TMS,），分别测定待测物和标准物,吸收频率,x,和,s,，以下式来表示化学位移,：,无量纲，对于给定质子峰，其值与射频辐射无关。,核磁共振波谱法专家讲座,第15页,在,NMR,中，通常以四甲基硅烷,(TMS),作标准物，,因为：,a),因为四个甲基中,12,个,H,核所处化学环境完全相同，所以在核磁共,振图上只出现一个尖锐吸收峰；,b),屏蔽常数,较大，因而其吸收峰远离待研究峰高磁场,(,低频,),区；,c)TMS,化学惰性、溶于有机物、易被挥发除去；,另外，也可依据情况选择其它标准物。,含水介质：三甲基丙烷磺酸钠。,高温环境：六甲基二硅醚。,核磁共振波谱法专家讲座,第16页,3.,影响化学位移原因,从前式 可知，凡是影响屏蔽常数,（电子云密度）原因均可影响化学位移，即影响,NMR,吸收峰位置。,1,）诱导效应,(Induction),：分子与高电负性基团相连,-,分子电子云密度下降,(,去屏蔽,)-,下降,-,产生共振所需磁场强度小,-,吸收峰向,低场,移动；,2,）共轭效应,(Conjugated),：使电子云密度平均化，可使吸收峰向,高场或低场移动,；,与,C,2,H,4,比：,a),图：氧孤对电子与,C,2,H,4,双键 形成,p-,共轭，,CH,2,上质子电子云密度增加，移向高场。,b),图：羰基双键与,C,2,H,4,-,共轭，,CH,2,上质子电子云密度降低，移向低场。,核磁共振波谱法专家讲座,第17页,3,）磁各向异性效应：置于外加磁场中分子产生感应磁场,(,次级磁场,),，使分子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区，造成不一样区域内质子移向高场和低场。该效应经过空间感应磁场起作用，包括范围大，所以又称远程屏蔽。,图,1,：,C,2,H,4,中,电子云分布于,键所在平面上下方，感应磁场将空间分成屏蔽区（,+,）和去屏蔽区（,-,），,因为质子位于去屏蔽区，与,C,2,H,6,（,=0.85,）,相比移向低场,(,=5.28),。,图,2,：,C,2,H,2,中三键,电子云分布围绕,C-C,键呈对称圆筒状分布，质子处于屏蔽区，其共振信号位于高场,（,=1.8,）,。,图,3,：苯分子与,C,2,H,4,情况相同，即苯质子移向低场,（,=7.27,）,；对于其它苯系物，若质子处于苯环,屏蔽区，则移向高场；醛基质子处于去屏蔽区，且受,O,电负性影响，故移向更低场,（,=7.27,）,。,核磁共振波谱法专家讲座,第18页,4,）氢键效应：使电子云密度平均化，使,OH,或,SH,中质子移向低场。如分子间形,成氢键，其化学位移与溶剂特征及其浓度相关,;,如分子内形成氢,键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构相关。,溶剂选择标准：稀溶液；不能与溶质有强烈相互作用。,5,）自旋耦合与自旋分裂,现象：,CH,3,CH,2,OH,中有三个不一样类型,质子，所以有三个不一样位置吸收,峰。,然而，在高分辨,NMR,中，,CH,2,和,CH,2,中质子出现了更多峰，这,表明它们发生了分裂。如右图。,核磁共振波谱法专家讲座,第19页,原因：质子自旋产生局部磁场，可经过成键价电子传递给相邻碳原子上氢，即氢核与氢核之间相互影响，使各氢核受到磁场强度发生改变！或者说，在外磁场中，因为质子有两种自旋不一样取向，所以，与外磁场方向相同取向加强磁场作用，反之，则减弱磁场作用。即谱线发生了“分裂”。这种相邻质子之间相互干扰现象称之为,自旋,-,自旋耦合,。该种耦合使原有谱线发生分裂现象称之为,自旋,-,自旋分裂,。,耦合能力大小以自旋耦合常数,n,J,表示（,n,为两,H,氢间键数）。必须注意：偶合常数与化学位移都用,表示。但与化学位移不一样是，偶合常数,n,J,或自旋分裂程度大小与场强无关。所以能够经过改变,B,0,，看,是否改变来判断是何种位移。,B,0,H,a,B,增加,(,低场,),B,减小,(,高场,),B,不变,(,不变,),H,b,B,增加,(,低场,),B,减小,(,高场,),三重峰,1:1:2,双重峰,1:1,核磁共振波谱法专家讲座,第20页,质子与质子之间关系,化学等价核：同一分子中化学位移相同质子。化学等价质子含有相同,化学环境。,磁等价核：假如有一组化学等价质子，当它与组外任一磁核偶合时，,其偶合常数相等，该组质子称为磁等价质子。,#,1,CH,3,CH,2,X,中,CH,3,上三个质子是化学等价，也是磁等价；,#,2,二氟乙烯中,H,a,和,H,b,是化学等价，但因,J,HF(,顺式,),J,HF(,反式,),，所以,H,a,和,H,b,不是,磁等价质子；,#,3,对,-,硝基氟苯中，,H,a,与,H,b,为化学等价，但不是磁等价（,3,J,ac,5,J,bc,）。,注意：化学等价，不一定磁等价，但磁等价一定是化学等价。,核磁共振波谱法专家讲座,第21页,偶合常数与分子结构关系,同碳质子,(,2,J),：,相隔两个化学键，,J,最大，但因为各质子性质完全一致，所以只观察到一个单峰。,J=10-16 Hz,邻碳质子,(,3,J),：,相隔三个化学键，,J,较大，是,立体分子结构分析最为主要偶,合分裂。右图是邻碳质子,Karplus,曲线。,J=5-9 Hz,右图是邻碳质子,Karplus,曲线。从中可见，不一样位置上核，,相互之间偶合常数不一样，其大,小与它们各自所在平面夹角,相关。,远程偶合：间隔大于三个键以上质子间偶合。该种偶合对,体系很主要。如苯，,J,邻,=6-10 Hz,；,J,间,=1-3Hz,；,J,对,=0-1Hz,(,o,),核磁共振波谱法专家讲座,第22页,对于,邻碳,磁等价核之间偶合，其偶合裂分规律以下：,1,）一个,(,组,),磁等价质子与相邻碳上,n,个磁等价质子偶合，将产生,n+1,重峰。,如，,CH,3,CH,2,OH,（,2+1,；,3+1,；,1,）,2,）一个,(,组,),磁等价质子与相邻碳上两组质子,(,分别为,m,个和,n,个质子,),偶合，假如该两组碳上质子性质类似，则将产生,m+n+1,重峰，如,CH,3,CH,2,CH,3,；假如性质不类似，则将产生,(m+1)(n+1),重峰，如,CH,3,CH,2,CH,2,NO,2,；,3,）裂分峰强度比符合,(a+b),n,展开式各项系数之比；,注意：,n+1,规律是一个近似规律，实际分裂峰强度比并不完全按上述规律分配，而是有一定偏差。通常是形成两组峰都是内侧峰高、外侧峰低。,4,）一组多重峰中点，就是该质子化学位移值；,5,）磁等价质子之间观察不到自旋偶合分裂，如,Cl,CH,2,CH,2,Cl,，只有单重峰。,6,）一组磁等价质子与另一组非磁等价质子之间不发生偶合分裂。如对硝基苯,乙醚，硝基苯上质子为非磁等价，不产生一级图谱,(,AB,/J,AB,大于,20,，且,自旋偶合核必须是磁等价才产生所谓一级图谱,),因而产生分裂较复,杂，而苯乙基醚上质子为磁等价，产生较简单一级图谱。,核磁共振波谱法专家讲座,第23页,几个例子：,1)ClCH,2,CH,2,CH,2,Cl,峰数及峰面积比分别为，,3(1:2:1)-5(1:4:6:4:1)-3(1:2:1),2,）,ClCH,2,CH,2,Br,：两个三重峰。,3)CH,3,CHBrCH,3,峰数及峰面积比分别为：,2(1:1)-7(1:6:15:20:15:6:1)-2(1:1),4)CH,3,CH,2,CH,2,Br,峰数及峰面积比分别为：,2(1:1)-12(.)-3,5)CH,3,CH,2,OCH,3,峰数及峰面积比分别为：,3(1:2:1)-4(1:3:3:1)-1,6)Cl-CH,2,-O-CH,3,：两个单峰，,2:3,思索：简单分子中各质子,1,HNMR,峰谱图上次序怎样判断？如,CH,3,CH,2,OH,，,CH,3,CH,2,CH,2,Cl,等,核磁共振波谱法专家讲座,第24页,NMR,一级谱：,从上述讨论可知，自旋,-,自旋分裂现象对结构分析非常主要，它可用于判别分子中基团和排列次序。多数,NMR,谱都很复杂，需经过复杂计算才能解析，但当满足以下条件或称,NMR,谱为“一级谱”时，则可经过上述所讨论分裂现象直接解析：,1,）两组偶合核之间化学位移,远大于它们之间偶合常数,J,，即：,/J6,；,如，,CH,3,CH,2,OH,中,-,CH,3,和,-,CH,2,间化学位移差为,140Hz,，而,J=7Hz,，所以该分子,NMR,谱为一级谱；,2,）一组各质子与另一组全部质子偶合常数必须相等。,核磁共振波谱法专家讲座,第25页,9.2 NMR,仪器,一、分类：,按磁场起源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁,按照射频率：,60MHz,、,90MHz,、,200MHz,.,按扫描方式：连续波,NMR,仪,（,CW-NMR,）,和脉冲傅立叶变换,NMR,仪,（,PFT-NMR,）,二、仪器组成：如图。,核磁共振波谱法专家讲座,第26页,1,）磁铁：产生一个恒定、均匀磁场。磁场强度增加，灵敏度增加。,永久磁铁：提供,0.7046T(30MHz),或,1.4092T(60MHz),场强。特点是稳定，耗电少，不需,冷却，但对室温改变敏感，所以必须将其置于恒温槽内，再置于金属箱内进,行磁屏蔽。恒温槽不能断电，不然要将温度升到要求指标要,23,天！,电磁铁：提供,2.3T,场强，由软磁铁外绕上激磁线圈做成，通电产生磁场。它对外界温度,不敏感，到达稳定状态快，但耗电量大，需要水冷，日常维护难。,超导磁铁：提供,5.8T,场强，最高可达,12T,，由金属,(,如,Nb,、,Ta,合金,),丝在低温下,(,液氮,),超导特征而形成。在极低温度下，导线电阻挖为零，通电闭合后，电流可循,环不止，产生强磁场。特点是场强大、稳定性好，但仪器价格昂贵，日常维护,费用极高。,磁场漂移应在,10,-9,-10,-10,之间,-,可经过场频锁定方式克服。,2,）探头：由样品管、扫描线圈和接收线圈组成。样品管要在磁场中以几十,Hz,速率旋转，使磁场不均匀平均化。扫描线圈与接收线圈垂直放置，以防相互干扰。在,CW-NMR,中，扫描线圈提供,10,-5,T,磁场改变来进行磁场扫描。,3,）射频源：类似于激发源。为提升分辨率，频率波动应小于,10,-8,，输出功率,(,小于,1W,),波动应小于,1%,。,4,）信号检测及信号处理。,核磁共振波谱法专家讲座,第27页,CW-NMR:,扫场法：固定照射频率，改变磁场强度；,扫频法：固定磁场强度，改变照射频率；,统计吸收分量与场强或频率关系，即核磁共振波。,扫描速度不能太快，通常全扫描时间为,200-300s,。若扫描太快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。,灵敏度低、所需样品量大。对一些难以得到样品，无法进行,NMR,分析。,PFT-NMR,：,以等距脉冲调制,RF,信号作多道发射机，以快速傅立叶变换作多道接收机，它在一个脉冲中给出全部激发频率，假如此脉冲满足,NMR,条件，则在脉冲之后，于接收线圈上能感应出该样品全部共振吸收信号干涉图（自由感应衰减，,FID,）信号。它包含分子中全部信息，是时间函数，对此函数作傅立叶变换处理后，可将,FID,信号转换为惯用扫场波谱。,灵敏度提升（,100,倍）；,测量速度快：一次脉冲相当于,CWNMR,一次扫描；,扩大应用范围：除常规,1,H,，,13,C,谱外，还可用于扩散系数、化学交换、固体高分辨和弛豫时间测定等。,核磁共振波谱法专家讲座,第28页,提升,NMR,仪灵敏度方法：,1,）锁场控制：,a),经过磁通稳定器赔偿磁场漂移（温度、磁铁内电流改变）,;,b),经过场频连锁。,2,）匀场线圈：将通有电流线圈放入磁场中，利用它产生磁场来赔偿磁场本身微小不均匀性。,3,）样品旋转。,(20-30,转,/s),样品旋转时要注意：在样品管试液上加一塞子，预防产生旋涡；样品旋转产生旋转边带，在信号峰两侧出现对称小峰，引发干扰，可经过改变转速观察边带信号移动，以识别哪些是边带，哪些不是。,核磁共振波谱法专家讲座,第29页,