核磁共振课件-第一部分.ppt

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,*,*,*,目 录,第一节：,NMR,简介,第二节：,NMR,技术的主要特点,第三节：磁共振原理,第四节：核磁共振的量子力学观点解释,第五节：核磁共振的经典力学观点解释,第六节：核磁宏观理论,第七节：核磁共振谱线特性,第一章,基本原理,核磁共振是,1946,年由美国斯坦福大学,F.Bloch,和哈佛大学,E,M,Purcell,各自独立发现的，两人因此获得,1952,年诺贝尔物理学奖。,60,多年来，核磁共振不仅成为一门有完整理论的新兴学科,核磁共振波谱学，而且，在这,60,年间已有十几位科学家因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖。,第一节：,NMR,简介,历史回顾,:,1946,年哈佛大学,Purcell,小组和斯,坦,福大学,Block,小组几乎同时观测了石蜡中质子的信号，,1952,年获诺贝尔物理奖。,1951,年发现化学位移现象。,1952,年,Hahn,等发现自旋偶合现象，显示,NMR,技术可用来研究分子结构。,核磁共振,-,简称,NMR,(,Nuclear Magnetic Resonance),是一种用来研究物质的,分子结构及物理特性的光谱学方法,。,所谓核磁共振就是处于某个静磁场中的原子核受到相应频率电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。,某些原子核可在磁场中产生能级分裂，用无线电波照射时，原子核发生共振跃迁，记录电磁波被吸收的位置和强度核磁共振波谱。最常用的为,1,H,和,13,C,谱，其他还有,19,F,31,P,和,15,N,。,核磁共振可以用于,：,A,）化合物结构的测定和确认，有时还可以测,定立体构型和构象。,B,）化合物纯度的检查，它的灵敏度很高，有,时能检测出层析法检查不出来的杂质。,C,）如果主要信号不重叠，不需要分离就能测,定混合物的比例。,D,）质子的交换、单键的旋转和环的转化等化,学变化速度的推定。,应用领域,:,结构确定,Structure Determination,化学鉴定,Chemical Identification,聚合物特性测定,Polymer Characterization,药品开发,Drug Development,催化研究,Catalysis,核磁共振的分类,固体核磁共振,不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性的金属,及非金属材料。,液体核磁共振,有机化合物，天然产物，生物大分子。,核磁共振成像,临床诊断的成像、研究动植物形态的微成,像、功能成像和分子成像。,可以直接提供样品中某一特定原子的各种化学状态或物理状态，并得出它们的定量数据。,谱带下面的面积直接与提供这种面积的原子核数成正比。,不破坏样品。,驰豫过程的测定可反映分子结构的信息。,第二节：,NMR,技术的主要特点：,光谱分析法,波长区域,波数区域,cm-1,跃迁类型,射线发射,0.005-1.4,核,X,射线吸收，发射，,荧光，衍射,0.01-100,内层电子,真空紫外吸收,10-180 nm,110,6,510,4,价电子,紫外,-,可见吸收，,发射，荧光,180-780 nm,510,4,1.310,4,价电子,红外吸收，拉曼散射,0.78-300 m,1.310,4,3.310,1,分子振动,/,转动,微波吸收,0.75-3.75 m,13-27,分子转动,电子自旋共振,3cm,0.33,电子在磁场中的自旋,核磁共振,0.6-10 m,1.710,-2,110,-3,核在磁场中的自旋,与其它光谱表征技术的比较,：,众所周知，宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成，原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成。,H,C,H,H,m,m,m(10,-6,m),nm(10,-9,m),(10,-10,m),第三节 磁共振原理,1,、原子核的自旋与磁矩 原子核由中子和质子所组成，因此有相应的质量数和电荷数。实验表明，大多数原子核如同陀螺一样，都围绕着某个轴自身旋转，进而产生磁矩。,这样的原子核可称为磁性核，是核磁共振的研究对象。,磁矩是一矢量，由核自身的旋转成。,根据原子物理原理，原子核的磁矩取决于原子核的自旋角动量,P,，其大小为：,(,1.1,),I,为原子核的自旋量子数（,I=0,1/2,1,3/2.),h,为普朗克常数。,原子核的自旋量子数,原子序数,质量数,I,实例,偶,偶,0,12,C,、,16,O,、,32,S,奇、偶,奇,半整数,I,=1/2,：,1,H,、,13,C,、,15,N,、,19,F,、,31,P,、,37,Se,I,=3/2,：,7,Li,、,9,He,、,11,H,、,33,S,、,35,Cl,、,37,Cl,I,=5/2,：,17,O,、,25,Mg,、,27,Al,、,55,Mn,奇,偶,整数,I,=1,2,H(D),、,6,Li,、,14,N,I,=2,58,Co,I,=3,10,B,2,、磁旋比：核的特征常数,凡,I,值非零的原子核即具有自旋角动量,P,，也就具有磁矩,。,与,P,之间的关系为：,=P,(1.2),称为磁旋比，,是原子核重要的属性。,第四节、核磁共振的量子力学观点解释,自旋量子数为,I,的自旋核置于外加磁场,H,0,中时，所产生的磁场相对于外磁场的取向，用磁量子数,m,表示。,m=I,，,I-1,，,I-2 -I,，可以有,2,I,+1,种，从而使原来简并的能级分裂成,2I+1,个能级。,每个能级的能量：,H,0,为外加磁场强度，,H,为磁矩在外磁场方向的分量,磁矩和磁场的相互作用能,：,m,为磁量子数,由于自旋核在外磁场中有,(2I+1),个能级，从而表明自旋原子核在外加磁场中的能量是量子化的，不同能级间的能量差为,E,。,根据量子力学选率，只有,m=1,的跃迁才是允许的，相邻能级之间跃迁的能级差为：,例：,1,H I=1/2,，两种取向,(,两个能级,),：,1),与外磁场平行,能量低,磁量子数,1/2,2),与外磁场相反,能量高,磁量子数,1/2,A,、自旋取向与能级差,E,-,=+,H,0,E,+,=-,H,0,E,H,H,0,0,E=,1,质子在静磁场中的能级差,14,N(I=1),在静磁场中的能级差：,跃迁选择规律：,m=1,称为单量子跃迁，即在相邻的两个能级之间跃迁,。,H,E,H,0,0,m=-1,m=+1,m=0,E,-,1,=,H,0,E,0,=0,E,+,1,=-,H,0,核磁共振条件（选择定则）是：,=,H,0,/(2),B,、根据选择定则，得到如下结论：,同一种核,磁旋比为定值,H,0,变，射频频率,变。,2,）不同原子核，不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度,H,0,和射频频率不同。,=,H,0,/(2),氢核（,1,H,）：,1.409 T,共振频率,60 MHz,2.305 T,共振频率,100 MHz,磁场强度：,1,高斯,(GS)=10,-4,T(,特拉斯）,3,）无,H,0,，,E,=0,，所有质子能级相同,有,H,0,，,E,0,，能级分裂,固定,H,0,，改变,(,扫频,),，不同原子在不同频率处发生共振。也可固定，改变,H,0,(,扫场,),。,例题：核磁共振条件的计算,已知,1,H,的旋磁比,=26753,弧度,/,秒,.,高斯，求磁场强度,H,0,为,10000,高斯时，共振频率,是多少？,解：根据公式得,0,=,H,0,/,2=4257.7*10,4,周,/,秒,=42.577,兆赫,已知,1,H,核在磁场强度为,10000,高斯时，共振频率为,42.577,兆赫，求频率为,60,兆赫时，共振得场强是多少？,解：因为对每一种原子核来说，共振频率与场强是线性关系。所以可以用比例关系来计算，有：,第五节、核磁共振的经典力学观点解释,磁场对于核磁矩的作用力不是使核磁矩向磁场方向运动，而是使核磁矩围绕磁场方向进行转动，从而描绘出一个圆锥形轨迹，这就是原子核在静磁场中的进动。称之为,Lamour,进动,(,拉莫进动,),。,0,=,H,0,/,2,Lamour,进动,(,拉莫进动,),进动频率,0,为：,当,I=,的质子，角度是,54.44,核磁共振的产生：,在外加磁场中，自旋的原子核具有不同的能级，如用一特定的频率,的电磁波照射样品，并使,原子核即可进行能级之间的跃迁，产生核磁共振吸收。,H,0,y,x,z,H,0,y,x,z,M,第六节 核磁宏观理论,1,、宏观磁化强度,单位体积内原子核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量,其方向与外磁场方向相同。,H,0,M,2,、核能级分布,在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足,Boltzmann,分布：,通过计算，在常温下，,1,H,处于,H,0,为,2.3488T,的磁场中，位于高、低能级上的,1,H,核数目之比为,0.999984(,百万分之十六）。,当低能级的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。但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等,-,饱和,-,从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同,-,体系净吸收为,0-,共振信号消失！,由此看出，为能连续存在核磁共振信号，必须有从高能级返回低能级的过程，这个过程即称为,弛豫过程。,处于高能态的核通过,非辐射途径,释放能量而及时返回到低能态的过程，所以弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强,。,3,、磁化强度的弛豫过程,(Relaxation Process),据,Heisenberg,测不准原理，激发能量,E,与体系处于激发态的平均时间,(,寿命,),成反比，与谱线变宽,成正比，即：,可见，弛豫决定处于高能级核寿命。而弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。,弛豫过程的能量交换有两种：,自旋,-,晶格弛豫（纵向弛豫）；,自旋,-,自旋弛豫（横向弛豫）；,（一）自旋,-,晶格弛豫（纵向弛豫）,处于高能级的核将其能量转移给周围的环境，并使自己返回到低能态，,纵向弛豫反映了体系和环境的能量交换。,固体样品中是把能量转移给晶格，在液体样品中是把能量转移给周围分子或溶剂分子，变为热能，原子核又回到低能态。,全部自旋,-,晶格弛豫过程所需时间用半衰期,T,1,表示。,固体样品,-,分子运动困难,-,T,1,最大,-,谱线变窄,-,弛豫最少发生；,晶体或高粘度液体,-,分子运动较易,-,T,1,下降,-,谱线仍变宽,-,部分弛豫,;,气体或受热固体,-,分子运动容易,-,T,1,较小,-,谱线变宽,-,弛豫明显。,综述：样品流动性降低,(,从气态到固态,),，,T,1,增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。,（二）,自旋,-,自旋弛豫（横向弛豫）,当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移所发生的弛豫现象。,这种弛豫并不改变,n,1,，,n,2,的数值，但影响具体的（任一选定的）核在高能级停留的时间。这个过程是样品分子的核之间的作用，是一个熵的效应。,固体样品,-,结合紧密,-,自旋核间能量交换容易,-,T,2,最小,-,谱线变宽最大,(,宽谱,)-,横向弛豫容易。,受热固体或液体,-,结合不很紧密,-,自旋核间能量交换较易,-,T,2,上升,-,谱线变宽较小,-,横向弛豫较易。,气体,-,自旋核间能量交换不易,-,T,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,),，,T,2,下降，越多横向弛豫发生,-,谱线宽。,在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间,T,1,和,T,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，也就是说，谱线的宽度由,T,1,和,T,2,中的最小者决定。,Larmor,频率,化学位移,自旋,-,自旋偶合,第七节：核磁共振谱线特性,横坐标,:,化学位移 纵坐标,:,吸收强度,13,C,C,H,3,1,H,C=C,H,-,H,H,C,C,C,H,H,H,H,D,J,HH,H,C,J,CH,C,C=,C,C,H,3,1,、电子屏蔽效应与化学位移的产生,在恒定磁场中，同种核的共振位置并不是一个定值，而是随化学环境不同而有些细微差别，正是这个差别传递了分子结构的信息，才使得,NMR,技术在化学分析中发挥作用。,一、,化学位移,(Chemical Shift),产生共振信号差别的原因是,：在分子中，磁性核都不是裸核，核外都有电子包围，而电子在与外部磁场垂直的平面上环流时，会产生与外部磁场方向相反的感应磁场,H,e,(local field),来对抗外加磁场，此磁场与外加磁场,(H,0,),方向相反。从而使原子核感受到一个比外加磁场小的磁场,(H,0,+H,e,),。此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用。,H,0,H,e,信号强度,H,扫场（毫高斯）,0,10,20,30,40,50,OH,(43),CH,2,(80),CH,3,(135),40MHz,下的乙醇质子的低分辨核磁共振谱（括弧内的数字为各峰面积的相对数值）,电子对核的这种作用叫做屏蔽作用。化学结构不同的质子外层电子云分布不一样，因而受到的屏蔽作用也会不一样，因此质子实际受到的磁场强度为：,为此核的,屏蔽常数,，它反映核外电子对核的屏蔽作用的大小，也就是反映了核所处的化学环境。不同的同位素的旋磁比,相差很大，但,均远远小于,1,。,和原子核所处化学环境有关，可用下式表示：,d,反映抗磁屏蔽的大小。以氢原子为例，氢核外的,s,电子在外加磁场的感应下产生对抗磁,使原子核实际所受磁场的作用稍有降低，故此屏蔽称为抗磁屏蔽。,=,d,+,p,+,a,+,s,p,反映顺磁屏蔽的大小。原子周围化学键的存在，使其原子核的核外电子运动受阻，即电子云呈现非球形。这种非球形对称的电子云所产生的磁场和抗磁效应的相反，故称为顺磁屏蔽。因,s,电子是球形对称的，所以它对顺磁屏蔽项无贡献，而,p,、,d,电子则对顺磁屏蔽有贡献。,a,表示相邻基团磁各向异性的影响。,s,表示溶剂、介质的影响。,对于所有的同位素，,d,、,p,的作用大于,a,、,s,。,对于,1,H,，,d,起主要作用，但对所有其它的同位素，,p,起主要作用。,各种官能团的原子核因有不同的,故其共振频率,不同,:,如选用某一固定的电磁波频率，扫描磁场强度：,H,0,I,大的原子核，（,1-,）小，,H,0,需有相当增加方能满足共振条件，即这样的原子核将在右方出峰。,I,大的原子核，（,1-,）小，,值降低，即这样的原子核将在左方出峰。,在核磁共振测定中，外加磁场强度一般为几特拉斯（,T,），而屏蔽常数不到万分之一特拉斯，由屏蔽效应而引起的共振频率的变化是极少的，峰的位置不便精确测定，故在实验中采用某一标准物质作为基准，以其峰位作为核磁谱图的坐标原点。,不同官能团的原子核谱峰位置相对于原点的距离，反映了它们所处的化学环境，故称为化学位移,。,值与屏蔽作用成反比，,值越大表明质子所受屏蔽作用越小,。,由于外场不同，共振频率也不同，有必要用与场强无关的数值来表示，因此设定：,为待测峰与标准物的相对距离（频率）,标,为标准物的共振频率,是一个无单位的参数，用,ppm,来表示,2,、化学位移的定义：,例如,1,：用,60MHz,的仪器测定样品，比标准物质低,60Hz,的信号即化学位移为,60Hz,，用,表示化学位移：,例如,2,：用,100MHz,的仪器测定样品，比标准物质低,100Hz,的信号即化学位移为,100Hz,，用,表示化学位移：,0 Hz,1500,3000,4500,6000,0 ppm,4,8,12,0 Hz,1500,3000,4500,6000,0 ppm,4,8,12,参照样品峰,300 MHz,500 MHz,300 MHz,500 MHz,1 ppm=300 Hz,1 ppm=500 Hz,即使使用不同的仪器或在不同的场强下，相同的官能团具有相同的,ppm,值。不同的官能团由于存在于不同的化学环境因而具有不同的化学位移，从而使结构鉴定成为可能。,0 ppm,4,2,8,6,10,HC=O,HC=,CH,2,CH,3,在测定,1,H,及,13,C,的核磁共振谱时，最常采用四甲基硅烷（,TMS,）作为测量化学位移的基准。有以下优点,:,(1),沸点低（,26.5),回收容易；,(2),易与有机物相溶；,(3),信号单一尖峰、信号强；,(4),惰性强，不易反应。,在氢谱及碳谱中都规定,TMS,=0,。按,“,左正右负,”,的规定，一般化合物各基团的,值均为正值。,不同的同位素因,变化幅度不等，,变化的幅度也不同，如,1,H,的,小于,20ppm,，,13,C,的,可达,600ppm,，,195,Pt,的,可达,13000ppm,。,测定波谱时，一般都把痕量的,TMS,加在样品的四氯化碳或氘代氯仿溶液中作为内标。,TMS,不溶于重水，因此用重水作溶剂时，把,TMS,放在毛细管中，放在溶液在进行测定，叫做外标法。,Larmor,频率,化学位移,自旋,-,自旋偶合,二,:,自旋,-,自旋偶合,(Scalar Coupling),一般情况下，核磁共振谱都呈现谱峰的分裂,源于核磁矩之间的相互作用，这种作用称为,自旋,-,自旋耦合作用,(J-,偶合,),。自旋,-,自旋偶合引起共振线的分裂而形成的多重峰代表了相互作用的原子核彼此间能够出现的,空间取向组合,。,C,H,J,CH,C,H,J,CH,原始频率,w,w,-J/2,w,+J/2,J,CH,核的等价性：化学等价和磁等价,1,、化学等价核,分子中有一组核，如果它们的化学环境完全相同，化学位移也应该相同，则这组核叫化学等价核，反之为化学不等价核。,CH,3,CH,2,Cl,2,、磁等价核,分子中有一组化学等价核，若它们对组外任何一个核的偶合作用都相同，则叫这一组化学等价核为磁等价核，反之为磁不等价核。,化学等价的核，不一定是磁等价的核，而磁等价的核则都是化学等价的核,。,1,、,H,核讨论,现以氢谱为例讨论因氢核之间的偶合作用引起的峰的裂分。设想分子中有结构单元,我们讨论,H*,原子。,由于甲基可以自由旋转，甲基中任何一个氢原子和,H*,的耦合作用相同。,甲基中的每一个氢有两种取向，即大体和磁场平行或大体和磁场反平行。粗略讲，这两种取向的几率是相等的，三个氢就有八种可能的取向（,2,3,=8,），其中任何一种出现的几率都为,1/8,。现设甲基上的,3,个氢原子为,H1,、,H2,、,H3,。其核磁矩大体和外磁场方向相同者标注,+,，它对,H*,产生的附加磁场,+H,。反之，甲基氢核磁矩大体和外磁场方向相反者标注,，它对,H*,产生附加磁场为,H,。考虑甲基上三个氢的总效果，这八种取向可归纳四种分布情况。,甲基三个氢对邻碳氢产生的附加磁场,甲基中三个氢原子的取向,H,1,H,2,H,3,+,H,1,H,2,H,3,+-+-+-+,H,1,H,2,H,3,+-+-+,H,1,H,2,H,3,-,甲基产生的总附加磁场,3,H,H,-,H,-3,H,出现几率,1/8,3/8,3/8,1/8,从上面的讨论推广、归纳，可以得出下列结论：受偶合作用而产生的谱线裂分数为,n,+1,，,n,表示产生偶合的原子核（其自旋量子数为,1/2,）的数目，这称为,n,+1,规律。若考虑一般情况，因受自旋量子数为,I,的,n,个原子核耦合，产生的谱线数目为,2,nI,+1,，这称为,2,nI,+1,规律,。,有偶合程度不同的两组,H(,各有,n,、,n,个,H),相邻,时，将有,(,n+1)(n+1),个峰。,每相邻两条谱线间的距离都是相等的。,谱线间强度比为,(,a,+,b,),n,展开式的各项系数。,n,二项式展开系数 峰形,0 1,单峰,1 1,二重峰,1 2 1,三,重峰,1 3 3 1,四,重峰,1 4 6 4 1,五重峰,1 5 10,10,1,六重峰,相邻的原子核（同种核或异种核）都可以通过中间媒介,(,电子云,),而发生作用。,C,H,异核,J,CH,C,H,H,C,同核,J,HH,2,、偶合常数：,由自旋偶合产生的,分裂谱线间距,称为偶合常数,J,，以,Hz,为单位，它反映了核之间偶合作用的强弱。偶合作用是通过成键电子对间传递的，,偶合常数的大小和两个核在分子中相隔化学键的数目密切相关,，故在,J,的左上方标以两核相距的化学键数目。,横坐标,:,化学位移 纵坐标,:,吸收强度,如,13,C-,1,H,之间的偶合常数标为,1,J,，而,1,H-,12,C-,12,C-,1,H,中两个,1,H,之间的偶合常数标为,3,J,。偶合常数随化学键数目的增加而迅速下降，因自旋偶合是通过成键电子传递的。两个氢核相距四根键以上即难以存在偶合作用，若此时,J,0,，则称为远程偶合或长程偶合。碳谱中,2,J,以上即称为长程偶合。,根据偶合质子间的键的间隔，偶合常数可分为三类：,1,、同碳偶合：同一碳原子上质子的偶合。,H,1,-C-H,2,2,J,2,、邻碳偶合：邻位碳原子上质子间的偶合。,H,1,-C-C-H,2,3,J,3,、远程偶合：大于三键的偶合。这种偶合对,体系较为重要。,N,J,HH,左上标表示偶合原子相距键数，右下标表示偶合的原子种类。,三 峰面积,峰面积反映了某种（官能团）原子核的定量信息。这对推测未知物结构或对混合物体系进行定量分析均是重要的。核磁谱仪在画完样品的谱图之后，可以再画出相应的积分曲线。,C6H4,CH2,CH3,邻苯二甲酸二乙酯的核磁共振氢谱,