NMR在无机化学中的应用.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,*,这部分的参考书,1.,核磁共振波谱，裘祖文，裴奉奎编，科学出版社,1989,2.,生物无机化学原理，杨頻，高飞编 科学出版社,2002,第一讲,:,配,合物的光谱表 征与实践,第一节,:,准备知识,一核磁共振现象,二相关的基本概念,三磁矩与外磁场作用能的计算,四共振吸收的条件,五化学位移的定义,一核磁共振现象,核磁共振,（,Nuclear Magnetic Resonance,，,简写为,NMR,），,是指,核磁矩不为零,的核，在,外磁场,的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂（,Zeeman,Splitting,），,共振吸收某一特定频率的,射频（,radio frequency,简写,为,rf,或,RF,）,辐射,的物理过程。,核磁矩与磁场的相互作用,1,H,13,C,15,N,等核自旋量子数,I=,在外磁场中有两种取向,核磁能级间的跃迁,1.,核自旋,A,是偶数,Z,是奇数时,，核自旋量子数,I=,整数,如,2,D,1,14,N,7,:I=1,；,50,V,23,：,I=6,。,自旋,:,基本粒子的属性,质子，中子，电子都有自旋，,自旋量子数,I=1/2,核自旋量子数符合下面三条基本规律,A,，,Z,都是偶数时,，核自旋量子数,I=0,。,如,16,O,8,，,12,C,6,，,32,S,16,：,I=0,；,A,Z,是奇数时,，核自旋量子数,I=,半整数。如,1,H,1,，,19,F,9,，,31,P,15,，,15,N,7,:I=1/2;,以及,35,Cl,17,37,Cl,17,：,I=3/2;,二相关的基本概念,2.,角动量,角动量,:,与,自旋相关的物理量,角动量的,空间量子化,m,称为核的,磁量子数,m=I,I-1,，,-I+1,-I,共,2I+1,个,3.,核磁矩,核磁矩,和,核角动量,P,之间存在如下关系,P,是核自旋,:,旋磁比,，不同的核有不同的旋磁比,核磁矩也是,空间量子化,的,m,称为核的,磁量子数,m=I,I-1,，,-I+1,-I,共,2I+1,个,三磁矩与外磁场作用能计算,在外磁场,B,0,中，磁矩,与磁场相互作用，,E,H,0,=,z,H,0,因为,z,=,m,所以,E,mH,0,不同的空间取向导致核能级发生,塞曼分裂,自旋量子数,=I,的核有,2I+1,个能级,四,.,共振吸收的条件,以,H,为例，,I,1/2,，,m,1/2,在外磁场,H,0,作用下分裂成为两个能级,E,-,H,0,/2 (m=+1/2),E,H,0,/2 (m=-1/2),E,=,E,-,E,=,H,0,五化学位移的定义,核磁共振的共振条件是,:,=,H,0,/2,。,同一种原子核，由于旋磁比相同，因而在相同外磁场下只应有一个共振频率。,同一种核在分子中不同化学环境下共振频率的位移称为,化学位移,化学位移产生的原因,原子核处于分子内部，分子中运动的电子受到外磁场的作用，产生感生电流。这一感生电流在核上产生,感生磁场,，感生磁场与外磁场相互叠加，使核上受到的有效场发生变化。我们把这一现象称为核受到了,屏蔽,。屏蔽作用的大小可用,屏蔽常数,来表示：,H,eff,H,0,H,0,(1,),H,0,=,H,eff,/2,=,(1,),H,0,/2,化学位移的表示方法,实际工作中测量的都是相对的化学位移，即以某一参考物的谱线为标准。最常用的参考物是四甲基硅,(CH,3,),4,Si,，,简称,TMS,因为化学位移的大小与磁场强度成正比，为了比较在不同场强谱仪的化学位移，实际工作中常用一种与磁场强度无关的，无量刚的值，,，来表示化学位移的大小,10,6,(ppm),第二节,.,核磁共振在无机化学中的应用,一,.,顺磁环境中的化学位移,1.,化学位移的各向异性及魔角,(1).,溶液中的化学位移,=,(1,),H,0,/2,屏蔽常数,是一个二阶张量,有九个分量,是各向异性的,!,由于液体分子的快速滚动各向异性被平均化,所以液体中,显标量性质,.,(2).,固体样的化学位移,0,固有共振频率,.,外磁场,H,0,与样品旋转轴的夹角,.,固体样由于的张量性质导致其化学位移的各向异性,.,显然固体样的化学位移因各向异性使谱线大幅加宽,因此难于得到象液体样一样的高分辨,NMR,谱,.,R,偶极耦合常数,(3).,魔角,(magic angle),为了测得固体高分辨谱，人们仿照液体分子的快速滚动方式设计了样品管绕,=54.7,轴旋转。这样,=0,就可以消除各向异性的影响。,=54.7,就称为魔角。,2.NMR,法测磁化率,(1),顺磁体系中待测分子感受的有效场强,有效场强,仪器场强,体积磁化率,样品管形状因子，圆柱形,=2,（,2,）磁化率与化学位移的关系,样品体积磁化率,样品质量磁化率,参比体积磁化率,溶剂质量磁化率,溶剂体积磁化率,m,顺磁性物质浓度,(,g/mL,),二,.,顺磁位移,1.,顺磁位移：表面上是顺磁配合物本身的化学位移与自由配体化学位移之差，是一个“位置”概念。本质上是未成对电子和磁性核间超精细相互作用的一种测度，是一能量变化问题。,2.,顺磁体系化学位移与顺磁位移的区别,NMR,法测磁化率是根据顺磁体系与非顺磁体系中同一分子化学位移的差别设计的！这种差别是由体系中带单电子的物质改变了体系整体磁化率引起的，其结果无一例外是向高场位移，它属于分子间作用。,而顺磁位移是顺磁配合物分子内能量变化的表象，是分子内作用。位移方向与配合物结构紧密相关。,3.,顺磁配合物,NMR,能级图,顺磁位移对研究稀土配合物结构和性质很重要。欲深入理解顺磁位移就必须搞清楚顺磁配合物能级图。,为了便于理解,这里用一个最简单的体系，即只有一个单电子（,S=1/2,）和一个（,I=1/2,）磁性核。并假设电子的,g,因子和电子与核间的超精细偶合常数,a,都是各向同性的。,则体系哈密顿量为：,Hamilton,(1),上式中各项意义如下：,是单电子,Zeeman,项，即电子轨道和自旋磁矩与外磁场的相互作用能。,是核的,Zeeman,项，即核自旋磁矩与外磁场的相互作用能。,是电子自旋和核自旋的超精细相互作用能，是顺磁位移的根源。由两部分组成：,Fermi,接触位移,cs,和赝接触位移,pcs,。,下面分三部分讨论最简单顺磁体系的,Hamilton,量。,（,1,）先只考虑单电子,Zeeman,项，将,S=1/2,代入 得到两个能级。,E,2,=,E,1,=,(2),先不考虑超精细相互作用,只考虑 时的核的,Zeeman,项，将 代入下式,（,3,）三项全考虑，超精细作用无,Zeeman,项,(2),(3),(4),(5),(6),S=-1/2,所以从理论上讲应产生以下两条,NMR,谱线。,4.,顺磁位移（,cs,和,pcs,）,(1),cs,假设电子自旋态的两个相对布居数为：,(7),(10),(11),(12),(8),(9),热平衡时满足,Boltzmann,分布则此平均跃迁为：,(13),(14),(15),把,14,，,15,式代入,13,式得,:,(16),(17),(18),对多电子体系,(19),Planck,常数,k,Boltzmann,常数,A,超精细偶合常数，,Bohr,磁子,g,Lande,因子，,S,电子总自旋量子数,对稀土元素用,J,取代,S,，用,g,J,取代,g,得下式：,（,20,）,J,总角量子数，基态,J,半满前,J=L-S,，半满后,J=L+S,例如：,，,L=2+3=5 S=21/2=1,J=L-S=5-1=4,（,22,）,（,23,）,式中,(2),pcs,稀土赝接触位移,由,Mccounell-Kobertson,公式简化得：,（,21,）,5.,稀土配合物的顺磁位移构效关系：,在稀土配合物中中心离子距配体的,H,较远，所以,从,21,式可知,pcs,的方向主要取决于,g,和,中的角。,当：,54.7,g,0,或,54.7 g,0,时,出现低场位移！即,pcs,0,当 ,54.7 g,0,或,54.7 g,0,时,出现高场位移！即,pcs,0,一般情况下稀土配合物结构相似，所以,的符号是一致的，常有,54.7,这样,pcs,的方向主要就由,g,决定了。,g,为负值，所以发生低场位移,g,为正值，所以发生高场位移,g,不确定,三,.,顺磁配合物的弛豫增强分析,稀土配合物中的顺磁离子对配体上的,H,有两种作用：一是顺磁位移，二是加速弛豫。,1.,弛豫（,Relaxation,）,:,磁化矢量,(),受到扰动（如加一射频脉冲）并在扰动去掉后，由非平衡态（）恢复到平衡态,(),的过程叫弛豫。,恢复平衡的两种机理,(1).,纵向弛豫,(longitudinal relaxation):,对 的,z,轴分量恢复到平衡 的过程叫纵向弛豫，其弛豫时间为,T,1,（,longitudinal relaxation time),。,(2).,横向弛豫（,transverse relaxation,）：对 的,x,y,轴分量 趋向零的过程称为横向弛豫，其弛豫时间为,T,2,(transverse relaxation time),。,(3).,弛豫速率与,T,的关系：,(Relaxation rate),i=1,2,（,24,）,(25),(26),顺磁配合物中配体,H,的纵向和横向弛豫时间,核与电子的啦摩尔频率,电子与核偶极,-,偶极相互作用相关时间,3.,稀土离子,Solomon-,Bloembergen(SB,),方程,(27),电子自旋相关时间,配合物分子转动相关时间,水分子在顺磁离子上的存留时间,4.SB,方程的近似处理,由于,1,故,SB,方程可简化如下：,（,28,）,（,29,）,（,30,）,5.,配位水的化学交换效应及,配位水分子数的定性与定量,（,1,）快交换,SB,方程,bulk H,2,O,符合快交换条件下式成立：,q,快速交换的水分子数，即配位水,顺磁离子浓度,Np,水分子浓度,顺磁离子对水弛豫速率的贡献,配位水和溶剂水的弛豫速率加权平均值，即实测值,(31),把,28,式 代入,31,式得：,(32),对稀溶液,32,式第二项可忽略，则改写如下：,(33),(34),通常配水半径,r=2,2.7A,代入,34,即可估算,q,值,(2).,结晶水与配位水鉴定,从,SB,方程可知，对,T,i,影响很大，所以测固体配合物,T,1,谱，随着的增大,T,1,值减小，由此可鉴别配合物中的配位水和结晶水！,