第4章-核磁共振.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,*,1924,年,Pauli W.,假设,-,特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂,1952,年,Standford,大学的,Bloch,和,Harvard,大学的,Purcell,独立证实了上述假设。获,Nobel Prize,1953,NMR,仪器,FT-NMR,1991,Ernst,对高分辨核磁共振方法发展（获,Nobel Prize,）,2002,年（生物大分子的核磁分析）,NMR,的研究对象,-,磁性核与电磁波的相互作用,第四章核磁共振波谱法,(NMR),Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,原子是由原子核和电子组成的，而质子和中子又组成原子核。原子核具有质量并带有电荷。某些原子核能绕核轴做自旋运动，各自有它的自旋量子数,I,，自旋量子数有,0,l/2,1,3,2,等值。,I=0,意味着原子核没有自旋。,(1),原子核的自旋,4.1.1,核磁共振的产生,4.1,核磁共振原理,原子核组成,(,质子数,p,与中子数,n),与自旋量子数,I,的,经验规则：,p,与,n,同为偶数，,I=0,。如,12,C,16,O,32,S,等。,p+n=,奇数，,I=,半整数,(1/2,3/2,等,),。,如,1,H,13,C,15,N,17,O,31,P,等。,p,与,n,同为奇数，,I=,整数。如,2,H,6,Li,等。,I,0,的核为磁性核，可以产生,NMR,信号。,I=0,的核为非磁性核，无,NMR,信号。,I=1/2,的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。,（,2,）原子核的磁距与自旋角动量,原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距,。,磁距,与自旋角动量,P,成正比，比例常数为,：,=P,称为磁旋比，是原子核的重要属性。,P,是量子化的，为自旋量子数,I,决定。,(3),磁性核在外加磁场中的行为,图,1:(1),无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。,(2),放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行（,I=1/2,核）,在一般情况下，自旋的磁矩可任意取向，但当把自旋的原子核放入外加磁场,(Ho),中，除自旋外，原子核还将绕,Ho,运动，由于磁矩和磁场的相互作用，核磁矩的取向是量子化的。核磁矩的取向数可用磁量子数,m,来表示，,m,I,、,I-1,、,I-2,，,-(I-1),，,-I,。共有,(2I+l),个取向，而使原来简并的能级分裂成,2I+1,个能级。,图,2:(1),无外加磁场时，磁性核的能量相等。,(2),放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差,E=h,。,自旋量子数为,1/2,的核核磁矩与能级的关系,静磁场中，磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波,(,能量等于,E),照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。,E=h,=,(,h,/2,),B,0,=,B,0,/2,核磁共振的基本方程式,核磁共振的基本方程式,磁性核的共振频率与外加磁场成比例：,B,0,4.1.2,驰豫过程,Relaxation Process,热平衡时各能级上核的数目服从,Boltzmann,分布,N,/N,=exp(-,E/kT),E=h,=,h B,0,/2,N,/N,=exp(-,h B,0,/2,kT),N,：高能级的原子核数,N,：低能级的原子核数,k,：,Boltzmann,常数，,1.38,10,-23,JK,-1,若,1,H,核，,B,0,=4.39T,20,C,时，则：,N,/N,=,exp-(2.68,10,8,6.63,10,-34,4.39)/(2,1.38,10,-23,293),=0.999967,对于,10,6,个高能级的核，低能级核的数目：,N,=10,6,/0.999967=1,000,033,(a),核在,态与,态间达到热平衡的状态。,(b),比,(a),处于高热能的状态，不再有热平衡,(c),两能级间原子核数目相等的饱和状态，在驰豫之前不再有净能量吸收,驰豫过程：饱和状态时观测不到,NMR,信号。要观测到净能量吸收，,必须有核从,态返回,态，此即驰豫过程。即必须保持上图的,(a),或,(b),状态。,自旋,-,晶格驰豫,(spin-lattice relaxation),：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋,-,晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋,-,晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋,-,晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋,-,晶格驰豫的时间用,T,1,表示。,自旋,-,自旋驰豫,(spin-spin relaxation),：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间,(,寿命,),改变。自旋,-,自旋驰豫的时间用,T,2,表示。,驰豫的两种方式：,弛豫时间影响谱线宽度；测定核的,T,1,、,T,2,，,它们是解析结构的重要参数。,4.2,核磁共振参数,4.2.1,化学位移,chemical shift,核磁共振条件,:,=,B,0,/2,。依此公式，只有单个质子峰,未考虑核外电子云的影响。实际上质子受到屏蔽作用,氢核实际所受的磁场为：,B,0,-Be=(1-,)B,0,=,(1-,)B,0,/2,：屏蔽常数,即：,1,H,核所处的化学环境不同，,不同，,也不同。,特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的,化学位移,，用,(ppm),表示。,乙醇的氢谱,1,H-NMR,：,TMS,13,C-NMR,：,TMS,14,N,15,N-NMR,：液,NH,3,17,O-NMR,：,H,2,O,19,F-NMR,：,CFCl,3,31,P-NMR,：,85%H,3,PO,4,NMR,标准物质的选择标准,秃核,(,无屏蔽作用,),或电子云密度非常大的核,(,屏蔽作用非常大，,=0),，例如：,TMS,四甲基硅烷,TMS,的,优点,1,）单峰：,TMS,中所有质子等同，只有一个吸收峰,2,）,TMS,的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大,(,电子云密度大,),，,处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物,H,核的共振频率都,在左侧,3,）一个分子中有,12,个等价,H,和,4,个等价,C,，故加入低含量如,1-5%,v/v,的,TMS,可得到足够强的尖峰。,4,）,TMS,稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低,(b.p.,=27,C),，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。,5,）,TMS,不溶于水，对于水溶液，有,DDS,和,TSP-d,4,等钠盐替代,品。它们的甲基,H,在几乎与,TMS,相同的位置出峰，亚甲基,H,出一系列小峰，市售亚甲基,H,均为氘代产品。,CH,2,对,CH,3,的影响,B,0,(2),(3),(1),(4),Field direction,Possible spin orientations of methylene proton,自旋同时相反，,CH,3,三重峰右边的第一个峰。,(1),(4),自旋同时相同，,CH,3,三重峰左边的第一个峰。,(2)(3),自旋相反，影响抵消。中间峰,裂分为,3,，峰面积比,1:2:1,。,CH,3,对,CH,2,的影响,B,0,可能的组合方式,:,2,3,=8,种,中间,6,组为两组等同的磁效应,裂分为,4,峰面积比为,1:3:3:1,耦合常数,J,(coupling constant),谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位,Hz,。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：,n,J,：,n,化学键的个数。,同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。,相邻碳上的氢。如,H,A,-CH,2,-CH,2,-H,B,H,A,与,H,B,的耦合。,相隔,4,个化学键，耦合作用很弱。,2,J:,3,J:,4,J:,偶合常数物理意义；质子相互间偶合作用的大小，表征分子结构和构型的参数；偶合常数的大小，可以决定相互偶合质子的位置,。,一级谱,由一级偶合而得到的,NMR,谱。一级偶合指分子中核之间相互作用时，仅产生简单的裂分行为，且两组偶合核之间的化学位移之差远大于它们之间的偶合常数，即,/J6,。,高级谱,两个相互偶合的核，,/J6,时，核之间相互作用加强，而化学位移又相差不大，这时偶合作用会造成跃迁能级的混合，引起谱线的位置和强度的变化，,NMR,谱图不再符合“,n”,规则。,4.2.3,峰面积,反映某种原子核的定量信息。,各峰组的面积之比反映了各官能团的氢原子数之比,(1),常见官能团的氢谱,A)CH,3,0.9,ppm(,饱和,),在高场出峰，峰强，易于辨认,0.8 1.2;2.12.6;2.2 3.2;2.0 2.7;3.2 4.0,1,H(CH,3,),(1),烷基：,0,2,ppm(,烷烃,),4.2.4,影响化学位移的因素,B)CH,2,1,H(CH,2,),1.17,2.473.40,C)CH,一般比,CH,2,的,值大,0.3ppm,(2),烯：,一般,1,Hc,最大。,(3),苯环：,无取代基时，,4,7,ppm(,6.5,ppm,左右较普遍,),1,H,=7.3 ppm,单峰,A),单取代,a.,烃基单取代,一组峰，分辨不开,b.,邻对位单取代,邻对位质子受屏蔽作用，在高场，分辨不开,间位质子在低场，三重峰,c.,间位单取代,苯环电子云密度降低，邻位质子受影响大,J,ab,：,7,10 Hz,；,J,ac,：,2,3 Hz,；,J,ad,：,0,1 Hz,邻位质子受去屏作用，,大，粗略呈双峰；,其它质子位移不大。,B),二取代,a.,对位二取代,最具特色，两对,3,J,耦合,四重峰，左右对称,H,A,=7.27-0.8+0.3=6.77,H,B,=7.27+1.0-0.15=8.12,o-NO,2,:1.0;m-NO,2,:0.3,o-NH,2,:0.8;m-NH,2,:0.15,b.,邻位二取代,相同取代基时，谱图左右对称,不同取代基时，谱图复杂,c.,间位二取代,谱图复杂。中间质子显示粗略单峰。,4),活泼氢：,值变化大。易受温度、添加重水、,改变溶剂及酸度的影响,醇,OH,3.0-6.0 ppm(CCl,4,等惰性溶剂,),羧酸,COOH,10-13 ppm,脂肪胺,NH,2,0.5-5.5 ppm,一般不产生峰的裂分，对相邻,C,上的,H,影响复杂,活泼氢,1,）惰性溶剂稀释，移向高场。,甲醇,OH,的,甚至可降至负值。,2,）活泼氢形成氢键，去屏作用，增加。,3,）活泼氢易发生质子交换，属于特定分子,的时间短，峰不裂分，可变。,4,）重水可以确认活泼氢,=4.7 ppm,（,2,）影响因素,取代基的电负性,屏蔽作用,电子云密度,电负性,化学位移,与,CH,3,连接基团的电负性对其质子化学位移的影响,化合物,(CH,3,),(CH,3,),4,-Si,TMS 0.0,定义,(CH,3,),3,-Si(CD,2,),2,CO,2,-,Na,+,TSP-d,4,0,CH,3,I 2.2,CH,3,Br 2.6,CH,3,Cl 3.1,CH,3,F 4.3,CH,3,NO,2,4.3,CH,2,Cl,2,5.5,CHCl,3,7.3,CH,3,X,的质子位移,相连碳原子的,S-P,杂化,CH,3,-CH,3,CH,2,=CH,2,CH,CH,0.9 5.8 2.9,酸度顺序,(3)(2)(1),C,杂化形式,SP,3,SP,2,SP,屏蔽作用减弱,环状体系的环电流效应,以苯环为例（环外,H,与磁场同向）,环外氢,:,顺磁效应,去屏蔽,环内侧氢,:,逆磁效应,屏蔽,7.3,2.3,2.0,-1.0,电子数满足,4n+2,的环状多烯,=9.3,=-3.0,甲基,1,H,=-4.2,B.,烯烃的各向异性,=9.7 =10.0 =8.0 =7.8,双键,C,上的氢：去屏蔽作用，,值高于饱和,C,双键平面上下方：逆磁效应，屏蔽作用,C.,炔烃的各向异性,叁键,C,上的氢受屏蔽作用,4.2.5NMR,解析举例,1,),C,5,H,10,O,2,（,1,）,H,数目,6,：,4,：,4,：,6=3,：,2,：,2,：,3,（,2,）不饱和度,=1,有一个双键,（,3,）,=3.6,处为单峰,O,可能的结构,CH,3,OC,=0.9,处三重峰为是典型的,CH,2,CH,3,峰,=2.2,处三重峰为羰基相邻的,CH,2,的两个质子,另一个,CH,2,在,=1.7,处产生,12,个峰（,43,），但仪器分辨率不够，只看到,6,个峰。,可能的结构,O,CH,3,O CCH,2,CH,2,CH,3,简化图谱的方法,去耦,为使谱图简化，除去相邻核间的耦合作用的方法。,醋酸异丙酯的,1,H-NMR(100MHz),。双重照射去耦的谱图变化实例。,(a),常法测定的谱图。,(b),照射最右端的两个甲基质子去其耦合作用,(c),去次甲基质子的耦合作用,用两个电磁波发生器，扫描第一个发生器，（,A,核的共振频率,1,），用,2,的强电磁波照射，使,B,核共振达到饱和。双重照射法除去,B,核对,A,核的影响。,双照射方法,NOE,效应（核欧沃豪斯效应）,1965,年欧沃豪斯（,Overhauser,）发现，在核磁共振中，当对某一核进行双照射使之达到饱和后，与其相邻而彼此又不存在偶合作用的另一核的共振信号强度增加，这种效应即称为,NOE.,应用：（,a,）增强较弱的信号，特别是,13C,的,NMR,。（,b,）区别异构体。,4.3,核磁共振波谱仪,4.3.1NMR,仪器的基本构成,外加磁场,探头,高频电磁波发生器及接受器,数据处理及记录,主要配置和出厂技术指标：,磁场强度：,11.7T,；质子共振频率：,500MHz,；三个辐照通道,1,10mm,、,5mm,宽带探头：多核（,15N31P,）；变温范围：,-150200,；,13C,分辨率,190:1,；,2,5mm,反式探头（,ID,）：,1H15N31P,；梯度场；变温范围：,-2080,；,1H,分辨率,660:1,；,3,5mm,三共振探头：,1H13C/15N/,或,31P,；梯度场；变温范围：,050,；,1H,分辨率,600:1,；,型号：,Varian INOVA500NB,(1)NMR,用磁铁,强弱：磁场强度,B,0,，单位：,T,习惯用氢核的共振频率来表示。如,100M,的仪器，,B,0,=2.35T,。,永久磁铁,permanent magnet,B,0,2.1T,，简单、经济耐用。重量轻,(,如,60MHz,，,350kg),。,电磁铁,electromagnet,B,0,2.35T(100MHz,以下,),。需强大电流产生磁场,(60MHz,时,3.5kW),，并需水冷保持温度恒定以使磁场强度稳定。较重，,且耗电量大。,超导磁铁,superconductive magnet,利用铌钛合金在液氦中,(,温度,4K),的超导性质。只要不破坏超导状态，及时补充液氦，则磁场强度不变。,液氮,液氦,超导线圈,磁场强度与灵敏度、分辨率的关系,磁场强度越强，低能级上核的数目越多，,灵敏度越高,100 MHz,时，,N,比,N,多,17,200 MHz,时，,N,比,N,多,33,300 MHz,时，,N,比,N,多,50,磁场的均一性越好，分辨率越高,磁场越强，以频率表示的化学位移越大，,分辨率越高,（,a,）连续波,NMR,仪器,(CW-NMR),核磁共振条件：,=,B,0,/2,扫频方式,(frequency sweep),：固定,B,0,，扫描电磁波频率,扫场方式,(field sweep),：固定,，扫描磁场强度,B,0,CW-NMR,仪器的不足：,连续变化一个参数使不同基团的核依次满足共振条件,任一瞬间只有一种原子核处于共振状态，其它核处于等待状态,结果：,样品利用率低，灵敏度低，分辨率低,(2),电磁波发生器,（,b,）,FT-NMR,特点：,磁场强；强而短的脉冲,(,高频脉冲,),在这一脉冲下，所有的核都发生共振。脉冲停止后，这些核都产生相应的核磁共振信号。这些信号含多种频率，总信号是多种频率信号的叠加，这些信号以时间为变量，也是随时间衰减的。因此，信号是时间的函数,(,时域谱,),，通过,FT,转换变为频域谱。,脉冲,FT-NMR,的优点,3,.,通过增加重复累积测量次数使样品测量信号平均化，,降低噪声，可提高,S/N,比。故,FT-NMR,与连续波仪器,相比灵敏度高，样品用量少，测定时间短。,1.,在脉冲作用下，该同位素的所有核同时共振,2.,脉冲时间短,(,为微秒级，脉冲间隔为几秒,),，,在样品进行累积测量时较连续波仪器节省时间。,一般,1,H-NMR,测量累加,10-20,次，需时,1,分左右；,13,C-NMR,测量需时数分。,(3),探头,圆柱形，在磁体中心，放样品管,作用：发射脉冲电磁波,检测核磁共振信号,产生固定频率的探头：,双核探头：,1,H,，,13,C,四核探头：,1,H,，,31,P,，,13,C,，,15,N,频率连续可调探头：,如,31,P,到,15,N,(4),样品处理技术,1.,粘度不高的液态：,2-15%,的溶液,2.NMR,溶剂不应含氢，可用卤化或氘代溶剂，,如,CDCl,3,C,6,D,6,等。,4.3.2,二维核磁共振简介（,2-D NMR,）,二维核磁共振波谱是,20,世纪,70,年代以来,NMR,技术所发生的一次革命性的变化。将通常挤在一维,NMR,谱中的一个频率轴上的,NMR,在二维空间展开，从而较清晰地提供更多的信息。,普通的,NMR,谱是以吸收强度为纵坐标，以频率或场强为横坐标。而二维,NMR,谱则给出两个频率轴上的吸收强度，两个频率轴可以改变，有时它们分别为化学位移和偶合常数，也可表示为不同核的共振频率。,二维,NMR,实验的记录有四种图谱类型。但常用平面等值线图。,平面等值线图：又叫平面等高线图。一般,2D NMR,常使用这种图。它是把堆积图用一个平行于轴,F,1,和,F,2,的平面平切后所得。平切位置对图的信息量有影响。,改变不同,t(,预备期、演化期、混合期和检测期,),，施加两次脉冲电磁波，重复测定，得到两个频率变量或化学位移变量的二维谱图。编辑脉冲序列，可得重要的二维,NMR,谱。如：,1,、同核位移相关谱（,COSY,）,2,、异核位移相关谱（,H,，,C-COSY,）,3,、总相关谱（,TOCSY,）,4,、其他,2D,谱,（,1,）氢,-,氢化学位移相关谱（,1,H-,1,H COSY,）,1,H-,1,H COSY,是同一个偶合体系中质子之间的偶合相关谱。,1,H-,1,H COSY,谱可以确定质子化学位移以及质子之间的偶合关系和连接顺序。,图上有两类峰，一类为对角峰（,diagonal peak,）,它们处在坐标,F,1,=F,2,的对角线上。对角峰在,F,1,或,F,2,上的投影得到常规的偶合谱或去偶谱。,第二类为交叉峰（,Cross peak,）它们不在对角线上，即坐标,F,1,F,2,。,交叉峰显示了具有相同偶合常数的不同核之间的偶合。交叉峰有两组，分别出现在对角线两侧，并以对角线对称。,对角峰和交叉峰可以组成一个正方形，并且由此来推测这两组核,A(,A,A,),和,X,（,X,X,）有偶合关系。,图为,2,，,3-,二溴丙酸的,AMX,体系,1,H-,1,H COSY,谱。,F,1,和,F,2,皆为化学位移。两组对角峰为对角线与两组交叉峰组成正方形，说明这两组质子有偶合。,2,，,3-,二溴丙酸的碳上,3,个质子为,AMX,系统。,4.3.3,核磁成像简介,NMR,成像技术关键步骤是对处于静磁场中的样品施加一线性梯度磁场。在这种环境下，被激原子核的空间记录可以完成，而核的频率则反映了它们在样品中的位置。,通常的,NMR,光谱用来测定样品的化学结构，但它不能确定被激发原子核在样品中的位置。,NMR,成像是一种能记录被激发核在样品中的依置，使之成像的技术，从而给出核在空间的分布。,尼龙棒在水中浸过的,NMR,成像，图中明亮部分即为水,4.3.4,固体核磁简介,如果按照通常的作图方法，用固态样品作图会得到很宽的谱线，得不到什么信息。产生这种现象主要有两个原因：,第一是自旋核之间的偶极,-,偶极相互作用；,第二是化学位移的各向异性。,这两个原因都和分子在磁场中的取向有关。在液体试样中，分子在不断地翻滚，因此以上两种作用都被平均掉了。,作固体高分辨核磁共振谱的方法为交叉极化魔角旋转法,CP,MAS(Cross Polarization/Magic Angle Spinning),。,偶极,-,偶极相互作用及化学位移的各向异性，其数值的大小均包含,（,3cos2,1,）项,是所讨论的两核连线和静磁场,B,0,之间的夹角。,如果我们取,cos2,=1,3,（,5444,），,（,3cos2,1,）项为零，于是这样就可消除上述两项作用。,5444,这个角度就叫做魔角。,