09 第九章 核磁共振波谱.ppt

第1页：核磁共振波谱法概述

第九章核磁共振波谱法(NMR)Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy第一节概述一、什么是NMRNMR的研究对象

• 磁性核与电磁波的相互作用磁性核在磁场中磁性核:109种元素所有的核均带电荷,有些核具有角动量,即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺)磁棒在磁场中

第2页：磁性核在外加磁场中的行为图1: (

图示: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

第3页：磁场中磁性核的能级

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ΔE=hν。

第4页：核磁共振的激发

用能量等于ΔE的电磁波照射磁场中的磁性核,则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行),同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级,产生能级间的能量转移,此即共振。NMR

• 利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS

第5页：电磁波与不同核的作用

电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不同频率

第6页：频率强度

频率强度

第7页：核磁共振发展简史

二、NMR发展简史π1924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π1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了上述假设。获Nobel Prizeπ1953年,第一台NMR仪器
• FT-NMRπ1991年,Ernst 对高分辨核磁共振方法发展(获Nobel Prize)π2002年(生物大分子的核磁分析)

第8页：外加磁场b) NMR信号产生的内因:

三、设计NMR仪器的关键考虑a) NMR产生的外因:外加磁场b) NMR信号产生的内因:样品是否吸收,由核的种类决定c) 样品的吸收频率范围:无线电电磁波d) NMR谱记录:吸收峰频率(化学位移)与峰强度的关系

第9页：NMR仪器关键部件

第10页：第二节核磁共振理论基础一

第二节核磁共振理论基础一、核磁共振的产生1、磁性核和非磁性核自旋角动量与磁矩磁矩μ

第11页：磁矩与磁旋比

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μ。磁距μ与自旋角动量P成正比,比例常数为γ:μ= γPγ称为磁旋比,是原子核的重要属性(见下页图)。但是,不是所有的原子核都有磁性。

第12页：自旋核的磁矩产生

第13页：经验规律

经验规律:(1)原子核的总核自旋角动量P为零,此类核无NMR信号。如4He, 12C, 16O,质子数与中子数相等。(2)自旋角动量P不为零,称为磁性核:I

• 0I
• 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。自旋角动量P是量子化的,可用自旋量子数I表示。I为整数、半整数或零。

第14页：自旋量子数的经验规则

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:πp与n同为偶数,I = 0。如12C, 16O, 32S等。πp + n =奇数,I =半整数(1/2, 3/2等)。π如1H, 13C, 15N, 17O, 31P等。πp与n同为奇数,I =整数。如2H, 6Li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。

第15页：自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系

自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系

自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系

第16页：核磁共振的频率

2、核磁共振的频率磁距μ与磁场B0的相互作用能E 为E = -μB0= γPB0原子核间进行能级跃迁的能量为(选律Δm =

• 1)ν= γB0/2π

第17页：核磁矩与能级的关系

自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系

第18页：磁性核的进动

(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性核的进动核的进动圆频率:ω=2πν=γB0

第19页：核磁共振的产生条件

核磁共振的产生静磁场中,磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波(能量等于ΔE)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。ΔE=hν=γ(h/2π)B0ν=γB0/2π核磁共振的基本方程式讨论:(1)磁场固定时,不同频率的电磁波可使不同的核(γ不同)产生共振;(2)同样的核(γ一定),改变磁场时,吸收频率不同。

第20页：不同核的共振频率

不同核的NMRB0=2.35T(特士拉):ν=25MHz时,13C共振;ν分别为100MHz、94MHz、40.5MHz时,可分别观测1H,19F,31P核的吸收。

第21页：磁性核的共振频率与外加磁场成比例

磁性核的共振频率与外加磁场成比例:ν

• B0

第22页：高能级的原子核数N α:低能级的原子

3、驰豫过程Relaxation Process热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布Nβ/ Nα= exp(-ΔE / kT) ΔE =hν= γh B0 /2πΔNβ/ Nα= exp(-γh B0 /2πkT)N β:高能级的原子核数N α:低能级的原子核数k:Boltzmann常数,1.38×10-23JK-1

第23页：高低能级核的数目比

若1H核,B0=4.39T,20

• C时,则:Nβ/ Nα= exp[-(2.68×108×6.63×10-34×4.39) / (2π×1.38×10-23×293)]= 0.999967对于106个高能级的核,低能级核的数目:Nα= 106/ 0.999967 = 1,000,033

第24页：饱和状态时观测不到NMR信号

(a)核在α态与β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β态返回α态,此即驰豫过程。即必须保持上图的(a)或(b)状态。

第25页：自旋-晶格弛豫

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T1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T2表示。驰豫的两种方式:

第26页：核磁共振信号灵敏度

4、NMR信号的灵敏度Nα/Nβ=exp(ΔE/kT)=exp(γhB0/2πkT)由于ΔE/kT很小,

• Nα/Nβ
• 1+ΔE/kT=1+γhB0/2πkT
• Nα
• B0,即:低能级核的数目与磁场强度呈线性关系,NMR信号的强弱随磁场强度成比例增加53年第一台仪器:B0=0.7T,1H共振于30MHz93年前后,用于NMR的超导磁体场强达17.5T,1H共振于750MHz化学系90MHz;200MHz;生物系500MHz

第27页：未考虑核外电子云的影响

二、核磁共振参数1、化学位移chemical shift核磁共振条件:ν=γB0/2π。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:B0-Be=(1-σ)B0ν=[γ(1-σ)B0]/2πσ:屏蔽常数即:1H核所处的化学环境不同,σ不同,ν也不同。

第28页：化学位移的定义

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δ(ppm)表示。乙醇的氢谱

第29页：乙醇的氢谱

乙醇的氢谱

第30页：核磁共振参数

第31页：TMS 作为标准物的优点

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-d4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。

第32页：自旋-自旋耦合

2、自旋-自旋耦合spin-spin coupling`核自旋通过成键电子与附近相邻磁性核自旋间的相互作用所引起的NMR谱线分裂现象。以下列分子结构单元为例分析谱线裂分现象:—C—C—HHHHH

第33页：自旋-自旋耦合裂分

第34页：CH2 对 CH3 的裂分

CH2对CH3的影响B0(2)(3)(1)(4)Field directionPossible spin orientations of methylene proton自旋同时相反,CH3三重峰右边的第一个峰。(1) (4) 自旋同时相同,CH3三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。

第35页：CH3 对 CH2 的裂分影响

CH3对CH2的影响B0可能的组合方式: 23=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

第36页：谱线裂分的 n+1 规则

相邻原子上的质子数以n表示,则简单氢谱NMR谱线的裂分数为n+1。谱线分裂数的n+1规则:(a+b)n展开式的各项系数n二项式展开系数峰型1111 2 113 3 11 4 6 4 11 5 10¹⁰ 5 1012345单峰双峰三重峰四重峰五重峰六重峰

第37页：nJ:n化学键的个数

3、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:nJ: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HA-CH2-CH2-HB, HA与HB的耦合。相隔4个化学键,耦合作用很弱。2J:3J:4J:

第38页：峰面积与氢原子数

4、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

第39页：弛豫时间与分子环境

5、弛豫时间与核在分子中所处的环境有关,因此可以表征分子大小、分子与溶剂的作用、分子运动的各向异性等。

第40页：影响化学位移的因素

三、影响化学位移的因素和红外光谱需要记忆一些官能团特征吸收频率一样,核磁共振波谱图谱解析的关键是要首先记住不同类型的质子的化学位移。例如:CH3—0.9左右—CH2—1.2左右Ph—H7-8之间

第41页：常见官能团的质子位移

常见官能团的质子位移

1.常见官能团的氢谱A) CH3≈0.9 ppm (饱和)在高场出峰,峰强,易于辨认0.8 ≈1.2; 2.1≈2.6; 2.2 ≈3.2; 2.0 ≈2.7; 3.2 ≈4.0 δ1H(CH3)(1)烷基:0≈2 ppm (烷烃)

第42页：影响化学位移的因素·B) CH2δ1

B) CH2δ1H(CH2)1.17 2.473.40C) CH一般比CH2的δ值大0.3ppm

第43页：烯氢与苯环氢的共振位置

烯氢与苯环氢的共振位置

(2)烯:一般δ1Hc最大。(3)苯环:无取代基时,4≈7 ppm (6.5 ppm左右较普遍)δ1H=7.3 ppm, 单峰

第44页：苯环单取代的峰形

苯环单取代的峰形

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

第45页：间位单取代的位移变化

间位单取代的位移变化

c.间位单取代苯环电子云密度降低,邻位质子受影响大Jab:7 ≈10 Hz ;Jac:2 ≈3 Hz ;Jad:0 ≈1 Hz邻位质子受去屏作用,δ大,粗略呈双峰;其它质子位移不大。

第46页：对位二取代的裂分特征

对位二取代的裂分特征

B) 二取代a.对位二取代最具特色,两对3J耦合四重峰,左右对称HA= 7.27-0.8+0.3 = 6.77HB= 7.27+1.0-0.15 = 8.12o-NO2:1.0; m-NO2: 0.3o-NH2: 0.8; m-NH2: 0.15

第47页：邻位二取代的谱图对称

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。

第48页：活泼氢的位移范围

4)活泼氢:δ值变化大。易受温度、添加重水、改变溶剂及酸度的影响醇OH3.0-6.0 ppm(CCl4等惰性溶剂)羧酸COOH10-13 ppm脂肪胺NH20.5-5.5 ppm一般不产生峰的裂分,对相邻C上的H影响复杂

第49页：活泼氢的溶剂效应

活泼氢1)惰性溶剂稀释,移向高场。甲醇OH的δ甚至可降至负值。2)活泼氢形成氢键,去屏作用,δ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,δ可变。4)重水可以确认活泼氢δ=4.7 ppm

第50页：活泼氢的化学位移

第51页：活泼氢的交换与氢键

第52页：取代基的电负性影响

取代基的电负性影响

1、取代基的电负性屏蔽作用电子云密度电负性化学位移∞∞∞与CH3连接基团的电负性对其质子化学位移的影响化合物δ(CH3)(CH3)4-Si, TMS0.0 定义(CH3)3-Si(CD2)2CO2-Na+, TSP-d40CH3I2.2CH3Br2.6CH3Cl3.1CH3F4.3CH3NO24.3CH2Cl25.5CHCl37.3

第53页：CH3—X的质子位移

CH3—X的质子位移

CH3—X的质子位移

第54页：相连碳原子的杂化影响

2、相连碳原子的S-P杂化CH3-CH3CH2=CH2CH

• CH0.9 5.8 2.9δ酸度顺序(3) (2) (1)C杂化形式SP3SP2SP屏蔽作用减弱

第55页：环状体系的环电流效应

3、环状体系的环电流效应以苯环为例(环外H与磁场同向)

第56页：环电流的屏蔽与去屏蔽

环外氢: 顺磁效应,去屏蔽•环内侧氢:逆磁效应,屏蔽δ7.3δ2.3δ2.0δ-1.0

第57页：环状多烯的化学位移

电子数满足4n+2的环状多烯δ=9.3δ=-3.0甲基1H, δ=-4.2

第58页：烯烃与炔烃的各向异性

B.烯烃的各向异性δ=9.7 δ=10.0 δ=8.0 δ=7.8 •双键C上的氢:去屏蔽作用,δ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

第59页：烯烃氢的各向异性

第60页：核磁谱图解析举例

NMR解析举例1) C5H10O2

第61页：氢谱解析中的结构推断

(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CH3—O—C—
• 0.9处三重峰为是典型的—CH2—CH3峰
• 2.2处三重峰为羰基相邻的CH2的两个质子另一个CH2在δ=1.7处产生12个峰(4×3),但仪器分辨率不够,只看到6个峰。

第62页：解析所得的可能结构

可能的结构OCH3—O—C—CH2—CH2—CH3

第63页：去耦法简化谱图

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1H-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ν1),用ν2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

第64页：第三节核磁共振波谱仪一

第三节核磁共振波谱仪一、NMR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

第65页：核磁共振波谱仪框图

第66页：核磁共振仪的磁铁

1、NMR用磁铁强弱:磁场强度B0,单位:T习惯用氢核的共振频率来表示。如100M的仪器,B0=2.35T。永久磁铁permanent magnetB0< 2.1T,简单、经济耐用。重量轻(如60MHz,350kg)。电磁铁electromagnetB0< 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。

第67页：超导磁铁

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

第68页：磁场强度与灵敏度

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100MHz时,Nα比Nβ多17200MHz时,Nα比Nβ多33300MHz时,Nα比Nβ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

第69页：连续波核磁共振仪器

(1)连续波NMR仪器(CW-NMR)核磁共振条件:ν= γB0 /2π• 扫频方式(frequency sweep):固定B0,扫描电磁波频率ν• 扫场方式(field sweep):固定ν,扫描磁场强度B0CW-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

第70页：脉冲傅立叶变换核磁

(2)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。

第71页：环己烯的13C谱

环己烯的13C谱

第72页：脉冲FT-NMR的优点3

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(τ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1H-NMR测量累加10-20次,需时1分左右;13C-NMR测量需时数分。

第73页：核磁共振探头

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:1H,13C四核探头:1H,31P,13C,15N频率连续可调探头:如31P到15N

第74页：核磁样品处理技术

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CDCl3, C6D6等。

第75页：二维核磁共振谱

二、二维核磁共振(2-D NMR)•改变不同t,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。•在这种2D图谱中,两种自旋-自旋偶合(弛豫时间)不同的核显示不同的图谱特征。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

第76页：同核位移相关谱(COSY)

同核位移相关谱(COSY)

第77页：核磁成像

三、核磁成像

第78页：第一是自旋核之间的偶极-偶极相互作用

四、固体核磁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。

第79页：固体高分辨核磁的交叉极化法

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)。前面所提到的偶极-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(3cos2θ-1)项θ是所讨论的两核连线和静磁场B0之间的夹角。如果我们取cos2θ=1/3(θ=54°44ˊ),(3cos2θ-1)项为零,于是这样就可消除上述两项作用。54°44ˊ这个角度就叫做魔角。