核磁共振11課件

核磁共振譜

(NuclearMagneticResonance)

提綱1概述2基本原理3核磁共振波譜儀4氫核磁共振波譜解析5核磁共振波譜的特點和應(yīng)用6其他核磁共振波譜簡介1概述核磁共振是指磁矩不為零的原子核在外磁場作用下，對固定頻率電磁波進行吸收而發(fā)生塞曼分裂，在分裂后的能級之間產(chǎn)生共振躍遷，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振波譜學(xué)是光譜學(xué)的一個分支，其共振頻率在射頻波段，相應(yīng)的躍遷是核自旋在核塞曼能級上的躍遷。*NMR是由磁性核受幅射而發(fā)生躍遷所形成的吸收光譜。研究最多、應(yīng)用最廣的是1H核的NMR，可用PMR或1HNMR表示。NMR給出的信息√①化學(xué)位移：各種結(jié)構(gòu)的1H、13C有不同的化學(xué)位移，對結(jié)構(gòu)敏感。（有點像IR中的特征吸收）√②磁性核附近的取代情況及空間排列：通過偶合常數(shù)J和自旋－自旋裂分來判斷。（IR譜中沒有）核磁共振譜中的每一個峰都有歸屬！√③峰面積（積分高度）：a.

用于結(jié)構(gòu)分析：各種化學(xué)環(huán)境相同的核（1H）的個數(shù)；b.用于成分分析：由特征峰定量。布洛赫(FelixBloch)珀賽爾(EdwardPurcell)核磁共振是1946年由美國斯坦福大學(xué)布洛赫和哈佛大學(xué)珀塞爾各自獨立發(fā)現(xiàn)，兩人因此獲得1952年的諾貝爾物理學(xué)獎。1951年Arnold發(fā)現(xiàn)乙醇的NMR信號，及與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

1953年Varian公司試制了第一臺NMR儀器近二十多年發(fā)展

高強超導(dǎo)磁場的NMR儀器，大大提高靈敏度和分辨率；

脈沖傅立葉變換NMR譜儀，使靈敏度小的原子核能被測定；計算機技術(shù)的應(yīng)用和多脈沖激發(fā)方法采用，產(chǎn)生二維譜，對判斷化合物的空間結(jié)構(gòu)起重大作用。12位因?qū)舜殴舱竦慕艹鲐暙I而獲得諾貝爾獎科學(xué)家1944年I.Rabi1952年F.Block1952年E.M.Purcell1955年W.E.Lamb1955年P(guān).Kusch1964年C.H.Townes1966年A.Kastler1977年J.H.VanVleck1981年N.Bloembergen1983年H.Taube1989年N.F.Ramsey1991年R.R.Ernst自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩，原子的自旋情況可以用（I）表征：質(zhì)量數(shù)原子序數(shù) 自旋量子數(shù)I

偶數(shù) 偶數(shù)0

偶數(shù) 奇數(shù)1，2，3…. 奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)

1/2；3/2；5/2….

1．

I=0的原子核O(16)；C（12）；S（32）等，無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收。討論:二、自旋核在磁場中的行為：

以1H核為例，在外加磁場作用下，有兩個自旋取向，其中一個取向磁矩與外加磁場B0一致；另一取向相反。

圖1H核在磁場中的行為按照量子力學(xué)理論，自旋核在外加磁場中的自旋取向數(shù)滿足：自旋取向數(shù)=2I＋1圖2能級裂分與外加磁場強度的關(guān)系

按照經(jīng)典力學(xué)理論，當(dāng)原子核的核磁矩處于外加磁場B0

中，由于核自身的旋轉(zhuǎn)，而外加磁場又力求它取向于磁場方向，在這兩種力的作用下，核會在自旋的同時繞外磁場的方向進行回旋，這種運動稱為Larmor進動。

進動時的頻率、自旋質(zhì)點的角速度與外加磁場的關(guān)系可用Larmor方程表示：

ω=2πv=γH0

v=γ/2πH0

式中：ω—角速度；v—進動頻率（回旋頻率）；γ—旋磁比（特征性常數(shù)）

當(dāng)外加電磁波的頻率與核的回旋頻率ν相等時，電磁波的能量就會被吸收，核的自旋取向就會由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，即發(fā)生核磁共振。此時E射=ΔE，所以發(fā)生核磁共振的條件是:

或

式中：N+—處于低能態(tài)核的數(shù)目；

N-——處于高能態(tài)核的數(shù)目；△E—高低能態(tài)的能量差；

K—玻耳茲曼常數(shù)；

T—熱力學(xué)溫度。三、能級分布與弛豫過程：1H核在磁場作用下，能級分裂，處在低能態(tài)核和處于高能態(tài)核的數(shù)目分布服從波爾茲曼分布定律，假設(shè)B0=1.4092T,T=300K，有處于低能級的核數(shù)比高能態(tài)核數(shù)僅多十萬分之一；若以合適的射頻照射處于磁場的核,核吸收能量后,由低能態(tài)躍遷到高能態(tài),其凈效應(yīng)是吸收,產(chǎn)生共振信號；若高能態(tài)核不能通過有效途徑釋放能量回到低能態(tài),低能態(tài)的核數(shù)越來越少,一定時間后,N(-1/2)=N(+1/2),這時不再吸收,核磁共振信號消失,這種現(xiàn)象為“飽和”；據(jù)波爾茲曼定律,提高外磁場強度,降低工作溫度,可減少N(-1/2)/N(+1/2)值,提高觀察NMR信號的靈敏度。討論:核自旋馳豫馳豫過程是核磁共振現(xiàn)象發(fā)生后得以保持的必要條件高能態(tài)核低能態(tài)核自發(fā)輻射的概率近似為零通過一些非輻射途徑回到將自身的能量傳遞給周圍環(huán)境或其它低能級態(tài)這種過程叫核自旋馳豫

激發(fā)到高能態(tài)的核必須通過非輻射的途徑釋放，使核從高能態(tài)回復(fù)到低能態(tài),這一過程稱為振動馳豫。（2）自旋—自旋馳豫（spin-spinrelaxation）：

核與核之間進行能量交換的過程，也稱為橫向馳豫。結(jié)果：交換能量的兩個核的取向被掉換，各種能級的核數(shù)目不變，系統(tǒng)的總能量不變。自旋—自旋馳豫時間用T2來表示，對于固體樣品或粘稠液體，核之間的相對位置較固定，利于核間能量傳遞轉(zhuǎn)移，T2約10?3s。而非粘稠液體樣品，T2約1s。共振的譜線寬度與弛豫時間成反比，而總的弛豫過程取決于T1,T2中的較小者。在一般的溶液或液體中，T1和大致T2相等，而固體樣品，由于T2很小，所以譜線很寬，需配制成溶液后測定。共振條件(1)核有自旋(磁性核)(2)施加外磁場,能級裂分(3)照射頻率與外磁場的比值0/H0=/(2)四、核磁共振的產(chǎn)生：討論:

在1950年，Proctor等人研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子的共振頻率與其結(jié)構(gòu)（化學(xué)環(huán)境）有關(guān)。在高分辨率下，吸收峰產(chǎn)生化學(xué)位移和裂分，如右圖所示。由有機化合物的核磁共振圖，可獲得質(zhì)子所處化學(xué)環(huán)境的信息，進一步確定化合物結(jié)構(gòu)。五、化學(xué)位移：

產(chǎn)生：理想化的、裸露的氫核,滿足共振條件：

0=

H0/(2)產(chǎn)生單一的吸收峰；實際上，氫核受周圍不斷運動著的電子影響。在外磁場作用下，運動著的電子產(chǎn)生相對于外磁場方向相反的感應(yīng)磁場，使氫核實際受到的外磁場作用減小，叫屏蔽作用：

H

=（1-）H0

：屏蔽常數(shù)。

越大，屏蔽效應(yīng)越大。表示方法處于不同化學(xué)環(huán)境的原子核，由于屏蔽作用不同而產(chǎn)生的共振條件差異很小，實際操作中采用一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為基準(zhǔn)，測定樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的共振頻率之差。磁場強度不同，同一化學(xué)環(huán)境的核共振頻率不同。不同型號的儀器所得化學(xué)位移值不同。沒有完全裸露的氫核，沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)。選擇標(biāo)準(zhǔn)物：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）

規(guī)定其

TMS=0其他種類氫核大部分位移為1～12之間。小，屏蔽強，共振需要的磁場強度大，在高場出現(xiàn)，圖右側(cè)；大，屏蔽弱，共振需要的磁場強度小，在低場出現(xiàn)，圖左側(cè)；TMS作為基準(zhǔn)的優(yōu)點：(1)12個氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個尖峰；（2）屏蔽強烈，位移最大。與有機化合物中的質(zhì)子峰不重迭；（3）化學(xué)惰性；易溶于有機溶劑；沸點低，易回收。常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍同一類基團相連的質(zhì)子具有大致相同的值：影響化學(xué)位移的因素a.電負(fù)性（誘導(dǎo)效應(yīng)）電負(fù)性誘導(dǎo)效應(yīng)電子云密度屏蔽效應(yīng)

H感發(fā)生共振所需磁場強度(低場)eg.電負(fù)性：C2.6N3.0O3.5δ：C-CH3（0.77-1.88），N-CH3（2.12-3.10），O-CH3（3.24-4.02）誘導(dǎo)效應(yīng)的影響隨碳鏈的增長而減弱：

苯的核磁共振氫譜中，氫的化學(xué)位移只有一種，是單峰，δ＝7.27。在取代苯中，供電子基使其δ值變小(高場)，吸電子基使其δ值增加(低場)。b.磁各向異性效應(yīng)

分子中某些基團電子云的分布不是球形對稱時，在外加磁場作用下，它對鄰近的1H核產(chǎn)生一個各向異性的磁場，因此使分子中處于不同空間位置的氫核受到不同程度的屏蔽作用，此為磁各向異性效應(yīng)。處于受屏蔽區(qū)域的1H其δ值變小(高場)，處于去屏蔽區(qū)域的1H其δ變大(低場)。δ=5.25δ=7.27受屏蔽作用較強，δ=1.7-3c.溶劑效應(yīng)和氫鍵的影響

高分辨NMR只能測定液體樣品，溶劑改變，化學(xué)位移也會改變。溶劑與溶質(zhì)生成氫鍵時，削弱了氫鍵質(zhì)子的屏蔽，共振吸收移向低場，δ值可增大幾個ppm,因此易生成氫鍵的溶劑一般不用。六、自旋耦合及自旋分裂：自旋耦合——鄰近原子核的自旋之間的相互干擾，大小用耦合常數(shù)J表示，單位Hz.對于一定化學(xué)位移的多重峰來說，J就是相鄰小峰間的距離，其數(shù)值一般為1～20Hz.自旋裂分——因自旋耦合而引起的譜線增多a對b的干擾：a質(zhì)子自旋產(chǎn)生的磁場有兩種取向：一種與外加磁場一致，另一種與外加磁場相反。一致，使b的外加磁場增強，共振出現(xiàn)在較低場相反，使b的外加磁場減弱，共振出現(xiàn)在較高場二重峰b對a的干擾：b質(zhì)子有兩個,當(dāng)它們兩個質(zhì)子自旋方向——

相同,且磁矩方向與外加磁場方向一致(),增強了a的磁場強度

相同,但磁矩方向與外加磁場方向相反(),削弱了a的磁場強度

相反(或),對a的磁場強度無影響

三重峰n+1規(guī)則（1H–NMR，一級譜)：當(dāng)質(zhì)子相鄰碳上有n個同類質(zhì)子時，吸收峰裂分為n+1個；當(dāng)有不同化學(xué)位移的近鄰時（一種n個氫，另一種n’個氫,…),則顯示(n+1)(n’+1)…個峰；如果這些不同化學(xué)位移的近鄰氫與某氫核的耦合常數(shù)相同，則可把這些氫的總數(shù)令其為n，仍按n+1規(guī)律計算分裂的峰數(shù)；

由n+1規(guī)律所得的復(fù)峰，其強度比是雙峰１：１，三重峰１：２：１，即其強度比為(a+b)n展開式的系數(shù)比。裂分峰組的中心位置是該組磁核的化學(xué)位移值。裂分峰之間的裂距反映耦合常數(shù)J的大小。磁等價的核相互之間也有耦合作用，但沒有譜峰裂分的現(xiàn)象。自旋-自旋耦合裂分后，兩峰之間的距離，即兩峰的頻率差：a-b。耦合常數(shù)與化學(xué)鍵性質(zhì)有關(guān),與外加磁場強度無關(guān)，外界條件（溶劑、T、濃度）等影響很小。A與B是相互偶合的核，n為A與B之間相隔的化學(xué)鍵數(shù)目。

耦合常數(shù)J：影響耦合常數(shù)的因素與發(fā)生耦合的兩個（組）磁核之間相隔的化學(xué)鍵數(shù)目有關(guān)，隨著鍵數(shù)增加，J逐漸減?。慌c電子云密度有關(guān)；與核所處的空間相對位置有關(guān)。核的等價性：

分子中兩個相同的原子處于相同的化學(xué)環(huán)境時稱化學(xué)等價?；瘜W(xué)等價的質(zhì)子必然化學(xué)位移相同?；瘜W(xué)位移相等的質(zhì)子未必化學(xué)等價。HaHa’;

HbHb’

化學(xué)等價1)化學(xué)等價

一組化學(xué)位移等價的核，對組外任何一個核的耦合常數(shù)彼此相同，這組核為磁等價核。

Ha與Hb磁等價

(JHaHc=JHbHc)2)磁等價我將自己埋葬

望山

2010．5．14讓靈魂隨天使飛翔把軀體陪落葉埋葬再也沒有狂熱的愛再也沒有炙烈的傷原本就是一個錯誤雖然瞬間擦出光亮轉(zhuǎn)眼卻被黑暗吞噬喋血的心更加迷茫

是那夜你溫婉一笑消除所有猶豫彷徨認(rèn)定你為愛情終點在風(fēng)雨中堅持方向今天才知道我錯了全部賭注輸?shù)镁鈳еv，帶著傷失去了掙扎的力量耳旁還有你的聲響眼前盡是你的模樣心卻已經(jīng)漸漸冰涼我只能把自己埋葬恍惚看到你的身影手中白菊悄然怒放帶著一絲淡淡的笑我把雙眼輕輕合上按產(chǎn)生磁場的來源不同永久磁鐵電磁鐵超導(dǎo)磁體按照射頻率不同分為：60MHz，100MHz，200MHz，300MHz，500MHz。按射頻照射方式不同連續(xù)波核磁共振譜儀（CW-NMR）脈沖傅里葉交換核磁共振譜儀（PFT-NMR）5.3核磁共振波譜儀分類：*一、連續(xù)波核磁共振譜儀（CW-NMR）1、磁體提供一個強的穩(wěn)定均勻的外磁場。2、射頻發(fā)生器（射頻振蕩器）產(chǎn)生一個與外磁場強度相匹配的射頻頻率，提供能量使磁核從低能級躍遷到高能級。3、射頻接收器接收核磁共振的射頻信號，并傳送到放大器放大。4、探頭：置于磁體的磁極之間。5、掃描單元：控制掃描速度、掃描范圍等參數(shù)。6、樣品管：外徑5mm的玻璃管，測量過程中旋轉(zhuǎn)，磁場作用均勻。NSSampleBoB1邊限振蕩器示波器Magnet頻率發(fā)生器掃描電源

核磁共振波譜儀結(jié)構(gòu)示意圖二、脈沖傅里葉交換核磁共振譜儀（PFT-NMR）在外磁場保持不變的條件下，使用一個強而短的射頻脈沖照射樣品。這個射頻脈沖包括所有不同化學(xué)環(huán)境的同類磁核的共振頻率。產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減信號（FID）。通過傅里葉變化轉(zhuǎn)化為以頻率為橫坐標(biāo)的譜圖，即頻率域譜圖。CW-NMR——單通道儀器PFT-NMR——多通道儀器核磁共振樣品處理

對液體樣品，可以直接進行測定。對難以溶解的物質(zhì)，如高分子化合物、礦物等，可用固體核磁共振儀測定。但在大多數(shù)情況下，固體樣品和粘稠樣品都是配成溶液（通常用內(nèi)徑4mm的樣品管，內(nèi)裝0.4mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%的樣品溶液）進行測定。溶劑應(yīng)該不含質(zhì)子，對樣品的溶解性好，不與樣品發(fā)生締合作用。常用的溶劑有四氯化碳、二硫化碳和氘代試劑等。四氯化碳是較好的溶劑，但對許多化合物溶解度都不好。氘代試劑有氘代氯仿、氘代甲醇、氘代丙酮、重水等，可根據(jù)樣品的極性選擇使用。氘代氯仿是氘代試劑中最廉價的，應(yīng)用也最廣泛。5.4氫核磁波譜解析核磁共振氫譜（1HNMR），也稱為質(zhì)子磁共振譜（PMR）。研究最早、最多、應(yīng)用最廣泛的原因：質(zhì)子的磁旋比較大，天然豐度接近100%，絕對靈敏度是所有磁核中最大的；1H是有機化合物中最常見的同位素。1.由吸收峰的組數(shù)，可以判斷有幾種不同類型的H核；

2.由峰面積或積分曲線高度，可以判斷各類H的相對數(shù)目；（峰面積的大小與質(zhì)子數(shù)目成正比）3.由峰的裂分?jǐn)?shù)目，可以判斷相鄰H核的數(shù)目；

4.由峰的化學(xué)位移（δ值），可以判斷各類型H所屬的化學(xué)結(jié)構(gòu)；

5.由裂分峰的外型或偶合常數(shù)，可以判斷哪種類型H是相鄰的。

1HNMR提供的信息1HNMR譜圖解析步驟1）根據(jù)分子式計算化合物的不飽和度；2）測量積分曲線的高度，進而確定各峰組對應(yīng)的質(zhì)子數(shù)目；3）根據(jù)每一個峰組的化學(xué)位移值、質(zhì)子數(shù)目以及峰組裂分的情況推測出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元；4）計算剩余的結(jié)構(gòu)單元和不飽和度；5）將結(jié)構(gòu)單元組合成可能的結(jié)構(gòu)式；6）對所有可能結(jié)構(gòu)進行指認(rèn)，排除不合理的結(jié)構(gòu)；7）如不能得出明確的結(jié)論，需借助其他波譜分析方法。1HNMR譜圖解析時的注意事項1）注意區(qū)分雜質(zhì)峰、溶劑峰和旋轉(zhuǎn)邊帶等非樣品峰；

2）注意分子中活潑氫產(chǎn)生的信號；將活潑氫與其他氫信號區(qū)別開的方法：改變實驗條件；利用重水交換反應(yīng)。3）注意不符合一級譜圖的情況。常見的各種1H的化學(xué)位移譜圖解析和結(jié)構(gòu)確定舉例例1：6個質(zhì)子處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，單峰。沒有直接與吸電子基團（或元素）相連，在高場出現(xiàn)。例2：質(zhì)子a與質(zhì)子b所處的化學(xué)環(huán)境不同，兩個單峰。單峰：沒有相鄰碳原子（或相鄰碳原子無質(zhì)子）質(zhì)子b直接與吸電子元素相連，產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng)，峰在低場（相對與質(zhì)子a）出現(xiàn)。質(zhì)子a也受其影響，峰也向低場位移。例3：C3H7Cl的NMR例4：下列譜圖是否的NMR？所以，該圖是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。δ3.9(單峰)-OCH3

δ6.7~7.3

苯環(huán)氫苯氫與氧原子相連的甲基氫例5：下圖與A、B、C哪個化合物的結(jié)構(gòu)符合？例6：芳香酮C8H7ClO的NMR譜。(連在羰基上)例7：指出C6H5CH2CH2OCOCH3的NMR譜圖中各峰的歸屬。(苯氫)(與氧原子相連的亞甲基氫)(與羰基相連的甲基氫)5223例8化合物C10H12O2876543210解析：正確結(jié)構(gòu)：δ2.1單峰三個氫，—CH3峰結(jié)構(gòu)中有氧原子，可能具有：δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代δ3.0δ4.30δ2.1

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰O—CH2CH2—相互偶合峰

9δ5.30δ3.38δ1.37例9：C7H16O3，推斷其結(jié)構(gòu)61解析：δ3.38和δ1.37四重峰和三重峰—CH2CH3相互耦合峰

δ3.38含有—O—CH2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中有三個氧原子，可能具有(—O—CH2CH3)3

δ5.3CH上氫吸收峰，低場與電負(fù)性基團相連正確結(jié)構(gòu)：例10：化合物C10H12O2，推斷結(jié)構(gòu)δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35223解析：化合物C10H12O2，δ2.32和δ1.2—CH2CH3相互偶合峰δ7.3芳環(huán)上氫，單峰烷基單取代δ5.21—CH2上氫，低場與電負(fù)性基團相連哪個正確?正確：B5.5核磁共振的特點和應(yīng)用最初,核磁共振技術(shù)主要用于核物理研究方面,用它測量各種原子核的磁矩,誤差僅是0.003%～0.005%;它可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點，迄今，它已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，已成為在這些領(lǐng)域開展研究工作的有力工具，甚至是某些領(lǐng)域(如:化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、藥物學(xué)等)常規(guī)分析中不可缺少的手段。

1985年,維特里希等人公布了第一次利用NMR法測定的溶液中蛋白質(zhì)———蛋白酶抑制劑IIA(proteinaseinhibitorIIA)的結(jié)構(gòu)(如圖所示)。

1990年用NMR測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有23個,而到1994年一年測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)上升到100個。

1997年,維特里希應(yīng)用NMR方法測定的一種蛋白質(zhì)———蛋白感染素(prionprotein)的結(jié)構(gòu)

在水溶液中,大約有一半的蛋白質(zhì)鏈呈現(xiàn)出規(guī)則、緊密的三維結(jié)構(gòu),而另一半則非常松。目前,科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出15%～20%的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。生物大分子醫(yī)學(xué)

計算機斷層攝影技術(shù)（CT）三維空間多層面多方位的對人體內(nèi)的病變及人體結(jié)構(gòu)進行研究

1H-MRS（質(zhì)子核磁共振波譜

）用于檢測體內(nèi)多種微量代謝物

核磁共振成像人體的核磁共振成像儀示意框圖神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者頭部的核磁共振斷面像作為對照的同一患者頭部的X射線斷層像優(yōu)點：射頻電磁波對人體無害，可獲得內(nèi)臟器官的功能狀態(tài)、生理狀態(tài)以及病變狀態(tài)的情況等。激發(fā)單元接收單元顯示單元

計算機磁體環(huán)保控制柴油車尾氣污