儀器分析-楊屹-核磁共振波譜法

核磁共振波譜法

NMR2020/12/181核磁共振波譜法

NMR概述基本原理譜圖解析與應(yīng)用NMR儀器2020/12/182

核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging?)，是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance?，簡(jiǎn)稱NMR?）原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。

將這種技術(shù)用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學(xué)診斷工具。極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。

NMR

—概述2020/12/183

核磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因?yàn)槿梭w的約70%是由水組成的，MRI即依賴水中氫原子。當(dāng)把物體放置在磁場(chǎng)中，用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈渌?，使之共振，然后分析它釋放的電磁波，就可以得知?gòu)成這一物體的原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像。通過一個(gè)磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個(gè)連續(xù)切片的動(dòng)畫，由頭頂開始，一直到基部。

人腦縱切面的核磁共振成像

NMR

—概述2020/12/184歷史1946年---Bloch(StanfordU.)&Purcell(HarvardU.)觀察到核磁共振現(xiàn)象1948年---建立核磁弛豫理論1950年---發(fā)現(xiàn)化學(xué)位移和偶合現(xiàn)象NMR

—概述2020/12/1851952年---NobelPrice(物理）1951年---Arnold發(fā)現(xiàn)乙醇的核磁共振信號(hào)3組峰歷史NMR

—概述2020/12/1862020/12/1871956年---Varian公司第一臺(tái)高分辨核磁共振波譜儀1965年---傅立葉變換譜學(xué)誕生1970s---固體核磁、二維核磁、固體魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)（材料學(xué)）、核磁成像等NMR

—概述2020/12/188歷史1991年---NobelPrice（R.R.Ernst）高分辨核磁共振分光法，成為有機(jī)物鑒定和結(jié)構(gòu)測(cè)定的重要手段。NMR

—概述2020/12/189NMR

—概述2020/12/1810

2002年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之一半授予了KurtWüthrich博士,以表彰他在應(yīng)用核磁共振技術(shù)獲得生物大分子三維結(jié)構(gòu)方面所做出的卓越貢獻(xiàn)。http://www.mol.biol.ethz.ch/wuthrich/people/kw/cv2en.htmlNMR

—概述2020/12/1811TheNobelPrizeinChemistry2002JohnB.FennKoichiTanakaKurtWüthrich

1/4oftheprize

1/4oftheprize

1/2oftheprizeUSAJapanSwitzerlandVirginiaCommonwealthUniversity

Richmond,VA,USAShimadzuCorp.

Kyoto,JapanEidgen?ssischeTechnischeHochschule(SwissFederalInstituteofTechnology)

Zurich,Switzerland;TheScrippsResearchInstitute

LaJolla,CA,USAb.1917b.1959b.1938"forthedevelopmentofmethodsforidentificationandstructureanalysesofbiologicalmacromolecules""fortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromolecules"

2020/12/1812諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)叩呢暙I(xiàn)

2003年10月6日，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院宣布，2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國化學(xué)家-{zh-tw:保羅·勞特伯;zh-cn:保羅·勞特布爾}-（PaulC.Lauterbur）和英國物理學(xué)家彼得·曼斯菲爾德（PeterMansfield），以表彰他們?cè)卺t(yī)學(xué)診斷和研究領(lǐng)域內(nèi)所使用的核磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域的突破性成就。NMR

—概述2020/12/1813自旋核在磁場(chǎng)中的行為化學(xué)位移及影響因素自旋偶合及自旋裂分NMR

—原理2020/12/1814

核的自旋核磁共振弛豫過程原理—自旋核在磁場(chǎng)中的行為2020/12/1815一、原子核的自旋核的自旋自旋角動(dòng)量：I：自旋量子數(shù)h：普朗克常數(shù)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….2020/12/1816二、原子核的磁矩核的自旋核磁矩（核磁子）：μ=γP

γ－磁旋比2020/12/18171．

I=0

的原子核O(16)；C（12）；S（22）等無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收。2．I=1或I>１的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I這類原子核的核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少。核的自旋2020/12/1818核的自旋3．Ｉ＝1/2的原子核：1H，13C，19F，31P

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象。2020/12/1819無外磁場(chǎng)時(shí)—核自旋取向任意有外磁場(chǎng)時(shí)—核自旋取向數(shù)２I+1磁量子數(shù)m=I,I-1,…,-I，對(duì)應(yīng)能級(jí)氫核（I=1/2），兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：(1)與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2(2)與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2核磁共振–能級(jí)分裂2020/12/1820原子核在磁場(chǎng)中的勢(shì)能E=-hmγH0/2ｍ＝＋1/2E1/2=-hγH0/4ｍ＝-1/2E-1/2=hγH0/4E=

hγH0/2

核磁共振-能級(jí)分裂2020/12/1821核磁共振—能級(jí)分裂2020/12/1822核磁共振—共振條件電磁輻射能h核磁能級(jí)差E=

hH0/2

核磁共振條件=H0/2

2020/12/1823（1）對(duì)于同一種核，磁旋比

為定值，H0變，射頻頻率變。（2）不同原子核，磁旋比

不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和射頻頻率不同。（3）固定H0

,改變（掃頻),不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振;也可固定,改變H0（掃場(chǎng))。掃場(chǎng)方式應(yīng)用較多共振條件—

=H0/22020/12/1824核磁共振—共振條件氫核（1H）：1.409T共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz

磁場(chǎng)強(qiáng)度H0的單位：1高斯（GS）=10-4T（特斯拉）2020/12/1825弛豫過程—

Boltzmann分布根據(jù)Boltzmann分布，在磁場(chǎng)中不同能級(jí)的核數(shù)分布：常溫下1H核N+/N-=1000000/10000072020/12/1826弛豫過程

高能態(tài)原子核通過非輻射形式放出能量而回到低能態(tài)。自旋—晶格弛豫或縱向弛豫自旋—自旋弛豫或橫向馳豫2020/12/1827原理－化學(xué)位移理想化的、裸露的氫核滿足共振條件：

0=

H0/(2)產(chǎn)生單一的吸收峰實(shí)際上，氫核受周圍不斷運(yùn)動(dòng)著的電子影響，使氫核實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減?。?/p>

H=（1-）H00=[

/(2)]（1-）H02020/12/1828

在有機(jī)化合物中，各種氫核周圍的電子云密度不同（結(jié)構(gòu)中不同位置）共振頻率有差異，即引起共振吸收峰的位移，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移?；瘜W(xué)位移2020/12/1829：屏蔽常數(shù)。

越大，屏蔽效應(yīng)越大。由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)生共振需要更大的外磁場(chǎng)強(qiáng)度（相對(duì)于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響?；瘜W(xué)位移2020/12/18301．位移的標(biāo)準(zhǔn)沒有完全裸露的氫核，沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（內(nèi)標(biāo)）

位移常數(shù)TMS=0化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn)2020/12/18312．為什么用TMS作為基準(zhǔn)?

(1)12個(gè)氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰；（2）屏蔽強(qiáng)烈，位移最大；（3）化學(xué)惰性，易溶于有機(jī)溶劑，沸點(diǎn)低，易回收。化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn)2020/12/1832=[（樣-TMS)/TMS]106(ppm)小，屏蔽強(qiáng)，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，在高場(chǎng)出現(xiàn)，圖右側(cè)大，屏蔽弱，共振需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度小，在低場(chǎng)出現(xiàn)，圖左側(cè)化學(xué)位移的表示2020/12/1833常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍2020/12/1834影響化學(xué)位移的因素（1）誘導(dǎo)效應(yīng)（2）共軛效應(yīng)（3）磁各相異性效應(yīng)（4）范得華效應(yīng)（5）氫鍵去屏蔽效應(yīng)改變電子云密度2020/12/1835（1）誘導(dǎo)效應(yīng)分子式CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4TMS取代元素FOClBrIHSi取代元素電負(fù)性4.0質(zhì)子化學(xué)位移4.263.403.052.6吸電子作用強(qiáng)，電子云密度降低，屏蔽作用減弱，信號(hào)峰在低場(chǎng)出現(xiàn)。2020/12/1836CH3，=1.6~2.0；-CH2I，=3.0~3.5（1）誘導(dǎo)效應(yīng)2020/12/1837間隔鍵數(shù)增多，誘導(dǎo)效應(yīng)減弱CH3Br(2.68ppm)CH3CH2Br(1.65ppm)CH3CH2CH2Br(1.04ppm)（1）誘導(dǎo)效應(yīng)2020/12/1838（2）共軛效應(yīng)與誘導(dǎo)效應(yīng)一樣，共軛效應(yīng)亦會(huì)使電子密度變化。2020/12/1839(3)

磁各向異性效應(yīng)（炔氫）（烯氫）<？>實(shí)際值：（炔氫）=1.8~3.0（烯氫）=4.5~7.5（炔氫）<（烯氫）2020/12/1840(3)

磁各向異性效應(yīng)各向異性效應(yīng)——

當(dāng)化合物的電子云分布不是球形對(duì)稱時(shí)，就對(duì)鄰近氫核附加了一個(gè)各向異性磁場(chǎng)，從而對(duì)外磁場(chǎng)起著增強(qiáng)或減弱的作用，使在某些位置上的核受到屏蔽效應(yīng)，移向高場(chǎng)，而另一些位置上的核受到去屏蔽效應(yīng)，故移向低場(chǎng)。2020/12/1841(3)

磁各向異性效應(yīng)三鍵2020/12/1842(3)

磁各向異性效應(yīng)雙鍵2020/12/1843(3)

磁各向異性效應(yīng)苯環(huán)2020/12/1844（4）氫鍵的影響分子形成氫鍵后，使質(zhì)子周圍電子云密度降低，產(chǎn)生去屏蔽作用，使化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)，形成氫鍵趨勢(shì)越大，質(zhì)子向低場(chǎng)移動(dòng)越顯著。2020/12/1845同一化合物在不同溶劑中的化學(xué)位移是不相同的，溶質(zhì)質(zhì)子受到各種溶劑的影響而引起化學(xué)位移的變化稱為溶劑效應(yīng)。（5）溶劑效應(yīng)溶劑的磁化率、氫鍵等影響2020/12/1846原理－自旋偶合與自旋裂分

分子中的氫由于所處的化學(xué)環(huán)境不同，其核磁共振譜與相應(yīng)的值處出現(xiàn)不同的峰，各峰的面積與氫原子數(shù)成正比，借此可鑒別各峰的歸屬。但在高分辨的儀器上，每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，有時(shí)裂分為多重峰。裂分峰是由于分子內(nèi)部鄰近氫核自旋的相互干擾引起的，這種鄰近氫核自旋之間的相互干擾作用稱為自旋耦合，由自旋耦合引起的譜線增多現(xiàn)象稱為自旋裂分。2020/12/1847自旋偶合與自旋裂分2020/12/1848自旋偶合與自旋裂分2020/12/1849乙醇的高分辨與低分辨NMR譜峰面積1：2：32020/12/1850由自旋耦合引起的譜線增多現(xiàn)象稱為自旋裂分。裂分峰是由于分子內(nèi)部鄰近氫核自旋的相互干擾引起的。鄰近氫核自旋之間的相互干擾作用稱為自旋耦合。自旋偶合與自旋裂分2020/12/1851如果Ha鄰近沒有其他質(zhì)子，則Ha共振條件為：0=[

/(2)](1-)H0Ha鄰近有Hb存在，Hb在外磁場(chǎng)中有兩種自旋取向，相應(yīng)產(chǎn)生兩種自旋磁場(chǎng)，對(duì)Ha核有干擾。自旋偶合與自旋裂分2020/12/1852一種磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)Ho同方向，作用于Ha的磁場(chǎng)

H＝Ho＋ΔH另一種與外磁場(chǎng)反方向，作用于Ha的磁場(chǎng)H＝Ho－ΔH1=[

/(2)]［（1-）H0＋ΔH］2=[

/(2)]［（1-）H0－ΔH］自旋偶合與自旋裂分2020/12/1853

多重峰的峰間距：偶合常數(shù)（J），用來衡量偶合作用的大小。反映鄰近氫核自旋之間的相互干擾程度。原子核間的自旋偶合是通過成鍵電子傳遞的，偶合常數(shù)的大小與外加磁場(chǎng)無關(guān)。偶合常數(shù)-J2020/12/1854偶合常數(shù)與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

根據(jù)偶合質(zhì)子之間相隔間的數(shù)目，可將偶合分為：同碳質(zhì)子偶合(J同)、鄰碳質(zhì)子偶合(J鄰)、遠(yuǎn)程偶合（三個(gè)鍵以上的質(zhì)子間的偶合）。偶合常數(shù)-J2020/12/1855偶合常數(shù)有正負(fù)值，一般間隔奇數(shù)鍵時(shí)J為正值，間隔偶數(shù)鍵時(shí)J為負(fù)值。1.同碳質(zhì)子偶合常數(shù)(J同)1)SP3雜化軌道上的J同=-10~-15Hz;2)SP2雜化-C=CH2的J同=-2~+2Hz;

3)環(huán)丙烷的J同=-3~-9Hz。偶合常數(shù)-J2020/12/18562.鄰碳質(zhì)子偶合常數(shù)(J鄰)飽和型鄰位偶合(H-C-C-H)和烯型鄰位偶合(H-C-C-H).1)飽和型J鄰:自由旋轉(zhuǎn)時(shí)約為7Hz,構(gòu)型固定時(shí)約為0~18Hz；2)烯型J鄰：J鄰（順）=6~14Hz，

J鄰（反）=11~18Hz；J鄰（反）>

J鄰（順）偶合常數(shù)-J2020/12/18573.遠(yuǎn)程偶合常數(shù)

1)芳香質(zhì)子偶合常數(shù)

J鄰=6~10Hz,J間=1~3Hz,J間=0.2~1.5Hz;

2)烯丙基型偶合長常數(shù)(H-C=C-C-H)

偶合常數(shù)為負(fù)值，在0~-3Hz之間。偶合常數(shù)-J2020/12/1858核的化學(xué)等價(jià)和磁等價(jià)性化學(xué)等價(jià)核：化學(xué)位移相同的一組核叫化學(xué)等價(jià)核。磁等價(jià)：分子中有一組化學(xué)位移相同的核，他們對(duì)組外任何一個(gè)核的偶合相等值表現(xiàn)出一種耦合常數(shù)，則這組核稱為磁等價(jià)的核。磁等價(jià)的核一定為化學(xué)等價(jià)的，但化學(xué)等價(jià)的核不一定磁等價(jià)。2020/12/1859化學(xué)不等價(jià)核凡符合下列情況之一的，均為化學(xué)不等價(jià)核：1）化學(xué)環(huán)境不同的核；2）固定環(huán)上的CH2的兩個(gè)氫；3)與不對(duì)稱碳相連的CH2的兩個(gè)氫；4）單鍵帶有雙鍵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁不等價(jià)核；5）單鍵不能自由旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)不等價(jià)核。2020/12/1860核磁共振氫譜譜圖分分為一級(jí)譜和高級(jí)譜。一級(jí)譜的特征：

自旋裂分峰的數(shù)目為2nI+1,I為核的自旋量子數(shù)，n為相鄰基團(tuán)上發(fā)生偶合的磁全同核的數(shù)目。自旋體系的分類

對(duì)于氫核則裂分峰的數(shù)目為n+1,稱為n+1規(guī)律。2020/12/1861n+1規(guī)律（1）當(dāng)某基團(tuán)上的氫有n個(gè)相鄰氫時(shí)，它將裂分為n+1個(gè)峰。若這些相鄰氫核處于不同的化學(xué)環(huán)境中，如一種環(huán)境為n個(gè)，另一種為n’個(gè)，將裂分為（n+1)(n’+1)個(gè)峰;（2）自旋裂分峰的強(qiáng)度比基本上為二項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)之比.（3）一組多重峰的中心即為化學(xué)位移，各重峰間的距離即為偶合常數(shù)。2020/12/1862n+1規(guī)律（4）磁全同核之間沒有自旋裂分現(xiàn)象，其吸收峰為單一峰，如：CH3-CH3，Cl-CH2-CH2-Cl,CH3-O-等.峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例2020/12/1863n+1規(guī)律-活潑氫活潑氫的峰形與活潑氫之間交換速度有密切關(guān)系。如果交換速度快，即活潑氫在O原子上停留時(shí)間比1/1000秒短很多，它就不能感覺到鄰近質(zhì)子兩種自旋態(tài)的不同影響，而是處于一種平均環(huán)境之中。鄰近質(zhì)子不對(duì)活潑氫峰形產(chǎn)生裂分，故顯示單峰。如羥基、亞氨基等。鄰近質(zhì)子也只能處于活潑氫的兩自旋態(tài)平均環(huán)境之中，故活潑氫也不對(duì)鄰近質(zhì)子產(chǎn)生峰的裂分。

如：2020/12/1864譜圖解析與應(yīng)用

核磁共振譜圖能夠提供的化合物結(jié)構(gòu)信息：（1）峰的數(shù)目：多少種（2）峰的強(qiáng)度(面積)：多少個(gè)（3）峰的位移()：每類質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境（4）峰的裂分?jǐn)?shù)：相鄰碳原子上質(zhì)子數(shù)（5）偶合常數(shù)(J)：確定化合物構(gòu)型2020/12/1865譜圖解析的步驟檢查譜圖是否規(guī)則：四甲基硅烷的信號(hào)應(yīng)在零點(diǎn)，基線平直，積分曲線在沒有信號(hào)的地方也應(yīng)平直。(2)從積分曲線，算出各組信號(hào)的相對(duì)面積，再參考分子式中氫原子數(shù)目，來決定各組峰代表的質(zhì)子數(shù)目。也可用可靠的甲基信號(hào)或孤立的次甲基信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。2020/12/1866(3)從各組峰的化學(xué)位移，偶合常數(shù)及峰型，根據(jù)它們與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，推出可能的結(jié)構(gòu)單元。可先解析一些特征的強(qiáng)峰、單峰，如CH3O，CH3N，CH3-C=C等，識(shí)別低場(chǎng)的信號(hào)，醛機(jī)、羧基、烯醇、磺酸基質(zhì)子均在9～16ppm之間，再考慮其它偶合峰，推導(dǎo)集團(tuán)的相互關(guān)系。(4)識(shí)別譜圖中的一級(jí)裂分譜，讀出J值，驗(yàn)證J值是否合理。譜圖解析的步驟2020/12/1867(5)結(jié)合元素分析、紅外光譜、紫外光譜、質(zhì)譜、13C核磁共振譜和化學(xué)分析的數(shù)據(jù)推導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)。(6)仔細(xì)核對(duì)個(gè)組信號(hào)的化學(xué)位移和偶合常數(shù)與推定的結(jié)構(gòu)是否相符，必要時(shí)，找出類似化合物的共振譜進(jìn)行比較，進(jìn)而確定化合物的結(jié)構(gòu)式。譜圖解析的步驟2020/12/18682020/12/1869［例1］某化合物分子式為C6H10O3，其核磁共振譜圖如下，試確定該化合物的結(jié)構(gòu)。

示例-12020/12/1870

解：從化合物分子式C6H10O3求得未知物的不飽和度為2，說明分子中含有C=O或C=C。但核磁共振譜中化學(xué)位移5以上沒有吸收峰，表明不存在烯氫。譜圖中有4組峰，化學(xué)位移及峰的裂分?jǐn)?shù)目為δ4.1ppm（四重峰），δ3.5ppm（單峰）,2.2ppm（單峰），δ1.2ppm（三重峰），各組峰的積分高度比為2：2：3：3，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。從化學(xué)位移和峰的裂分?jǐn)?shù)可見δ4.1ppm和δ1.2ppm是互相偶合,與強(qiáng)拉電子基團(tuán)相連，表明分子中存在乙酯基（－COOCH2CH3),3