核磁共振波譜法專家講座

第9章核磁共振波譜法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)9.1NMR介紹9.2NMR基本原理一.原子核能級分裂及其描述二.能級分布與弛豫過程三.化學位移與自旋-自旋分裂9.3NMR儀器及組成一.儀器分類二.儀器組成核磁共振波譜法專家講座第1頁NMR介紹1.普通認識

NMR是研究處于磁場中原子核對射頻輻射(Radio-frequencyRadiation)

吸收，它是對各種有機和無機物成份、結(jié)構(gòu)進行定性分析最強有力工具之一，有時亦可進行定量分析。在強磁場中，原子核發(fā)生能級分裂(能級極?。涸?.41T磁場中，磁能級差約為2510-3J)，當吸收外來電磁輻射(109-1010nm,4-900MHz)時，將發(fā)生核能級躍遷----產(chǎn)生所謂NMR現(xiàn)象。射頻輻射——原子核(強磁場下能級分裂)——吸收──能級躍遷──NMR

測定有機化合物結(jié)構(gòu)，1HNMR──氫原子位置、環(huán)境以及官能團和

C骨架上H原子相對數(shù)目）與UV-Vis和紅外光譜法類似，NMR也屬于吸收光譜，只是研究對象是處于強磁場中原子查對射頻輻射吸收。核磁共振波譜法專家講座第2頁2.發(fā)展歷史1924年：Pauli預言了NMR基本理論，即，有些核同時含有自旋和磁量子數(shù)，這些核在磁場中會發(fā)生分裂；1946年：Harvard

大學Purcel和Stanford大學Bloch各自首次發(fā)覺并證

實NMR現(xiàn)象，并于1952年分享了Nobel獎；1953年：Varian開始商用儀器開發(fā)，并于同年制作了第一臺高分辨NMR

儀；1956年：Knight發(fā)覺元素所處化學環(huán)境對NMR信號有影響，而這一影響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)相關(guān)。1970年：Fourier(pilsed)-NMR

開始市場化（早期多使用是連續(xù)波

NMR

儀器）。核磁共振波譜法專家講座第3頁9.1NMR基本原理一.原子核能級分裂及其描述1.原子核之量子力學模型帶電原子核自旋自旋磁場磁矩(沿自旋軸方向)

磁矩大小與磁場方向角動量P相關(guān)：（為磁旋比）每種核有其固定值（如，H核為2.68×108T-1s-1)。其中，

其中h為Planck常數(shù)(6.62410-27erg.sec)；m為磁量子數(shù)，其大小由自旋量子數(shù)I決定，m共有2I+1個取值，即角動量P有2I+1個狀態(tài)！或者說有2I+1個核磁矩。核磁共振波譜法專家講座第4頁必須注意：在無外加磁場時，核能級是簡并，各狀態(tài)能量相同。對氫核來說，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2個取向：+1/2和-1/2。也即表示H核在磁場中，自旋軸只有兩種取向：與外加磁場方向相同，m=+1/2，磁能級較低與外加磁場方向相反，m=-1/2，磁能級較高

核磁共振波譜法專家講座第5頁兩個能級能量分別為：兩式相減：又因為，所以，即，B0單位為特斯拉(T,Kgs-2A-1),1T=104Gauss

也就是說，當外來射頻輻射頻率滿足上式時就會引發(fā)能級躍遷并產(chǎn)生吸收。核磁共振波譜法專家講座第6頁2.原子核之經(jīng)典力學模型當帶正電荷、且含有自旋量子數(shù)核會產(chǎn)生磁場，該自旋磁場與外加磁場相互作用，將會產(chǎn)生盤旋，稱為進動(Procession)。進動頻率與自旋核角速度及外加磁場關(guān)系可用Larmor方程表示：此式與量子力學模型導出式子完全相同。0稱為進動頻率。在磁場中進動核有兩個相反方向取向，可經(jīng)過吸收或發(fā)射能量而發(fā)生翻轉(zhuǎn)?？梢?，不論從何種模型看，核在磁場中都將發(fā)生分裂，能夠吸收一定頻率輻射而發(fā)生能級躍遷。核磁共振波譜法專家講座第7頁3.幾點說明a)并非全部核都有自旋，或者說，并非全部核會在外加磁場中發(fā)生能級分裂！當核質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N均為偶數(shù)時，I=0或P=0，該原子核將沒有自旋現(xiàn)象發(fā)生。如12C，16O，32S等核沒有自旋。b)當Z和N均為奇數(shù)時，I=整數(shù)，P0，該類核有自旋，但NMR復雜，通常不用于

NMR分析。如2H，14N等c)當Z和N互為奇偶時，I=半整數(shù)，P0，能夠用于NMR分析，如1H，13C。核磁共振波譜法專家講座第8頁二.能級分布與弛豫過程(RelaxationProcess)1.核能級分布在一定溫度且無外加射頻輻射條件下，原子核處于高、低能級數(shù)目到達熱力學平衡，原子核在兩種能級上分布應(yīng)滿足Boltzmann分布：經(jīng)過計算，在常溫下，1H處于B0為2.3488T磁場中，位于高、低能級上1H核數(shù)目之比為0.999984。即：處于低能級核數(shù)目僅比高能級核數(shù)目多出16/1,000,000！當?shù)湍芗壓宋樟松漕l輻射后，被激發(fā)至高能態(tài)，同時給出共振吸收信號。但隨試驗進行，只占微弱多數(shù)低能級核越來越少，最終高、低能級上核數(shù)目相等——飽和——從低到高與從高到低能級躍遷數(shù)目相同——體系凈吸收為0——共振信號消失！幸運是，上述“飽和”情況并未發(fā)生！核磁共振波譜法專家講座第9頁例2：許多當代NMR儀器所使用磁場強度為4.69T。請問在此磁場中，氫核可吸收多大頻率輻射？例1：計算在25oC時，樣品在4.69T磁場中，其處于高、低磁能級原子核相對個數(shù)。核磁共振波譜法專家講座第10頁2.弛豫何為弛豫？處于高能態(tài)核經(jīng)過非輻射路徑釋放能量而及時返回到低能態(tài)過程稱為弛豫。因為弛豫現(xiàn)象發(fā)生，使得處于低能態(tài)核數(shù)目總是維持多數(shù)，從而確保共振信號不會中止。弛豫越易發(fā)生，消除“磁飽和”能力越強。據(jù)Heisenberg測不準原理，激發(fā)能量E與體系處于激發(fā)態(tài)平均時間(壽命)成反比，與譜線變寬成正比，即：

式中，為譜線寬度，它與弛豫時間t成反比?？梢姡谠Q定于處于高能級核壽命。弛豫時間長，核磁共振信號窄；反之，譜線寬。弛豫可分為縱向弛豫和橫向弛豫。核磁共振波譜法專家講座第11頁縱向弛豫1：又稱自旋-晶格弛豫。處于高能級核將其能量及時轉(zhuǎn)移給周圍分子骨架(晶格)中其它核，從而使自己返回到低能態(tài)現(xiàn)象。a)

固體樣品---分子運動困難---1最大---譜線變寬小---弛豫最少發(fā)生；b)

晶體或高粘度液體---分子運動較易---1下降---譜線仍變寬---部分弛豫;c)

氣體或受熱固體---分子運動輕易---1較小---譜線變寬大---弛豫顯著。綜述：樣品流動性降低(從氣態(tài)到固態(tài))，1增加，縱向弛豫越少發(fā)生，譜線窄。橫向弛豫2：又稱自旋-自旋弛豫。當兩個相鄰核處于不一樣能級，但進動頻率相同時，高能級核與低能級核經(jīng)過自旋狀態(tài)交換而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移所發(fā)生弛豫現(xiàn)象。a)固體樣品—結(jié)合緊密—自旋核間能量交換輕易—2最小—譜線變寬最大(寬譜)—

縱向弛豫輕易。b)受熱固體或液體—結(jié)合不很緊密—自旋核間能量交換較易—2上升—譜線變寬較小—縱向弛豫較易；c)氣體—自旋核間能量交換不易—2最大—譜線變寬最小—橫向弛豫最難發(fā)生。綜述：樣品流動性降低(從氣態(tài)到固態(tài))，2下降，越多縱向弛豫發(fā)生—譜線寬。核磁共振波譜法專家講座第12頁

在相同狀態(tài)樣品中，兩種弛豫發(fā)生作用剛好相反，只是在液態(tài)樣品中，二者弛豫時間1和2大致相當，在0.5-50s之間。兩種弛豫過程中，時間短者控制弛豫過程。對于固體樣品：1大而2小，此時弛豫由時間短控制，所以譜線很寬！因為液體和氣體樣品1和2均為1秒左右，能給出尖銳譜峰，所以，在NMR分析中，需將樣品配制成液體！思索：在NMR測量時，要消除氧雜質(zhì)，為何？因為O為順磁性物質(zhì)，其波動磁場會使1減小，使譜峰變寬。b)在NMR測量時，要求將樣品高速旋轉(zhuǎn)，為何？核磁共振波譜法專家講座第13頁三.化學位移與自旋-自旋分裂(ChemicalShiftandSpin-spinSplitting)1.化學位移現(xiàn)象：大多數(shù)有機物都含有氫原子(1H核)，從前述公式可見：在B0一定磁場中，若分子中全部1H都是一樣性質(zhì)，即H都相等，則共振頻率0一致，這時只將出現(xiàn)一個吸收峰，這對NMR來說，將毫無意義。實際上，質(zhì)子共振頻率不但與B0相關(guān)，而且與核磁矩或

相關(guān)，而磁矩或

與質(zhì)子在化合物中所處化學環(huán)境相關(guān)。換句話說，處于不一樣化合物中質(zhì)子或同一化合物中不一樣位置質(zhì)子，其共振吸收頻率會稍有不一樣，或者說產(chǎn)生了化學位移！經(jīng)過測量或比較質(zhì)子化學位移——了解分子結(jié)構(gòu)——這使NMR方法存在有了意義?；瘜W位移：在一定輻射頻率下，處于不一樣化學環(huán)境有機化合物中質(zhì)子，產(chǎn)生核磁共振磁場強度或共振吸收頻率不一樣現(xiàn)象，稱為化學位移。~600HzB核磁共振波譜法專家講座第14頁2.化學位移產(chǎn)生原因及其表示方法產(chǎn)生原因：分子中原子核處于核外電子氣氛中，電子在外加磁場B0作用下產(chǎn)生次級磁場，該原子核受到了屏蔽：

B為核實際受到磁場，由電子云密度決定屏蔽常數(shù)，與化學結(jié)構(gòu)親密相關(guān)。表示方法：因為不一樣核化學位移相差不大，有時會發(fā)生共振吸收頻率漂移，因此，實際工作中，化學位移不能直接準確測定，普通以相對值表示。詳細做法：于待測物中加一標準物質(zhì)（如TMS），分別測定待測物和標準物吸收頻率x和s，以下式來表示化學位移：無量綱，對于給定質(zhì)子峰，其值與射頻輻射無關(guān)。核磁共振波譜法專家講座第15頁

在NMR中，通常以四甲基硅烷(TMS)作標準物，因為：a)

因為四個甲基中12個H核所處化學環(huán)境完全相同，所以在核磁共振圖上只出現(xiàn)一個尖銳吸收峰；b)

屏蔽常數(shù)較大，因而其吸收峰遠離待研究峰高磁場(低頻)區(qū)；c)

TMS—化學惰性、溶于有機物、易被揮發(fā)除去；另外，也可依據(jù)情況選擇其它標準物。含水介質(zhì)：三甲基丙烷磺酸鈉。高溫環(huán)境：六甲基二硅醚。核磁共振波譜法專家講座第16頁3.影響化學位移原因從前式可知，凡是影響屏蔽常數(shù)（電子云密度）原因均可影響化學位移，即影響NMR吸收峰位置。1）誘導效應(yīng)(Induction)：分子與高電負性基團相連----分子電子云密度下降(去屏蔽)---下降---產(chǎn)生共振所需磁場強度小---吸收峰向低場移動；

2）共軛效應(yīng)(Conjugated)：使電子云密度平均化，可使吸收峰向高場或低場移動；與C2H4比：a)圖：氧孤對電子與C2H4雙鍵形成p-共軛，—CH2上質(zhì)子電子云密度增加，移向高場。b)圖：羰基雙鍵與C2H4

-共軛，—CH2上質(zhì)子電子云密度降低，移向低場。核磁共振波譜法專家講座第17頁3）磁各向異性效應(yīng)：置于外加磁場中分子產(chǎn)生感應(yīng)磁場(次級磁場)，使分子所在空間出現(xiàn)屏蔽區(qū)和去屏蔽區(qū)，造成不一樣區(qū)域內(nèi)質(zhì)子移向高場和低場。該效應(yīng)經(jīng)過空間感應(yīng)磁場起作用，包括范圍大，所以又稱遠程屏蔽。圖1：C2H4中電子云分布于鍵所在平面上下方，感應(yīng)磁場將空間分成屏蔽區(qū)（+）和去屏蔽區(qū)（-），因為質(zhì)子位于去屏蔽區(qū)，與C2H6（=0.85）相比移向低場(=5.28)。圖2：C2H2中三鍵電子云分布圍繞C-C鍵呈對稱圓筒狀分布，質(zhì)子處于屏蔽區(qū)，其共振信號位于高場

（=1.8）。

圖3：苯分子與C2H4情況相同，即苯質(zhì)子移向低場（=7.27）；對于其它苯系物，若質(zhì)子處于苯環(huán)屏蔽區(qū)，則移向高場；醛基質(zhì)子處于去屏蔽區(qū)，且受O電負性影響，故移向更低場（=7.27）。核磁共振波譜法專家講座第18頁4）氫鍵效應(yīng)：使電子云密度平均化，使OH或SH中質(zhì)子移向低場。如分子間形成氫鍵，其化學位移與溶劑特征及其濃度相關(guān);如分子內(nèi)形成氫鍵則與溶劑濃度無關(guān)，只與分子本身結(jié)構(gòu)相關(guān)。溶劑選擇標準：稀溶液；不能與溶質(zhì)有強烈相互作用。

5）自旋耦合與自旋分裂現(xiàn)象：CH3CH2OH中有三個不一樣類型質(zhì)子，所以有三個不一樣位置吸收峰。然而，在高分辨NMR中，—CH2和CH2中質(zhì)子出現(xiàn)了更多峰，這表明它們發(fā)生了分裂。如右圖。核磁共振波譜法專家講座第19頁原因：質(zhì)子自旋產(chǎn)生局部磁場，可經(jīng)過成鍵價電子傳遞給相鄰碳原子上氫，即氫核與氫核之間相互影響，使各氫核受到磁場強度發(fā)生改變！或者說，在外磁場中，因為質(zhì)子有兩種自旋不一樣取向，所以，與外磁場方向相同取向加強磁場作用，反之，則減弱磁場作用。即譜線發(fā)生了“分裂”。這種相鄰質(zhì)子之間相互干擾現(xiàn)象稱之為自旋-自旋耦合。該種耦合使原有譜線發(fā)生分裂現(xiàn)象稱之為自旋-自旋分裂。耦合能力大小以自旋耦合常數(shù)nJ表示（n為兩H氫間鍵數(shù)）。必須注意：偶合常數(shù)與化學位移都用表示。但與化學位移不一樣是，偶合常數(shù)nJ或自旋分裂程度大小與場強無關(guān)。所以能夠經(jīng)過改變B0，看是否改變來判斷是何種位移。B0HaB增加(低場)B減小(高場)B不變(不變)HbB增加(低場)B減小(高場)三重峰1:1:2雙重峰1:1核磁共振波譜法專家講座第20頁質(zhì)子與質(zhì)子之間關(guān)系化學等價核：同一分子中化學位移相同質(zhì)子?；瘜W等價質(zhì)子含有相同化學環(huán)境。磁等價核：假如有一組化學等價質(zhì)子，當它與組外任一磁核偶合時，其偶合常數(shù)相等，該組質(zhì)子稱為磁等價質(zhì)子。#1CH3CH2X中—CH3上三個質(zhì)子是化學等價，也是磁等價；#2

二氟乙烯中Ha和Hb是化學等價，但因JHF(順式)JHF(反式)，所以Ha和Hb不是磁等價質(zhì)子；#3

對-硝基氟苯中，Ha與Hb為化學等價，但不是磁等價（3Jac5Jbc）。注意：化學等價，不一定磁等價，但磁等價一定是化學等價。核磁共振波譜法專家講座第21頁偶合常數(shù)與分子結(jié)構(gòu)關(guān)系同碳質(zhì)子(2J)：相隔兩個化學鍵，J最大，但因為各質(zhì)子性質(zhì)完全一致，所以只觀察到一個單峰。J=10-16Hz

鄰碳質(zhì)子(3J)

：相隔三個化學鍵，J較大，是立體分子結(jié)構(gòu)分析最為主要偶合分裂。右圖是鄰碳質(zhì)子Karplus曲線。J=5-9Hz右圖是鄰碳質(zhì)子Karplus曲線。從中可見，不一樣位置上核，相互之間偶合常數(shù)不一樣，其大小與它們各自所在平面夾角相關(guān)。遠程偶合：間隔大于三個鍵以上質(zhì)子間偶合。該種偶合對體系很主要。如苯，J鄰=6-10Hz；J間=1-3Hz；J對=0-1Hz(o)核磁共振波譜法專家講座第22頁對于鄰碳磁等價核之間偶合，其偶合裂分規(guī)律以下：1）一個(組)磁等價質(zhì)子與相鄰碳上n個磁等價質(zhì)子偶合，將產(chǎn)生n+1重峰。如，CH3CH2OH（2+1；3+1；1）2）一個(組)磁等價質(zhì)子與相鄰碳上兩組質(zhì)子(分別為m個和n個質(zhì)子)偶合，假如該兩組碳上質(zhì)子性質(zhì)類似，則將產(chǎn)生m+n+1重峰，如CH3CH2CH3；假如性質(zhì)不類似，則將產(chǎn)生(m+1)(n+1)重峰，如CH3CH2CH2NO2；3）裂分峰強度比符合(a+b)n展開式各項系數(shù)之比；注意：n+1規(guī)律是一個近似規(guī)律，實際分裂峰強度比并不完全按上述規(guī)律分配，而是有一定偏差。通常是形成兩組峰都是內(nèi)側(cè)峰高、外側(cè)峰低。4）一組多重峰中點，就是該質(zhì)子化學位移值；5）磁等價質(zhì)子之間觀察不到自旋偶合分裂，如ClCH2CH2Cl，只有單重峰。6）一組磁等價質(zhì)子與另一組非磁等價質(zhì)子之間不發(fā)生偶合分裂。如對硝基苯乙醚，硝基苯上質(zhì)子為非磁等價，不產(chǎn)生一級圖譜(AB/JAB大于20，且自旋偶合核必須是磁等價才產(chǎn)生所謂一級圖譜)因而產(chǎn)生分裂較復雜，而苯乙基醚上質(zhì)子為磁等價，產(chǎn)生較簡單一級圖譜。核磁共振波譜法專家講座第23頁幾個例子：1)ClCH2CH2CH2Cl峰數(shù)及峰面積比分別為，3(1:2:1)-5(1:4:6:4:1)-3(1:2:1)2）ClCH2CH2Br：兩個三重峰。3)CH3CHBrCH3峰數(shù)及峰面積比分別為：2(1:1)-7(1:6:15:20:15:6:1)-2(1:1)4)CH3CH2CH2Br峰數(shù)及峰面積比分別為：2(1:1)-12(……..)-35)CH3CH2OCH3峰數(shù)及峰面積比分別為：3(1:2:1)-4(1:3:3:1)-16)Cl-CH2-O-CH3：兩個單峰，2:3思索：簡單分子中各質(zhì)子1HNMR峰譜圖上次序怎樣判斷？如CH3CH2OH，CH3CH2CH2Cl等核磁共振波譜法專家講座第24頁NMR一級譜：從上述討論可知，自旋-自旋分裂現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)分析非常主要，它可用于判別分子中基團和排列次序。多數(shù)NMR譜都很復雜，需經(jīng)過復雜計算才能解析，但當滿足以下條件或稱NMR譜為“一級譜”時，則可經(jīng)過上述所討論分裂現(xiàn)象直接解析：1）兩組偶合核之間化學位移遠大于它們之間偶合常數(shù)J，即：/J6；如，CH3CH2OH中-CH3和-CH2間化學位移差為140Hz，而J=7Hz，所以該分子NMR譜為一級譜；2）一組各質(zhì)子與另一組全部質(zhì)子偶合常數(shù)必須相等。核磁共振波譜法專家講座第25頁9.2NMR儀器一、分類：按磁場起源：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁鐵按照射頻率：60MHz、90MHz、200MHz…………..按掃描方式：連續(xù)波NMR儀（CW-NMR）和脈沖傅立葉變換NMR儀

（PFT-NMR）二、儀器組成：如圖。核磁共振波譜法專家講座第26頁1）磁鐵：產(chǎn)生一個恒定、均勻磁場。磁場強度增加，靈敏度增加。永久磁鐵：提供0.7046T(30MHz)或1.4092T(60MHz)場強。特點是穩(wěn)定，耗電少，不需冷卻，但對室溫改變敏感，所以必須將其置于恒溫槽內(nèi)，再置于金屬箱內(nèi)進行磁屏蔽。恒溫槽不能斷電，不然要將溫度升到要求指標要2~3天！電磁鐵：提供2.3T場強，由軟磁鐵外繞上激磁線圈做成，通電產(chǎn)生磁場。它對外界溫度不敏感，到達穩(wěn)定狀態(tài)快，但耗電量大，需要水冷，日常維護難。超導磁鐵：提供5.8T場強，最高可達12T，由金屬(如Nb、Ta合金)絲在低溫下(液氮)超導特征而形成。在極低溫度下，導線電阻挖為零，通