NMR基本原理優(yōu)秀課件

第四章核磁共振波譜（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy，NMR）*21952年諾貝爾物理學(xué)獎：布洛赫(FelixBloch)&珀賽爾(EdwardPurcell)領(lǐng)導(dǎo)的兩個研究組首次獨立觀察到核磁共振信號，共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。布洛赫(FelixBloch)珀賽爾(EdwardPurcell)發(fā)展歷史*3發(fā)展歷史1950年前后Proctor發(fā)現(xiàn)處在不同化學(xué)環(huán)境的同種原子核有不同的共振頻率，即化學(xué)位移；隨即又發(fā)現(xiàn)因相鄰自旋核而引起的多重譜線，即自旋－自旋耦合。就此開拓了核磁共振在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)脈沖傅里葉變換核磁共振方法和譜儀，引起了該領(lǐng)域革命性進步。*4發(fā)展現(xiàn)狀儀器向更高的磁場發(fā)展；各種新的脈沖系列的應(yīng)用和發(fā)展；提出并實現(xiàn)了二維核磁共振譜以及三維和多維核磁譜、多量子躍遷等NMR測定新技術(shù)，在歸屬復(fù)雜分子的譜線方面非常有用。*51991年諾貝爾化學(xué)獎：恩斯特（1933－）瑞士物理化學(xué)家他的主要成就在于他在發(fā)展高分辨核磁共振波譜學(xué)方面的杰出貢獻。*6發(fā)展現(xiàn)狀固體高分辨NMR技術(shù)、HPLC-NMR聯(lián)用技術(shù)及各種稀有核的測定技術(shù)的發(fā)展；核磁共振成像（MRI）技術(shù)等新的分支學(xué)科出現(xiàn)，可無損測定和觀察物體以及生物活體內(nèi)非均勻體系的圖象，在許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，也成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)診斷的重要手段。勞特布爾（美）和曼斯菲爾德（英）因此獲得2003年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。*72003年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎:美國科學(xué)家保羅·勞特布爾(PaulLauterbur)和英國科學(xué)家彼得·曼斯菲爾德(PeterMansfield)用核磁共振成像“拍攝”的腦截面圖象Peter*82002諾貝爾化學(xué)獎:

瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍?維特里?！癴orhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution".概述

核磁共振波譜是指位于外磁場中的原子核吸收電磁波后從一個自旋能級躍遷到另一個自旋能級而產(chǎn)生的吸收波譜。

檢測電磁波被吸收的情況就可得到核磁共振波譜。根據(jù)波譜圖上共振峰的位置、強度和精細結(jié)構(gòu)可以研究分子結(jié)構(gòu)。4.1基本原理4.2核磁共振氫譜（1HNMR）4.3核磁共振碳譜（13CNMR）4.4二維譜§4.1基本原理（一）原子核的自旋角動量和磁矩核的自旋

自旋量子數(shù)I:

描述核的自旋運動,與核的質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)有關(guān)。4.1.1NMR現(xiàn)象的產(chǎn)生一種核的自旋量子數(shù)I是固定的，如：1H核I=1/2；I=0的原子核，無自旋，無核磁共振現(xiàn)象；I≠0的核都有核磁共振現(xiàn)象。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，有自旋，是核磁共振研究的主要對象。I≠0的其它核核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少。討論：

原子核的自旋角動量——矢量：空間方向量子化

原子核的磁性和磁矩——矢量原子核的磁性用核磁矩μ來描述。γ:旋磁比

原子核的旋磁比

是原子核的基本屬性之一，因原子核總類的不同而不同，γ越大，核磁共振中越容易檢測到。

1H

＝26.752×107T-1·S-113C＝6.728×107T-1·S-1（T特斯拉，磁場強度的單位，S秒）；愈大，核的磁性愈大，其核磁共振信號愈易檢測。（二）磁性核在外磁場（H0）中的行為原子核在外磁場中的自旋取向

核在外磁場中定向排列，其取向是空間方向量子化的。相對于外磁場方向，可以有（2I+1）種取向。磁量子數(shù)m=I,I-1,…,-I,可取2I+1個不同數(shù)值。核的進動磁矩μ與H0之間的相互作用能為：

，

所以，原子核的不同取向就代表了不同的能級不同的取向（m不同），E不同原子核在外磁場中的能級裂分

I=1/2的核，m=+1/2

，μ與H0一致，E<0，核處于低能級；(2)m=-1/2，μ與H0相反，E>0，核處于高能級；能級差：（三）核磁共振產(chǎn)生的條件

總結(jié)：核磁共振條件：

(1)核有自旋(磁性核)，即I≠0；

(2)外磁場H0;(3)照射頻率與外磁場的關(guān)系滿足：討論共振條件：(2)不同原子核,γ不同，相同磁場強度H0，共振頻率不同。

如：H0=2.35T,1H100MHz,13C25MHz(1)對于同一種核，γ為定值，共振頻率隨H0發(fā)生變化。

1H：H0=1.409T

時，共振頻率=60MHz

；

H0=2.305T

時，共振頻率

=100MHz。(3)實現(xiàn)NMR有兩種方式：

A.固定H0

，逐漸改變照射體系的頻率——掃頻法

B.固定照射頻率，逐漸改變磁場強度——掃場法幾種常見核磁共振譜圖：核磁共振氫譜：1HNMR

核磁共振碳譜:13CNMR

核磁共振氟譜：19FNMR

核磁共振磷譜：31PNMR（四）核磁共振儀樣品管

1HNMR工作原理

用于有機物結(jié)構(gòu)分析的必須是高分辨率儀器核磁共振儀的分類：按外磁場強度不同而所需的照射頻率分為：60MHz、100MHz、200MHz、300MHz、400MHz、500MHz、600MHz、800MHz等型號，核磁共振儀的型號通常用H的共振頻率來表示;按磁場的來源：分為永久磁鐵、電磁鐵和超導(dǎo)磁體；根據(jù)射頻的照射方式：分為連續(xù)波核磁共振譜儀（CW－NMR）和脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀（PFT－NMR）。磁體：提供強的穩(wěn)定均勻的磁場射頻振蕩器：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到高能級。射頻接受器：用于接受攜帶樣品核磁共振信號的射頻輸出,并將接收到的信號傳送到放大器放大。探頭:有樣品管座、發(fā)射線圈、接受線圈、變溫元件等。掃描單元：安裝在磁極上的掃描線圈，提供一個附加可變磁場，用于掃描測定。連續(xù)波核磁共振譜儀脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀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環(huán)境的同類磁核的共振頻率。各種核同時激發(fā)，發(fā)生共振，然后通過弛豫逐步恢復(fù)Boltzmann平衡。在這個過程中，射頻接受器接受信號，得到隨時間衰減的信號，稱自由感應(yīng)衰減信號（FID)，通過計算機進行傅里葉變換轉(zhuǎn)化為通常的NMR譜圖。FT-NMR譜儀特點：

掃描速度快，測定一張譜圖只需要幾秒-幾十秒的時間。不僅改善1H等天然豐度高的核種的譜圖質(zhì)量，而且使天然豐度小、絕對靈敏度低的同位素核的核磁共振測定得以實現(xiàn)。核磁共振譜示意圖：H低場吸收能量強度高場信號磁場強度（頻率υ０）H0（五）弛豫

受激吸收和發(fā)射同時發(fā)生，且有相同的幾率。如果高低能級上的粒子數(shù)相同，便觀察不到凈吸收信號。這種現(xiàn)象稱作“飽和”。－Boltzmann分布表明，在通常情況下低能級上的粒子數(shù)比高能級上的粒子數(shù)多。平衡狀態(tài):－為了能持續(xù)檢測到吸收信號，必須保持低能級上的粒子數(shù)始終多于高能級。－

高能級上的粒子回到低能級的途徑：自發(fā)輻射自發(fā)輻射的幾率與E成正，在NMR中很小。弛豫粒子從激發(fā)態(tài)回到Boltzmann平衡的過程

在60MHz的NMR儀器(H0＝1.41T)中，自旋-晶格弛豫（spin-latticerelaxation）

縱向弛豫

自旋核與周圍環(huán)境(固體的晶格，液體則是周圍的同類分子或溶劑分子)交換能量的過程；弛豫過程所需時間以T1表示；T1愈小、弛豫的效率(1/T1)愈高，愈有利于核磁共振信號測定。固體分子熱運動受限制，T1很大。液體及氣體樣品的T1僅幾秒鐘。因此測定核磁共振譜時一般多采用液體試樣。自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）

橫向弛豫

核與核之間進行能量交換的過程;

弛豫時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。弛豫過程所需時間以T2表示，氣體及液體樣品T2為1秒左右。固體及粘度大的液體試樣由于核與核之間比較靠近，有利于磁核間能量的轉(zhuǎn)移，T2僅10-4～

10-5秒。核磁共振基本原理示意圖4.1.2化學(xué)位移

實際情況并非如此!!!

根據(jù)核磁共振基本原理，核磁共振只能區(qū)分不同元素的核。

如，H0＝1.4092T時，

1H的共振頻率為60MHz

13C

的共振頻率為15.1MHz例如：乙醇的氫譜中有三個共振吸收峰。

有機分子中，與不同基團相連的氫原子核，具有不同的共振信號。1.化學(xué)位移的產(chǎn)生核實際受到的磁場強度H0’

電子云對核的屏蔽作用

核外有電子云

裸露的核：H0’=H0－

H0=H0（1－）

為使核發(fā)生共振，須提高外磁場強度以抵消感應(yīng)磁場由此產(chǎn)生了化學(xué)位移化學(xué)位移

化學(xué)位移：由于化學(xué)環(huán)境的差異而引起的同類磁核在核磁共振中出現(xiàn)不同共振信號的現(xiàn)象。

屏蔽常數(shù)

與原子核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān):

d

為抗磁屏蔽球形對稱的s電子云產(chǎn)生。與外磁場方向相反，削弱外磁場（屏蔽作用）。共振信號發(fā)生在高場。

p

為順磁屏蔽核外非球形對稱的電子云產(chǎn)生。與外磁場方向相同，增強外磁場（去屏蔽作用）。共振信號發(fā)生在低場。

a

為相鄰基團的各向異性的影響。s為溶劑、介質(zhì)等其他因素的影響。2.化學(xué)位移的表示方法—屏蔽作用引起的共振頻率差別很小。

100MHz儀器中，不同化學(xué)環(huán)境的1H的共振頻率差別在0～1500Hz范圍內(nèi)，難以測量。

以一標(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?！舱耦l率與外磁場強度有關(guān),不同儀器測定結(jié)果難以比較?；瘜W(xué)位移的表示：以甲基為例：在60MHz儀器中：在100MHz儀器中：3.基準(zhǔn)物質(zhì)的選擇常用：四甲基硅烷(tetramethylsilane，簡稱TMS)優(yōu)點是：化學(xué)性質(zhì)不活潑，與樣品及溶劑等不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和分子間締合。四個甲基有相同的化學(xué)環(huán)境，在氫譜和碳譜中都只有一個吸收峰。電負(fù)性：Si(1.9)<C(2.5)，氫和碳核受大的屏蔽效應(yīng)，產(chǎn)生的信號不會干擾樣品NMR信號。沸點很低（27℃）易去除，有利于回收樣品。

在1H和13C譜中規(guī)定：TMS的化學(xué)位移值=0，位于圖譜的右邊。其左邊為正值，在它的右邊為負(fù)值。

1H=0～20

13C=0～200

其它標(biāo)準(zhǔn)物：如2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸鈉(又稱DSS)，叔丁醇，丙醇等。（增大）（減?。?.化學(xué)位移的測定

TMS作為內(nèi)標(biāo)物和樣品一起溶解于合適的溶劑中進行測定

1H和13C測定一般使用氘代溶劑。

CD3SOCD32.49(5重峰);D2O4.6(s);CDCl37.24(s);CD3OD3.50(5重峰),4.78(1);CD3COCD32.04(5重峰)4.1.3自旋－自旋耦合自旋-自旋耦合：相鄰磁核之間的相互干撓現(xiàn)象；自旋裂分：由自旋-自旋耦合而引起的多重譜線現(xiàn)象A核鄰近有一個X核(自旋量子數(shù)為1/2)A核，不考慮鄰近核時：X的取向＋1/2,(↑,