儀器分析-楊屹-核磁共振波譜法

1、1,核磁共振波譜法,NMR,2,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,3,核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging?)，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonnance?，簡稱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，通過外加梯度磁場檢測所發(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)

2、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。極大地推動了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。,NMR — 概述,4,核磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因為人體的約70%是由水組成的，MRI即依賴水中氫原子。當(dāng)把物體放置在磁場中，用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈渌怪舱?，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。通過一個磁共振成像掃

3、描人類大腦獲得的一個連續(xù)切片的動畫，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,5,歷史,1946年 --- Bloch (Stanford U.) & Purcell (Harvard U.) 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,6

4、,1952年 --- Nobel Price ( 物理）,1951年 --- Arnold 發(fā)現(xiàn)乙醇的核磁 共振信號3組峰,歷史,NMR — 概述,7,8,1956年 --- Varian公司第一臺高分辨 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

5、 — 概述,9,歷史,1991年 --- Nobel Price（R.R.Ernst） 高分辨核磁共振分光法，成為有機物鑒定和結(jié)構(gòu)測定的重要手段。,,NMR — 概述,10,NMR — 概述,11,2002 年的諾貝爾化學(xué)獎之一半授予了Kurt Wüthrich 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。,http :/ / www. mol. biol. ethz. ch/ wuthri

6、ch/ people/ kw/ cv2en. html,NMR — 概述,,,The Nobel Prize in Chemistry 2002,"for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules","for their development of so

7、ft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules",13,諾貝爾獲獎?wù)叩呢暙I 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)獎授予美國化學(xué)家-{zh-tw:保羅·勞特伯;zh-cn:保羅·勞特布爾}-（Paul C. Lauterb

8、ur）和英國物理學(xué)家彼得·曼斯菲爾德（Peter Mansfield），以表彰他們在醫(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,14,自旋核在磁場中的行為,化學(xué)位移及影響因素,自旋偶合及自旋裂分,NMR — 原理,15,核的自旋 核磁共振 弛豫過程,原理—自旋核在磁場中的行為,16,一、 原子核的自旋,核的自旋,自旋角動量：,I：自旋量子數(shù)h：普朗克常數(shù),質(zhì)量數(shù) 原子序數(shù)

9、　　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….,17,二、 原子核的磁矩,核的自旋,核磁矩（核磁子）：,μ=γP,γ,－磁旋比,18,1． 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

10、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,19,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象。,20,無外磁場時　—　核自旋取向

11、 任意,有外磁場時　—　核自旋取向數(shù)?。睮 + 1,磁量子數(shù) m = I, I-1, … , -I， 對應(yīng)能級,氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2,核磁共振 – 能級分裂,21,原子核在磁場中的勢能,E = - hm γ H0 / 2?,ｍ＝＋1/2,E 1/2 = - h γ H0 / 4?,ｍ＝- 1/2,E-1/

12、2 = h γ H0 / 4?,?E = h γ H0 / 2?,核磁共振 - 能級分裂,22,核磁共振 —能級分裂,23,核磁共振 — 共振條件,電磁輻射能 h?,核磁能級差 ?E = h ? H0 / 2?,核磁共振條件 ? = ? H0 / 2?,24,（1）對于同一種核，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，

13、需要的磁場強度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)。 掃場方式應(yīng)用較多,共振條件— ? = ? H0 / 2?,25,核磁共振 — 共振條件,氫核（1H）： 1.409 T 共振頻率 60 MHz 2.305 T 共振頻率 100 MHz,磁場強

14、度H0的單位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）,26,弛豫過程 — Boltzmann分布,根據(jù)Boltzmann分布，在磁場中不同能級的核數(shù)分布：,常溫下1H核N+/N- =1000000/1000007,27,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,28,原理－化學(xué)位移,理想化的、裸露的氫核滿足共振條件： ?0 = ? H0 /

15、(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，使氫核實際受到的外磁場作用減?。?H=（1- ? ）H0 ?0 = [? / (2? ) ]（1- ? ）H0,29,在有機化合物中，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。,化學(xué)位移,30,?：屏蔽常數(shù)。 ? 越大

16、，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強度（相對于裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。,化學(xué)位移,31,1．位移的標(biāo)準(zhǔn)　　沒有完全裸露的氫核，沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)。,相對標(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),32,2．為什么用TMS作為基準(zhǔn)?,(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；,

17、（2）屏蔽強烈，位移最大；,（3）化學(xué)惰性，易溶于有機溶劑，沸點低，易回收。,化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn),33,? = [（ ?樣 - ?TMS) / ?TMS ] 106 (ppm),?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),化學(xué)位移的表示,常見結(jié)構(gòu)單元化學(xué)位移范圍,35,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

18、去屏蔽效應(yīng),改變電子云密度,36,（1） 誘導(dǎo)效應(yīng),吸電子作用強，電子云密度降低，屏蔽作用減弱，信號峰在低場出現(xiàn)。,37,CH3 ， ? =1.6~2.0；-CH2I， ? =3.0 ~ 3.5,（1） 誘導(dǎo)效應(yīng),38,間隔鍵數(shù)增多，誘導(dǎo)效應(yīng)減弱,CH3Br (2.68 ppm),CH3CH2Br (1.65 ppm),CH3CH2CH2Br

19、 (1.04 ppm),（1） 誘導(dǎo)效應(yīng),39,（2）共軛效應(yīng),與誘導(dǎo)效應(yīng)一樣，共軛效應(yīng)亦會使電子密度變化。,40,(3) 磁各向異性效應(yīng),? （炔氫）,? （烯氫）,,,實際值 ：,? （炔氫）= 1.8 ~ 3.0,? （烯氫）= 4.5 ~ 7.5,? （炔氫） < ? （烯氫）,41,(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稱時，就對鄰近氫核附加了一個各向異性磁場，從

20、而對外磁場起著增強或減弱的作用，使在某些位置上的核受到屏蔽效應(yīng)， ? 移向高場，而另一些位置上的核受到去屏蔽效應(yīng)， 故?移向低場。,(3) 磁各向異性效應(yīng),三鍵,(3) 磁各向異性效應(yīng),雙鍵,(3) 磁各向異性效應(yīng),苯環(huán),45,（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)位移向低場移動，形成氫鍵趨勢越大，質(zhì)子向低場移動越顯著。,46,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

21、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,47,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

22、。,48,自旋偶合與自旋裂分,49,自旋偶合與自旋裂分,乙醇的高分辨與低分辨NMR譜,峰面積 1：2：3,51,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,52,如果Ha鄰近沒有其他質(zhì)子，則Ha共振條件為：,?0 = [? / (2? ) ](1- ?)H0,Ha鄰近有Hb存在，Hb 在外磁場中有兩種自旋取向，相應(yīng)產(chǎn)生

23、兩種自旋磁場，對Ha核有干擾。,自旋偶合與自旋裂分,53,一種磁場與外磁場Ho同方向，作用于Ha的磁場 H＝Ho＋ΔH,另一種與外磁場反方向，作用于Ha的磁場 H＝Ho－ΔH,?1 = [? / (2? ) ]［（1- ? ）H0＋ΔH］?2 = [? / (2? ) ]［（1- ? ）H0－ΔH］,自旋偶合與自旋裂分,54,多重峰的峰間距：偶合常數(shù)（J），用來衡量

24、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)的大小與外加磁場無關(guān)。,偶合常數(shù)- J,55,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) 、遠程偶合（三個鍵以上的質(zhì)子間的偶合）。,偶合常數(shù)- J,56,偶合常數(shù)有正負值，一般間隔奇數(shù)鍵時J為正值，間隔偶數(shù)鍵時J為負值。,1.同碳質(zhì)子偶合常數(shù)(J同) 1) S

25、P3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)- J,57,2. 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)時約為7Hz,構(gòu)型固定時約為0~18Hz；2)烯型J鄰： J鄰（順）= 6~14Hz， J鄰（反） = 11~18Hz；

26、 J鄰（反）> J鄰（順）,偶合常數(shù)- J,58,3. 遠程偶合常數(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)為負值，在0~ -3Hz之間。,偶合常數(shù)- J,59,核的化學(xué)等價和磁等價性,化學(xué)等價核：化學(xué)位移相同的一組核叫化學(xué)等價核。,磁等價：分子中有

27、一組化學(xué)位移相同的核，他們對組外任何一個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的核。,磁等價的核一定為化學(xué)等價的，但化學(xué)等價的核不一定磁等價。,60,化學(xué)不等價核,凡符合下列情況之一的，均為化學(xué)不等價核：,1）化學(xué)環(huán)境不同的核；2）固定環(huán)上的CH2的兩個氫；3) 與不對稱碳相連的CH2的兩個氫；4）單鍵帶有雙鍵時，會產(chǎn)生磁不等價核；5）單鍵不能自由旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生化學(xué)不等價核。,61,核磁共振氫譜譜圖分分為一級譜和高

28、級譜。一級譜的特征： 自旋裂分峰的數(shù)目為2nI+1,I為核的自旋量子數(shù)，n為相鄰基團上發(fā)生偶合的磁全同核的數(shù)目。,自旋體系的分類,對于氫核則裂分峰的數(shù)目為 n+1,稱為n+1規(guī)律。,62,,n+1規(guī)律,（1）當(dāng)某基團上的氫有n個相鄰氫時，它將裂分為n+1個峰。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，另一種為n’個，將裂分為（n+1)(n’+1)個峰;（2）自旋裂分峰的強度比基本上為二項式各項系數(shù)之比.（3）一組

29、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)。,63,,n+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)子之間的相對比例,64,,n+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

30、處于一種平均環(huán)境之中。鄰近質(zhì)子不對活潑氫峰形產(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，故活潑氫也不對鄰近質(zhì)子產(chǎn)生峰的裂分。,如：,65,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）峰的強度(面積)：多少個（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,66,譜

31、圖解析的步驟,檢查譜圖是否規(guī)則：四甲基硅烷的信號應(yīng)在零點，基線平直，積分曲線在沒有信號的地方也應(yīng)平直。(2)從積分曲線，算出各組信號的相對面積，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或孤立的次甲基信號為標(biāo)準(zhǔn)計算各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,67,(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?？上冉馕鲆恍┨卣鞯膹姺濉畏?，如CH3O，CH3N，CH3-C=C等，識別低

32、場的信號，醛機、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)集團的相互關(guān)系。(4)識別譜圖中的一級裂分譜，讀出J值，驗證J值是否合理。,譜圖解析的步驟,68,(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)仔細核對個組信號的化學(xué)位移和偶合常數(shù)與推定的結(jié)構(gòu)是否相符，必要時，找出類似化合物的共振譜進行比較，進而確定化合物的結(jié)構(gòu)式 。,譜圖解析的步驟,69,70

33、,［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-1,71,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)

34、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,與強拉電子基團相連，表明分子中存在乙酯基（－COOCH2CH3),3.50ppm為CH2，δ2.2ppm為CH3，均不與其它質(zhì)子偶合，根據(jù)化學(xué)位移δ2.2ppm應(yīng)于拉電子的羰基相連，即CH3-C=O。,示例-1,72,示例-2,73,示例-2,解：從化合物分子式C6H8O3求得未知物的不飽和度為3，說明分子中沒有苯環(huán)。根據(jù)紅外信息，可能為酸酐。NMR譜圖中有2組峰

35、，各組峰的積分高度比為1：3，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,74,示例-3,［例3］某化合物分子式為C9H12，其核磁共振譜圖如下，試確定該化合物的結(jié)構(gòu)。,75,解：從化合物分子式C9H12求得未知物的不飽和度為5，說明分子中含有苯環(huán)。NMR譜圖中有4組峰，各組峰的積分高度比為5：2：2：3，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,示例-3,76,示例-4,77,解：從化合物分子式C9H10O求得未知物的不飽和度為5，說明分子中含有苯環(huán)。根據(jù)紅外信息

36、，可知結(jié)構(gòu)中含有羥基、苯環(huán)和C=C雙鍵。NMR譜圖中有4組峰，各組峰的積分高度比為5：2：2：1，這也是各組峰代表的質(zhì)子數(shù)。,示例-4,78,核磁共振波譜儀,1．永久磁鐵：,2 ．射頻振蕩器：,3 ．射頻信號接受器（檢測器）,4．樣品管：,79,1．永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。,2 ．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。200MHz或400MHz。,3 ．射頻信號接受器（檢測