《核磁共振波谱分析》PPT课件.ppt

00:22:46,核磁共振波谱分析法,nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR,00:22:46,概述,NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。 （测定有机化合物的结构，1HNMR氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目） 在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来电磁辐射(10-9-10-10nm,4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁-产生所谓NMR现象。 射频辐射原子核(强磁场下，能级分裂)-吸收能级跃迁NMR 与UV-vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。,00:22:46,历史： 1924年Pauli预言了NMR的基本理论：有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； 1946年，Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； 1953年Varian开始商用仪器开发，并于同年做出了第一台高分辨NMR仪。 1956年，Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。 1991年诺贝尔化学奖授予R.R. Ernst教授，以表彰他对二维核磁共振理论及傅里叶变换核磁共振的贡献。这两次诺贝尔奖的授予，充分地说明了核磁共振的重要性。,00:22:46,核磁共振在仪器、实验方法、理论和应用等方面有着飞跃的进步。谱仪频率已从30MHz发展到900MHz。1000MHz谱仪亦在加紧试制之中。仪器工作方式从连续波谱仪发展到脉冲-傅里叶变换谱仪。随着多种脉冲序列的采用，所得谱图已从一维谱到二维谱、三维谱甚至更高维谱。所应用的学科已从化学、物理扩展到生物、医学等多个学科。核磁共振成像技术还可以与断层扫描技术(CT)结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据,总而言之，核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一。,00:22:46,核磁共振是当前应用于诊断早期病变的临床医学影像技术，这种检查对患者和检查者都是安全可靠的 .核磁共振成像技术是一种非介入探测技术，相对于X-射线透视技术和放射造影技术，MRI对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术，核磁共振成像更加清晰，能够显示更多细节，此外相对于其他成像技术，核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面，MRI技术都发挥了非常重要的作用。,00:22:46,磁共振最常用的核是氢原子核质子（1H），因为它的信号最强，在人体组织内也广泛存在。影响磁共振影像因素包括：(a)质子的密度；(b)弛豫时间长短；(c)血液和脑脊液的流动；(d)顺磁性物质;(e)蛋白质。磁共振影像灰阶特点是，磁共振信号愈强，则亮度愈大，磁共振的信号弱，则亮度也小，从白色、灰色到黑色。各种组织磁共振影像灰阶特点如下；脂肪组织，松质骨呈白色；脑脊髓、骨髓呈白灰色；内脏、肌肉呈灰白色；液体，正常速度流血液呈黑色；骨皮质、气体、含气肺呈黑色。,00:22:46,核磁共振成像技术的最大优点是能够在对身体没有损害的前提下，快速地获得患者身体内部结构的高精确度立体图像。利用这种技术，可以诊断以前无法诊断的疾病，特别是脑和脊髓部位的病变；可以为患者需要手术的部位准确定位，特别是脑手术更离不开这种定位手段；可以更准确地跟踪患者体内的癌变情况，为更好地治疗癌症奠定基础。此外，由于使用这种技术时不直接接触被诊断者的身体，因而还可以减轻患者的痛苦 . 目前核磁共振成像仪在全世界得到初步普及，已成为最重要的诊断工具之一。年，全世界使用的核磁共振成像仪共有万台，利用它们共进行了约万人次的检查。,目录：,第一节 核磁共振基本原理 第二节 核磁共振与化学位移 第三节 自旋偶合与自旋裂分,00:22:46,00:22:46,一、原子核的自旋 atomic nuclear spin 二、核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 三、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance,第一节 核磁共振基本原理,principles of nuclear magnetic resonance,00:22:46,分子的磁性质,原子核 ： 带正电荷的粒子 当它的质量数和原子序数至少有一个是奇数时，它就和电子一样有自旋运动，产生磁矩。 例：11H， 136C，199F 和 3115P 有自旋现象。 126C ， 168O ，3216S ,2814Si没有自旋现象。,00:22:46,一、 原子核的自旋 atomic nuclear spin,若原子核存在自旋，产生核磁矩： 自旋角动量：,核磁子=eh/2M c；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，,核 磁 矩：,00:22:46,磁矩 ，具有方向性，是一个矢量 = r h I / 2 r 旋磁比 I 自旋量子数 h Plank常数,1H 自旋量子数( I ) 1/2 没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的 在外磁场H0中，它的取向分为两种(2I+1=2) 一种和磁场方向相反，能量较高( E=H0) 一种和磁场方向平行，能量较低( E= H0),00:22:46,两种取向的能量差E可表示为:,若外界提供一个电磁波，波的频率适当，能量恰好等于核的两个能量之差，h=E，那么此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振吸收。,h= h / (2 ) H0 即 = / (2 ) H0,00:22:46,讨论:,(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收 (2) I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少； (3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。,00:22:46,二、 核磁共振现象 nuclear magnetic resonance,自旋量子数 I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。,当置于外磁场H0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）： (1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2; (2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2;,00:22:46,在低能态或高能态的氢核中，如果有些氢核的磁场与外磁场不完全平行，外磁场就要使它取向于外磁场方向。,相互作用, 产生进动(拉摩尔进动)进动频率 0； 角速度0； 0 = 2 0 = H0 磁旋比； H0外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之间的能级差： E= 2H0 （磁矩）,00:22:46,三、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance,在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。 能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。,对于氢核，能级差： E= 2H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= 2 H0 = h 0 由拉摩尔进动方程：0 = 2 0 = H0 ; 共振条件： 0 = H0 / (2 ),00:22:46,小结：共振条件,(1)核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分; (3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 ),对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。 不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。,00:22:46,能级分布与弛豫过程,1.能级分布 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：,磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：,两能级上核数目差：1.610-5；可见，处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出百万分之十六！,00:22:46,饱和(saturated)低能态的核等于高能态的核。 弛豫(relaxtion) 高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,当这部分稍微过量的低能态的核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。然而，在射频电磁波的照射下，这种跃迁继续下去，而高能态的核没有其他途径回到低能态，结果就使处于低能态氢核的微弱多数趋于消失，能量的净吸收逐渐减少，共振吸收峰渐渐降低，甚至消失，使吸收无法测量，这是就出现了“饱和现象”。,00:22:46,何为弛豫？ 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。 据海森堡Heisenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽成正比，即：,可见，弛豫决定处于高能级核寿命。而弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。,00:22:46,弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫。,纵向弛豫(时间T1)：又称自旋-晶格弛豫。处于高能级的核将其能及时转移给周围分子骨架(晶格)中的其它核，从而使自己返回到低能态的现象。 a.固体样品-分子运动困难-T1最大-谱线变宽小-弛豫最少发生 b. 晶体或高粘度液体-分子运动较易-T1下降-谱线仍变宽-部分弛豫; c. 气体或受热固体-分子运动容易-T1较小-谱线变宽大-弛豫明显。 综述：样品流动性降低(从气态到固态)，T1增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。,00:22:46,横向弛豫(时间T2)：又称自旋-自旋弛豫。当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移所发生的弛豫现象。,a.固体样品-结合紧密-自旋核间能量交换容易-T2最小- 谱线变宽最大(宽谱)-纵向弛豫容易 b.受热固体或液体-结合不很紧密-自旋核间能量交换较 易-T2上升-谱线变宽较小-纵向弛豫较易 c.气体-自旋核间能量交换不易-T2最大-谱线变宽最小 横向弛豫最难发生,00:22:46,综述： 样品流动性降低(从气态到固态)，T2下降，越多纵向弛豫发生-谱线宽。 相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间1和2大致相当，在5-50s之间。两种弛豫过程时间短者控制弛豫过程,00:22:46,一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic resonance and chemical shift 二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift,第二节 核磁共振与化学位移,nuclear magnetic resonance and chemical shift,00:22:46,理论： 在一固定外加磁场(H0)中，有机物的1H核磁共振谱应该只有一个峰，即在, = E / h = rH0/2,实际是？,00:22:46,实际上，氢原子核的外面有电子，它们对磁场的磁力线有排斥作用。对原子核来讲，周围的电子起了屏蔽（Shielding）效应。核周围的电子云密度越大，屏蔽效应就越大，要相应增加磁场强度才能使之发生共振。核周围的电子云密度是受所连基团的影响，故不同化学环境的核，它们所受的屏蔽作用各不相同，它们的核磁共振信号亦就出现在不同的位置。此位置的差异即叫化学位移。,00:22:46,一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic resonance and chemical shift,屏蔽作用 理想化的、裸露的氢核；满足共振条件： 0 = H0 / (2 ) 产生单一的吸收峰； 实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小： H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。 0 = / (2 ) （1- ）H0 屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。,00:22:46,化学位移： chemical shift,0 = / (2 ) （1- ）H0 由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。,00:22:46,2. 化学位移的表示方法,(1)位移的标准 没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。在实际应用中是采用一参考物作标准，试样与参考物的共振频率相对差就定义为该核的化学位移，用表示。,化学位移在扫场时可用磁场感应强度的改变来表示。,相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 （TMS）（内标） 位移常数 TMS=0（人为定义）,（2) 为什么用TMS作为基准? TMS中的12个氢处于完全相同的化学环境，它们的共振条件完全相同，只产生一个尖峰； 屏蔽最强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭； 化学惰性，不会和试样反应； 易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,00:22:46,位移的表示方法,对于CW-NMR,因为TMS共振时的磁感应强度H最高，现把它的化学位移定为零为标准，因而一般有机物中氢核的都是负值。为了方便起见，负号都不加。,值较大的氢核，处于低场； 值较小的氢核，处于高场。,小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧； 大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；,由上述可知见， 是一个相对值，量纲为一。又因氢核的 值数量级为百万分之几到十几，因此常乘以106。 =（HTMS-H试样/HTMS)106 （ 样 - TMS) / TMS 106 (ppm),二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift,化学位移是由核外电子云密度决定的，因此影响电子云密度的各种因素都将影响化学位移。其中包括与质子相邻近元素或集团的电负性、各向异性效应、范德华效应及氢键作用等。,00:22:46,1电负性-去屏蔽效应 与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。,-CH3 ， =1.62.0，高场； -CH2I， =3.0 3.5, -O-H， -C-H， 大 小 低场 高场,00:22:46,诱导效应,(电负性对化学位移的影响),00:22:46,吸电子基团越多, 这种影响越大,基团距离越远，受到的影响越小,00:22:46,1) 烯碳sp2杂化比sp3杂化,与氢相连的碳原子从sp3 （碳碳单链）到sp2（碳碳双键），s电子的成分从25%增加至33%， C-H键电子更靠近碳，对质子的屏蔽 如： 乙烷质子 =0.96 乙烯质子 =5.84,2）炔碳为sp杂化，相对sp2和sp3杂化的C-H键电子更靠近碳， 使质子周围的电子云密度减少， 质子共振吸收向低场移动.但炔氢谱峰相对烯氢处于较高场，芳环氢谱峰相对于烯氢处于较低场，则因另有较重要的影响因素所致。,碳杂化轨道电负性：SPSP2SP3,00:22:46,2、磁各向异性效应,分子中，质子与某一官能团的空间关系，而影响质子的化学位移，磁各向异性效应。与通过化学键而起作用的效应不一样。 如：CC，CO双键上的电子，垂直于双键平面，它与外磁场作用下产生环流。,在双键平面上的质子周围，感应磁场方向与外磁场相同而产生去屏蔽，吸收峰位于低场。然而在双键上下方向则是屏蔽区域，因而初在此区域的质子共振信号将在高场出现。,00:22:46,乙炔具有相反的效应。由于碳碳三键的电子以键轴为中心呈对称分布(圆柱体）. 在外磁场诱导下形成绕键轴的电子环流。环流产生的感应磁场，使处在键轴方向上下的质子受屏蔽，吸收峰在较高场，而在键上方的质子则在较低场出现。,00:22:46,环状共轭体系的环电流效应 乙烯的值为5.23ppm，苯的值为7.3ppm，而它们的碳原子都是sp2杂化。有人曾计算过，若无别的影响，仅从sp2杂化考虑，苯的值应该大约为5.7ppm。实际上，苯环上氢的值明显地移向了低场，这是因为存在着环电流效应。 设想苯环分子与外磁场方向垂直，其离域电子将产生环电流。环电流产生的磁力线方向在苯环上、下方与外磁场磁力线方向相反，但在苯环侧面（苯环的氢正处于苯环侧面），二者的方向则是相同的。即环电流磁场增强了外磁场，氢核被去屏蔽，共振谱峰位置移向低场。,00:22:46,高分辨核磁共振所测定的样品是溶液，样品分子在溶液中处于不断翻滚的状态。因此，在考虑氢核受苯环电子环电流的作用时，应以苯环平面相对磁场的各种取向进行平均。苯环平面垂直于外磁场方向时，前已论及。若苯环平面与外磁场方向一致时，则外磁场不产生诱导磁场，氢不受去屏蔽作用。对苯环平面的各种取向进行平均的结果，氢受到的是去屏蔽作用。 不仅是苯，所有具有4n+2个离域电子的环状共轭体系都有强烈的环电流效应。如果氢核在该环的上、下方则受到强烈的屏蔽作用，这样的氢在高场方向出峰，甚至其值可小于零。在该环侧面的氢核则受到强烈的去屏蔽作用，这样的氢在低场方向出峰，其值较大。,00:22:46,总结：,价电子产生诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,00:22:46,价电子产生诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,00:22:46,苯环上的6个电子产生较强的诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,00:22:46,3.氢键效应,形成氢键后1H核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应。使共振吸收移向低场。,00:22:46,分子内氢键同样可以影响质子的共振吸收,-二酮的烯醇式可以形成分子内氢键 该羟基质子的化学位移为1116,00:22:46,4.空间效应,00:22:46,空间效应,Ha=3.92ppmHb=3.55ppm Hc=0.88ppm,Ha=4.68ppmHb=2.40ppm Hc=1.10ppm,去屏蔽效应,00:22:46,介质的影响 不同溶剂，使样品分子所受的磁感强度不同；不同溶剂分子对溶质分子有不同的作用，因此介质影响值。值得指出的是，当用氘代氯仿作溶剂时，有时加入少量氘代苯，利用苯的磁各向异性，可使原来相互重叠的峰组分开。这是一项有用的实验技术.,00:22:46,4.各类有机化合物的化学位移,饱和烃,-CH3: CH3=0.791.10ppm -CH2: CH2 =0.981.54ppm -CH: CH= CH3 +(0.5 0.6)ppm,H=3.24.0ppm H=2.23.2ppm H=1.8ppm H=2.1ppm H=23ppm,00:22:46,各类有机化合物的化学位移,烯烃,端烯质子：H=4.85.0ppm,内烯质子：H=5.15.7ppm,与烯基，芳基共轭：H=47ppm,芳香烃,芳烃质子：H=6.58.0ppm,供电子基团取代-OR，-NR2 时：H=6.57.0ppm,吸电子基团取代-COCH3，-CN，-NO2 时：H=7.28.0ppm,00:22:46,各类有机化合物的化学位移,-COOH：H=1013ppm,-OH： （醇）H=1.06.0ppm （酚）H=412ppm,-NH2：（脂肪）H=0.43.5ppm （芳香）H=2.94.8ppm （酰胺）H=9.010.2ppm,-CHO：H=910ppm,00:22:46,常见结构单元化学位移范围,00:22:46,一、自旋偶合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting 二、峰裂分数与峰面积 number of pear splitting and pear areas 三、磁等同与磁不等同 magnetically equivalent and nonequivalent,第三节 自旋偶合与自旋裂分,spin coupling and spin splitting,00:22:46,一、自旋偶合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting,每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。,原因：CH2和CH3上的质子相互干扰所引起的（自旋耦合）,00:22:46,峰的裂分,峰的裂分原因:自旋偶合 相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）； 多重峰的峰间距：偶合常数（ nJA-B ），用来衡量偶合作用的大小。A,B 为彼此耦合的核 n 为 A,B 核之间相隔化学键的数目,00:22:46,如： 3JH-H=8.0Hz 表示两个相隔三根化学键质子间的耦合常数为 8.0 赫兹。,耦合常数 J 只与化学键性质有关而与外加磁场无关。 它是 NMR 谱图分析的参数之一。,举例说明： 以碘乙烷来看，,甲基中的Hd: 受到外磁场作用 受到相邻碳原子上的Hc的影响 对于Hd来说，相邻碳原子上有两个Hc，也就是在Hd的近旁存在两个小磁铁，通过成键的价电子的传递，就必然要对Hd产生影响，使Hd受到的磁感应强度发生改变。,Hc的影响： 由于质子的自旋有两种取向，两个Hc的自旋就可能有三种不同的组合：,1、,2、,3、,假使第一种情况产生的核磁与外界磁场方向一致， 第一种情况使Hd受到的磁场力增强，于是Hd与的共振信号将出现在比原来稍低的磁场强度处； 第二种使Hd受到的磁场力减弱，于是Hd与的共振信号将出现在比原来稍高的磁场强度处； 第三种情况对于Hd的不产生影响，共振峰仍在原处出现。由于Hc的影响， Hd的共振峰将一分为三，形成三重峰。 由于第三种组合出现的 概率二倍于第一和第二种，于是中的共振峰间的强度也二倍于一和二。强度比为1:2:1,或,同理，乙基中Hc的受到甲基中Hd的共振，三个Hd的自旋取向有八种，但这八种只有四种组合影响的，故Hd三个质子使得Hc共振峰裂分为四重峰，各个峰的强度比为1:3:3:1,00:22:46,二、偶合作用的一般规律,偶合裂分峰数目应用n+1规则。 一组相同的磁性核所具有裂分峰的数目，是由邻近磁核的数目n来决定的，即裂分数目=2nI+1，对于质子而言，I=1/2，故裂分数目等于n+1。,如果某组核既与n个磁等价的核偶合，又与m个磁等价的核偶合，则裂分数目为（n+1)(m+1);若有着相同的偶合常数，这时谱线