_年全省质监工作会议报告主要工作.ppt

第9章核磁共振波谱法 NuclearMagneticResonanceSpectroscopy NMR 9 1NMR简介9 2NMR基本原理一 原子核能级的分裂及其描述二 能级分布与弛豫过程三 化学位移与自旋 自旋分裂9 3NMR仪器及组成一 仪器分类二 仪器组成 广州网站建设 2 发展历史1924年 Pauli预言了NMR的基本理论 即 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 并于同年制作了第一台高分辨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 1970年 Fourier pilsed NMR开始市场化 早期多使用的是连续波NMR仪器 9 1NMR基本原理一 原子核能级的分裂及其描述1 原子核之量子力学模型带电原子核自旋自旋磁场磁矩 沿自旋轴方向 磁矩 的大小与磁场方向的角动量P有关 为磁旋比 每种核有其固定 值 如 H核为2 68 108T 1s 1 其中 其中h为Planck常数 6 624 10 27erg sec m为磁量子数 其大小由自旋量子数I决定 m共有2I 1个取值 即角动量P有2I 1个状态 或者说有2I 1个核磁矩 必须注意 在无外加磁场时 核能级是简并的 各状态的能量相同 对氢核来说 I 1 2 其m值只能有2 1 2 1 2个取向 1 2和 1 2 也即表示H核在磁场中 自旋轴只有两种取向 与外加磁场方向相同 m 1 2 磁能级较低与外加磁场方向相反 m 1 2 磁能级较高 两个能级的能量分别为 两式相减 又因为 所以 即 B0的单位为特斯拉 T Kgs 2A 1 1T 104Gauss也就是说 当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收 2 原子核之经典力学模型当带正电荷的 且具有自旋量子数的核会产生磁场 该自旋磁场与外加磁场相互作用 将会产生回旋 称为进动 Procession 进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用Larmor方程表示 此式与量子力学模型导出的式子完全相同 0称为进动频率 在磁场中的进动核有两个相反方向的取向 可通过吸收或发射能量而发生翻转 可见 无论从何种模型看 核在磁场中都将发生分裂 可以吸收一定频率的辐射而发生能级跃迁 3 几点说明a 并非所有的核都有自旋 或者说 并非所有的核会在外加磁场中发生能级分裂 当核的质子数Z和中子数N均为偶数时 I 0或P 0 该原子核将没有自旋现象发生 如12C 16O 32S等核没有自旋 b 当Z和N均为奇数时 I 整数 P 0 该类核有自旋 但NMR复杂 通常不用于NMR分析 如2H 14N等c 当Z和N互为奇偶时 I 半整数 P 0 可以用于NMR分析 如1H 13C 二 能级分布与弛豫过程 RelaxationProcess 1 核能级分布在一定温度且无外加射频辐射条件下 原子核处在高 低能级的数目达到热力学平衡 原子核在两种能级上的分布应满足Boltzmann分布 通过计算 在常温下 1H处于B0为2 3488T的磁场中 位于高 低能级上的1H核数目之比为0 999984 即 处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出16 1 000 000 当低能级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 但随实验进行 只占微弱多数的低能级核越来越少 最后高 低能级上的核数目相等 饱和 从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同 体系净吸收为0 共振信号消失 幸运的是 上述 饱和 情况并未发生 例2 许多现代NMR仪器所使用的磁场强度为4 69T 请问在此磁场中 氢核可吸收多大频率的辐射 例1 计算在25oC时 样品在4 69T磁场中 其处于高 低磁能级原子核的相对个数 2 弛豫何为弛豫 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 式中 为谱线宽度 它与弛豫时间 t成反比 可见 弛豫决定于处于高能级核寿命 弛豫时间长 核磁共振信号窄 反之 谱线宽 弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫 在相同状态样品中 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0 5 50s之间 两种弛豫过程中 时间短者控制弛豫过程 对于固体样品 1大而 2小 此时弛豫由时间短的控制 因此谱线很宽 因为液体和气体样品的 1和 2均为1秒左右 能给出尖锐的谱峰 因此 在NMR分析中 需将样品配制成液体 思考 在NMR测量时 要消除氧杂质 为什么 因为O为顺磁性物质 其波动磁场会使 1减小 使谱峰变宽 b 在NMR测量时 要求将样品高速旋转 为什么 2 化学位移产生原因及其表示方法产生原因 分子中的原子核处在核外电子氛围中 电子在外加磁场B0的的作用下产生次级磁场 该原子核受到了屏蔽 B为核实际受到的磁场 由电子云密度决定的屏蔽常数 与化学结构密切相关 表示方法 由于不同核化学位移相差不大 有时会发生共振吸收频率漂移 因此 实际工作中 化学位移不能直接精确测定 一般以相对值表示 具体做法 于待测物中加一标准物质 如TMS 分别测定待测物和标准物的吸收频率 x和 s 以下式来表示化学位移 无量纲 对于给定的质子峰 其值与射频辐射无关 在NMR中 通常以四甲基硅烷 TMS 作标准物 因为 a 由于四个甲基中12个H核所处的化学环境完全相同 因此在核磁共振图上只出现一个尖锐的吸收峰 b 屏蔽常数 较大 因而其吸收峰远离待研究的峰的高磁场 低频 区 c TMS 化学惰性 溶于有机物 易被挥发除去 此外 也可根据情况选择其它标准物 含水介质 三甲基丙烷磺酸钠 高温环境 六甲基二硅醚 3 影响化学位移的因素从前式可知 凡是影响屏蔽常数 电子云密度 的因素均可影响化学位移 即影响NMR吸收峰的位置 1 诱导效应 Induction 分子与高电负性基团相连 分子电子云密度下降 去屏蔽 下降 产生共振所需磁场强度小 吸收峰向低场移动 2 共轭效应 Conjugated 使电子云密度平均化 可使吸收峰向高场或低场移动 与C2H4比 a 图 氧孤对电子与C2H4双键形成p 共轭 CH2上质子电子云密度增加 移向高场 b 图 羰基双键与C2H4 共轭 CH2上质子电子云密度降低 移向低场 3 磁各向异性效应 置于外加磁场中的分子产生的感应磁场 次级磁场 使分子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区 导致不同区域内的质子移向高场和低场 该效应通过空间感应磁场起作用 涉及范围大 所以又称远程屏蔽 图1 C2H4中 电子云分布于 键所在平面上下方 感应磁场将空间分成屏蔽区 和去屏蔽区 由于质子位于去屏蔽区 与C2H6 0 85 相比移向低场 5 28 图2 C2H2中三键 电子云分布围绕C C键呈对称圆筒状分布 质子处于屏蔽区 其共振信号位于高场 1 8 图3 苯分子与C2H4的情况相同 即苯的质子移向低场 7 27 对于其它苯系物 若质子处于苯环屏蔽区 则移向高场 醛基质子处于去屏蔽区 且受O电负性影响 故移向更低场 7 27 4 氢键效应 使电子云密度平均化 使OH或SH中质子移向低场 如分子间形成氢键 其化学位移与溶剂特性及其浓度有关 如分子内形成氢键则与溶剂浓度无关 只与分子本身结构有关 溶剂选择原则 稀溶液 不能与溶质有强烈相互作用 5 自旋耦合与自旋分裂现象 CH3CH2OH中有三个不同类型的质子 因此有三个不同位置的吸收峰 然而 在高分辨NMR中 CH2和CH2中的质子出现了更多的峰 这表明它们发生了分裂 如右图 质子与质子之间的关系化学等价核 同一分子中化学位移相同的质子 化学等价质子具有相同的化学环境 磁等价核 如果有一组化学等价质子 当它与组外的任一磁核偶合时 其偶合常数相等 该组质子称为磁等价质子 1CH3CH2X中 CH3上的三个质子是化学等价的 也是磁等价的 2二氟乙烯中Ha和Hb是化学等价的 但因JHF 顺式 JHF 反式 所以Ha和Hb不是磁等价质子 3对 硝基氟苯中 Ha与Hb为化学等价 但不是磁等价 3Jac 5Jbc 注意 化学等价 不一定磁等价 但磁等价的一定是化学等价的 对于邻碳磁等价核之间的偶合 其偶合裂分规律如下 1 一个 组 磁等价质子与相邻碳上的n个磁等价质子偶合 将产生n 1重峰 如 CH3CH2OH 2 1 3 1 1 2 一个 组 磁等价质子与相邻碳上的两组质子 分别为m个和n个质子 偶合 如果该两组碳上的质子性质类似 则将产生m n 1重峰 如CH3CH2CH3 如果性质不类似 则将产生 m 1 n 1 重峰 如CH3CH2CH2NO2 3 裂分峰的强度比符合 a b n展开式各项系数之比 注意 n 1规律是一种近似的规律 实际分裂的峰强度比并不完全按上述规律分配 而是有一定的偏差 通常是形成的两组峰都是内侧峰高 外侧峰低 4 一组多重峰的中点 就是该质子的化学位移值 5 磁等价质子之间观察不到自旋偶合分裂 如ClCH2CH2Cl 只有单重峰 6 一组磁等价质子与另一组非磁等价质子之间不发生偶合分裂 如对硝基苯乙醚 硝基苯上的质子为非磁等价 不产生一级图谱 AB JAB大于20 且自旋偶合的核必须是磁等价的才产生所谓的一级图谱 因而产生的分裂较复杂 而苯乙基醚上的质子为磁等价 产生较简单的一级图谱 几个例子 1 ClCH2CH2CH2Cl峰数及峰面积比分别为 3 1 2 1 5 1 4 6 4 1 3 1 2 1 2 ClCH2CH2Br 两个三重峰 3 CH3CHBrCH3峰数及峰面积比分别为 2 1 1 7 1 6 15 20 15 6 1 2 1 1 4 CH3CH2CH2Br峰数及峰面积比分别为 2 1 1 12 35 CH3CH2OCH3峰数及峰面积比分别为 3 1 2 1 4 1 3 3 1 16 Cl CH2 O CH3 两个单峰 2 3思考 简单分子中各质子1HNMR峰谱图上的顺序如何判断 如CH3CH2OH CH3CH2CH2Cl等 NMR一级谱 从上述讨论可知 自旋 自旋分裂现象对结构分析非常重要 它可用于鉴别分子中的基团和排列顺序 多数NMR谱都很复杂 需通过复杂计算才能解析 但当满足以下条件或称NMR谱为 一级谱 时 则可通过上述所讨论的分裂现象直接解析 1 两组偶合的核之间的化学位移 远大于它们之间的偶合常数J 即 J 6 如 CH3CH2OH中 CH3和 CH2间的化学位移差为140Hz 而J 7Hz 因此该分子的NMR谱为一级谱 2 一组的各质子与另一组所有质子的偶合常数必须相等 9 2NMR仪器一 分类 按磁场来源 永久磁铁 电磁铁 超导磁铁按照射频率 60MHz 90MHz 200MHz 按扫描方式 连续波NMR仪 CW NMR 和脉冲傅立叶变换NMR仪 PFT NMR 二 仪器组成 如图 1 磁铁 产生一个恒定的 均匀的磁场 磁场强度增加 灵敏度增加 永久磁铁 提供0 7046T 30MHz 或1 4092T 60MHz 的场强 特点是稳定 耗电少 不需冷却 但对室温的变化敏感 因此必须将其置于恒温槽内 再置于金属箱内进行磁屏蔽 恒温槽不能断电 否则要将温度升到规定指标要2 3天 电磁铁 提供2 3T的场强 由软磁铁外绕上激磁线圈做成 通电产生磁场 它对外界温度不敏感 达到稳定状态快 但耗电量大 需要水冷 日常维护难 超导磁铁 提供5 8T的场强 最高可达12T 由金属 如Nb Ta合金 丝在低温下 液氮 的超导特性而形成的 在极低温度下 导线电阻挖为零 通电闭合后 电流可循环不止 产生强磁场 特点是场强大 稳定性好 但仪器价格昂贵 日常维护费用极高 磁场漂移应在10 9 10 10之间 可通过场频锁定方式克服 2 探头 由样品管 扫描线圈和接收线圈组成 样品管要在磁场中以几十Hz的速率旋转 使磁场的不均匀平均化 扫描线圈与接收线圈垂直放置 以防相互干扰 在CW NMR中 扫描线圈提供10 5T的磁场变化来进行磁场扫描 3 射频源 类似于激发源 为提高分辨率 频率波动应小于10 8 输出功率 小于1W 波动应小于1 4 信号检测及信号处理 CW NMR 扫场法 固定照射频率 改变磁场强度 扫频法 固定磁场强度 改变照射频率 记录吸收分量与场强或频率的关系 即核磁共振波 扫描速度不能太快 通常全扫描时间为200 300s 若扫描太快 共振来不及弛豫 信号将严重失真 畸变 灵敏度低 所需样品量大 对一些难以得到的样品 无法进行NMR分析 PFT NMR 以等距脉冲调制的RF信号作多道发射机 以快速傅立叶变换作多道接收机 它在一个脉冲中给出所有的激发频率 如果此脉冲满足NMR条件 则在脉冲之后 于接收线圈上能感应出该样品所有的