核磁共振波谱仪.ppt

王海南14060220142161 仪器分析 第5章核磁共振波谱法 NMR NuclearMagneticResonanceSpectroscopy 一 概论 1 1什么是核磁共振 核磁共振是一种物质与低频电磁波 通常为1000MHz的无线电波相互作用的基本物理现象 1939年拉比 I Rabi 通过试验高温蒸发后的物质观测到了了核磁共振现象 但是这种高温蒸发过程破坏了凝聚物质的宏观结构 因而在实际应用中受到了很大的限制 尽管如此拉比还是因为这一发现获得了1944年的诺贝尔物理学奖 1945年底 美国哈佛大学珀赛尔 E M Purcell 在石蜡样品中观测到稳态的核磁共振信号 几乎在同一时间 1946年初 斯坦福大学布洛赫 F Block 在水中观测到了稳态的核磁共振现象 两人因为这一发现而分享了1952年诺贝尔物理学奖 从此 核磁共振技术彻底实现了在不破坏物质结构的前提下迅速 准确地了解物质内部结构的测量目标 为工农业生产 地质勘探 生物科技 医疗保健等领域的发展提供了有力的手段 核磁共振试验的成功在近代物理学史上也占有极其重要的一席 它直接论证了核子自旋的存在 并且验证了量子力学的一些基本原理 核磁共振实验还为激光技术的产生和发展奠定了坚实的理论和实验基础 因为该实验首次实现了能级反转 经过过去半个多世纪的深入研究 核磁共振已经发展成为一门具有坚实理论基础的综合性学科 并且被广泛应用于工业 农业 化工 生物科技和医疗等诸多领域 1 2核磁共振原理 核磁共振是能够深入到物质内部而不破坏被测量对象的一种分析物质构造的现代技术 它通过利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于原子核的信息 具有迅速 准确 分辨率高等优点 大家都很清楚 组成物质的原子是由原子核和核外电子构成的 核外电子的分布规律是严格遵守泡利不相容原理的 即在同一个原子中间不可能稳定存在两个量子数完全相同的电子 占据同一条轨道的两个电子它们的自旋必然相反 否则这一对占据同一轨道的电子是无法稳定存在的 电子的自旋使得电子具有自旋角动量和磁矩 与核外电子相同的是 居于原子中央的原子核也具有自旋角动量和磁矩 这些自旋角动量和磁矩是由组成原子核的质子和中子的自旋叠加所引起的 二十世纪初期 原子物理学家发现原子光谱具有超精细的结构 这些超精细结构利用当时现成的有关原子结构的理论无法给出合理解释 泡利为了解释这些新出现的现象 提出了原子核应该具有自旋角动量和磁矩的假设 这些假设在随后的实验过程中得到了不断的证实 从此原子光谱的超精细结构得到了合理的解释 长期的实验结果显示 自然界中有105种同位素的核具有不为零的角动量和磁矩 产生核磁共振是因为原子核具有自旋和磁矩 放入磁场中会产生能级分裂 原子核的磁矩不为零 原子核是带正电的粒子 若有自旋现象即产生核磁矩 大多数原子核好像陀螺一样围绕着某一轴自身做旋转运动 简称自旋运动 自旋量子数为0的原子核没有自旋现象 故无核磁矩 它们不产生共振吸收谱 不能用核磁共振进行研究 1 3核磁共振波谱仪介绍 1 核磁共振波谱仪原理 NMR是指在静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波的作用时 在它们的磁极之间发生的共振跃迁现象 核磁共振谱仪正是用来检测固定能级状态之间电磁跃迁的设备 原子核进动频率与外加磁场的关系是 W0 0 2 v0 磁旋比 是原子核所特有特征 1964年 1971年 1979 1991年 1953年 世界上第一台NMR谱仪由美国瓦里安公司研制成功 B 0 7T V 30MHz 日本 JEOL 公司生产出世界上第一台脉冲傅里叶变换NMR谱仪 B 2 35T V 100MHz 德国布鲁克公司推出全数字化NMR谱仪 美国瓦里安公司研制出世界第一台超导NMR谱仪 B 4 7T V 200MHz 德国布鲁克公司分别率先推出500 600 750MHz超导谱仪 瓦里安公司推出了数字化 智能化程度更高的VarianNMRSystem 布鲁克公司推出了具有第二代数字接收机的AVANCE 新系列 2009年 2005年 布鲁克公司推出AVANCE 系列 频率突破1GHz 2005年 2 核磁共振谱仪发展历程 2 3 谱仪分类及基本组件 永磁 电磁 超导磁体谱仪 连续 分时 脉冲谱仪 高分辨液体 固体 微成像谱仪 现在 一般按照NMR波谱仪试验中射频场的施加方式 分为两大类 连续波NMR谱仪 CW NMR 脉冲NMR谱仪 PFT NMR 脉冲傅里叶变换波谱仪由于快速 灵敏等优点 成为当代主要NMR谱仪 超导磁体 铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈 开始时 大电流一次性励磁后 闭合线圈 产生稳定的磁场 长年保持不变 温度升高 失超 重新励磁 在低温4K 处于超导状态 磁场强度 100kG超导核磁共振波谱仪 200 400HMz 可高达600 900HMz 3 谱仪基本组件 磁体 产生静磁场 核自旋体系发生能级分裂 射频源 激发核磁能级之间的跃迁 接收机 接受微弱的NMR信号 放大变成电信号 匀场线圈 调整静磁场的均匀性 提高谱仪的分辨率 计算机系统 控制谱仪 并进行数据显示和处理 核磁共振波谱仪基本组成 探头 NMR信号检测器 是谱仪的核心部件 4 连续波NMR谱仪 原理 把射频场连续不断的施加到试样上 发射的是单一频率 得到一条共振谱线 可通过扫场和扫频两种方式实现 扫场 V不变 改变B 扫频 B不变 改变V 实验室多用扫场法 特点 时间长 通常全扫描时间为200 300秒 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 5 脉冲傅里叶变换NMR谱仪 特点 灵敏度高 是100倍 测量速度快 一般1H NMR测量累加10 20次 需时60s左右样品量少 原理 恒定磁场 使用一个强而短的射频脉冲照射样品 感应电流信号经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图 环己烯的13C谱 7 分辨率 稳定性 灵敏度 表征波谱仪辨别两个相邻共振信号的能力 以最小频率间隔Iv1 v2I表示 频率稳定性 通过连续记录相隔一定时间的两次扫描 测量其误差 分辨率稳定性 通过观察峰宽随时间变化的速率来测量的 灵敏度表征了波谱仪检测弱信号的能力 他取决于电路中随机噪声的涨落 一般定义为信号对噪声之比 即信噪比 波谱仪的三大技术指标 优化 提高磁场本身空间分布的均匀性 用旋转式样方法平均磁场分布均匀 优化 提高磁感应强度 应用双共振技术 信号累加等可以提高灵敏度 8 6 核磁分析的一般步骤 应用最广泛的探头正向 反向宽带 BB 包括19F1H 19F去耦全自动调谐高灵敏度 SmartProbe常温探头 超低温探头系统T 20K CryoprobeProdigy探头 宽频探头 31P 15N 正向 反向全自动调谐理想的中低场探头使用液氮制冷成本低 体积小 探头 Fourier300NMR谱仪 为化学教育和化学分析的所有普通应用提供经济型NMR 具有结构紧凑 体积小 重量轻 分辨率优 成本低等特点 13 AdvanceIIIHDNanoBay AdvanceTIIIHDNanoBay equippedwithCryoProbeProdigyandautosamplerSampleXpres 是迄今为止集成程度最高的先进NMR光谱仪 高效率 高品质 适用于各种常规和研究应用领域 技术细节 易于安放 适合放入小型分析实验室包含Ascend 磁技术自动取样系统等直观的常规用户界面TopSpin 15 最新软件TopSpinTM 集测试 数据处理及结构模拟等功能 二 核磁共振理论基础 2 1磁性核和非磁性核 核磁矩 原子核带正电 当其绕轴旋转时产生电流 周围形成磁场 使得原子核存在磁距 磁距 与自旋角动量P成正比 比例常数为 P 称为磁旋比 是原子核的重要属性 当原子核自旋量子数为非零时 它具有自旋角动量P 自旋角动量P是量子化的 可用自旋量子数I表示 I为整数 半整数或零 h为普朗克常数 I 0的核为磁性核 可以产生NMR信号 I 0的核为非磁性核 无NMR信号 经验规律 1 原子核的总核自旋角动量P为零 此类核无NMR信号 如4He 12C 16O 质子数与中子数相等 2 自旋角动量P不为零 称为磁性核 I 0 I 1 2的原子核 其电荷均匀分布于原子核表面 这样的原子核不具有四极矩 其核磁共振的谱线窄 最宜于核磁共振检测 原子核组成 质子数p与中子数n 与自旋量子数I的经验规则 p与n同为偶数 I 0 如12C 16O 32S等 p n 奇数 I 半整数 1 2 3 2等 如1H 13C 15N 17O 31P等 p与n同为奇数 I 整数 如2H 6Li等 自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系 2 2原子核的磁能级 核自旋角动量与核磁矩都是矢量 角动量的方向遵循右手螺旋定则 因为核电荷和质量同时作自旋运动 因此核磁矩与角动量矢量是平行的 如果将原子核置于磁场中 由于核磁矩与磁场相互作用 核磁矩相对磁场会有不同的取向 根据量子力学原理 核磁矩相对磁场只能有2I 1个取向 同样 核磁矩在外磁场方向上的分量 H只能取对应的一定数值 H mh 2 m为核自旋量子数 例如 对I 1 2的氢核 核磁矩 N也有两种取向 其在外磁场的分量分别为 H 1 2 h 2 及 H 1 2 h 2 根据电磁理论 在强度为H0的磁场中 放入一个磁矩为 的小磁铁 则他们的互相作用能用式为 E NH0 NH0cos 或E m h 2 H0 当 0时 E NH0 负号表示体系的能量最低 即核磁矩与磁场同向 反之 当 180 时 E NH0 体系的能量最高 即核磁矩与磁场方向相反 当核磁矩与磁场方向垂直时 位能等于零 当处于一定角度时 则其位能用式计算可得 E HH0 式中 H是核磁矩 N在磁场方向上的分量 当无外磁场存在时 核磁矩具有相同的能量 当核磁矩处于磁场中时 由于核磁矩的取向不同而具有不同的能量 也就是说 核磁矩在磁场的作用下 将原来简并的2I 1个能级分裂开来 这些能级通常叫塞曼能级 2 3核磁共振的产生 静磁场中 磁性核存在不同能级 用一特定频率的电磁波 能量等于 E 照射样品 核会吸收电磁波进行能级间的跃迁 此即核磁共振 E h h 2 H0 2 HH0 H0 2 2 HH0 h 核磁共振的基本方程式 量子力学观点 经典力学观点感兴趣的同学自行了解 2 4核磁共振的频率 磁距 与磁场B0的相互作用能E为E B0 PB0原子核间进行能级跃迁的能量为 选律 m 1 B0 2 自旋量子数为1 2的核核磁矩与能级的关系 a 地球重力场中陀螺的进动 b 磁场中磁性核的进动 核的进动圆频率 2 B0 不同核的NMR B0 2 35T 特士拉 25MHz时 13C共振 分别为100MHz 94MHz 40 5MHz时 可分别观测1H 19F 31P核的吸收 磁性核的共振频率与外加磁场成比例 B0 2 5核磁共振波谱与分子结构 高分辨NMR主要是研究通知磁性核在外磁场作用下产生的微小变化 这些变化来源于核的磁屏蔽 它起因于分子中电子环形运动所产生的次级磁场 而在高分辨NMR实验中所得到的共振信号大多又是裂分谱线 造成裂分谱线分的原因是磁性核之间的自旋 自选相互作用 化学位移和偶合常数是核磁共振波谱中反映化合物结构的两个重要参数 2 5 1化学位移 一化学位移 2020 3 16 33 可编辑 2 5 2化学位移定义 因质子在分子中所处的化学环境不同而需要在不同的磁场强度下发生共振的现象叫做化学位移 质子周围基团性质不同 使它的共振频率不同 2 5 3化学位移的产生 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 则有效磁场强度式为H 1 H0 屏蔽常数 越大 屏蔽效应越大 则共振频率为 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 核外电子云密度高 屏蔽作用大 值大 核的共振吸收向高场 或低频 移动 化学位移减小 核外电子云密度低 屏蔽作用小 值小 核的共振吸收向低场 或高频 移动 化学位移增大 为了统一标定化学位移的数据 消除外磁场或频率的因素 故化学位移采用的是相对值 规定 以四甲基硅 TMS 为标准物质 其化学位移为零 根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定化学位移值 2 5 4化学位移的表示方法 为什么用TMS作为基准 a 12个氢处于完全相同的化学环境 只产生一个尖峰 即只有一个化学位移 b 屏蔽强烈 位移最大 与有机化合物中的质子峰不重迭 c 化学惰性 易溶于有机溶剂 沸点低 易回收 2 5 5化学位移的影响因素 化学位移的影响因素 电负性 1 电负性较大的元素 能降低氢核周围电子云密度 即减小了对氢核的屏蔽 增大了化学为移植 而电负性小的元素则增加屏蔽 降低了化学位移值 2 电负性较大的元素的原子数目增多 化学位移增大 3 当电负性较大的元素与质子的距离增大时 化学位移减少 化学位移的影响因素 磁各向异性 各向异性效应 氢核与某功能基因空间位置不同 受到屏蔽作用不同 导致其化学位移不同 原因 在外磁场的作用下 由电子构成的化学键会产生一个各向异性的附加磁场 使得某些位置的核受到屏蔽 而另一些位置上的核则为去屏蔽 化学位移的影响因素 磁各向异性 化学键的各向异性 导致与其相连的氢核的化学位移不同 例如 CH3CH3CH2 CH2HC CH ppm 0 865 251 80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 乙烯 质子位于去屏蔽区 移向低场 5 28乙烷 单键电子云各向异性效应弱 0 85 苯 质子位于去屏蔽区 移向低场 7 27醛基质子位于去屏蔽区 并受氧原子电负性影响 共振信号出现在更低场 9 7 炔键 电子云围绕C C键轴呈对称圆筒状分布 在外磁场作用下 环形 电子迫使键轴顺外磁场排列 质子处在屏蔽区 移向高场 1 80 化学位移的影响因素 范徳华效应 当取代基非常接近共振核而进入其范德华力半径区时 取代原子将对质子外围的电子产生排斥作用 从而使核周围的电子云密度减少 质子的屏蔽效应显著下降 信号向低场移动的效应称为范徳华效应 靠近的基团越大 该效应越明显 化学位移的影响因素 氢键效应 氢键的形成降低了核外电子云密度 有去屏蔽效应 使质子的 值显著增大 值会在很宽的范围内变化 随样品浓度的增加 缔合程度增大 分子间氢键增强 羟基氢 值增大 例 PhOH中酚羟基质子的化学位移与浓度的关系 分子间氢键 受环境影响较大 样品浓度 温度影响氢键质子的化学位移 分子内氢键 化学位移与溶液浓度无关 取决于分子本身结构 化学位移的影响因素 溶剂的影响 同一种样品使用不同溶剂 化学位移值可能不同 这种因溶剂不同而引起化学位移值改变的效应称为溶剂效应 如吡啶核苯能引起0 5的变化 对于OH SH NH2和NH等活泼氢来说 溶剂效应更为强烈 溶剂效应可以帮助推断化合物的分子结构 有机化合物中质子化学位移规律 饱和碳原子上的质子的d值 叔碳 仲碳 伯碳与H相连的碳上有电负性大的原子或吸电子基团 N O X NO2 CO等 d值变大 电负性越大 吸电子能力越强 d值越大 d值 芳氢 烯氢 烷氢 每一个质子看作一个自旋的小磁体 其自旋产生的磁场与外磁场方向一致或相反 且概率基本相等 去屏蔽作用增强 移向低场 屏蔽作用增强 移向高场 两峰之间的距离称为偶合常数J 单位Hz 一般在1 20Hz之间 2 6 1自旋 自旋裂分 偶合常数J不随外加磁场强度的变化而改变 若核磁共振图谱中的两峰之间的距离随B0改变而改变 则可判定它们是由两个化学位移不同的核给出的信号 若不随B0改变 则是由自旋 自旋偶合裂分造成的 偶合常数与分子结构的关系 同碳质子 相隔两个化学键 之间的偶合所造成的峰的裂分现象 一般观察不到 邻碳质子间的偶合是最重要的 它的偶合常数 3JHH 在结构鉴定中十分有用 3JHH的大小遵循Karplus曲线 偶合质子间的健数 C 相隔四个或四个以上 键的质子偶合 称远程偶合 远程偶合很弱 一般观察不到 若中间插入 键 或在一些具有特殊空间结构的分子中 才能观察到 两面角为0或180最大 接近90等于0 碳原子上取代基电负性越大 偶合常数越小 如CH3CH3和CH3CH2Cl分别为8 0和7 0 同一分子中化学位移相等的质子称化学全同质子 化学全同质子具有相同的化学环境 如果有一组质子是化学全同质子 当它与组外的任一磁核偶合时 其偶合常数相等 这组质子称磁全同质子 CH3CH2I 化学全同磁全同 化学全同非磁全同 3Jac不等于3Jbc 化学全同非磁全同 化学全同与磁合同 一级图谱 满足以下两个条件才能得到一级图谱 两组质子之间的化学位移之差与相应质子间的偶合常数之比应大于20 即 AB JAB 20 当20 AB JAB 6时 可以作一级图谱处理 产生自旋偶合的核必须属磁全同 两个独立的自旋偶合系统 乙氧基上的质子为磁全同 其图谱为一级图谱 苯环上的质子非磁全同 图谱复杂 自旋 自旋耦合系统命名 A B C M N