有机结构分析4-NMR基础

四、核磁共振基础,1945年Purcell（哈佛）和Bloch（斯坦福）发现核磁共振现象1951年Arnold发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系1953年Varian公司试制了第一台NMR仪,分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物异构体区分和确定大分子化学结构的分析,生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定,应用,发展,高强超导磁场的NMR仪：大大提高灵敏度和分辨率脉冲傅立叶变换NMR谱仪：使灵敏度小的原子核能被测定计算机技术和多脉冲激发：产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用英国R.R.Ernst教授：对二维谱的贡献，获1991年Nobel奖瑞士库尔特维特里希：“发明了利用NMR测定溶液中生物大分子三维结构的方法”，获2002年Nobel奖,内容,4.1核磁共振基本原理原子核的自旋与磁矩自旋核在磁场中的取向和能级核的回旋和核磁共振核的自旋弛豫4.2核磁共振基本概念4.3核磁共振实验4.3.1核磁共振仪4.3.2测定方法4.3.3核磁共振图,自旋与磁矩,自旋角动量（PN），核自旋量子数（I）I=0，1/2，1，3/2磁矩（N*），核磁矩单位（N），核磁子；磁旋比（N）,核磁共振,(a)自旋的氢核(b)右手定则(c)小磁棒,氢核自旋产生的磁场,当氢核围绕着它的自旋轴转动时就产生磁场。由于氢核带正电荷,转动时产生的磁场方向可由右手螺旋定则确定。可将旋转的核看作是一个小的磁铁棒。,原子核的自旋,质量数与电荷数均为双数，自旋量子数I=0，原子核无自旋现象，不能产生NMR信号。如12C,16O,32S,28Si,30Si质量数为单数，电荷数为奇数或偶数，I=1/2，原子核为自旋球体，可产生NMR信号。如1H,13C,15N,19F,31P质量数为单数，电荷数为奇数或偶数，I=3/2,5/2原子核为自旋椭球体，可产生NMR信号。如11B,17O,33S,35Cl,79Br,127I质量数为双数，但电荷数为单数，I为整数1,2原子核为自旋椭球体，可产生NMR信号。如2H,10B,14N,核的进动,当一个原子核的核磁矩处于磁场B0中，由于核自身的旋转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋（进动），这种运动称为Larmor进动。磁旋比：自旋角速度，外磁场B0，进动频率1H=26753，13C=6726弧度/秒高斯,自旋核在磁场中的取向和能级,具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的，可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间取向，其数值可取：m=I,I-1,I-2,-I，共有2I+1个取向对于1H：I=1/2，则有2I+1=2个取向,自旋与能级,B0,只有上下两种相对位置,Spinup“上旋”,Spindown“下旋”,相同的Larmor频率但磁场能阶不同,L,自旋之原子核的能级,自旋之原子核的能级,能量,B0,L,Boltzmann分布,在质子群中处于高低能态的核各有多少？在绝对温度0K时，全部核处于低能态在无磁场时，二种自旋取向的几率几乎相等磁场作用下，原子核自旋取向倾向取低能态，但室温时热能比原子核自旋取向能级差高几个数量级，热运动使这种倾向受破坏，当达到热平衡时，处于高低能态的核数分布服从Boltzmann分布。,Boltzmann分布,Boltzmann分布：式中：nL-低能态的核数nh-高能态的核数k-Boltzmann常数T-绝对温度T=298K，磁场强度为1.4092tesla时，高低能态的核数只差1010-7个,能量,电磁波脉冲,核,磁,共振,NMR,核磁共振的产生,核磁共振条件,核磁共振现象是由原子核的磁矩与自旋角动量这两者在外磁场中联合造成的:E=hv迴=hv射=hB0/2或v射=v迴=B0/2射频频率与磁场强度B0成正比，在进行核磁共振实验时，所用的磁场强度越高，发生核磁共振所需的射频频率也越高,核磁共振条件,各种核的共振条件不同，如在1.4092tesla的磁场中，各种核的共振频率(MHz)为：1H60.000;13C15.08619F56.444;31P24.288对于1H核，不同的频率对应的磁场强度：射频(MHz)磁场强度(tesla)400.9400601.40921002.35002004.70003007.100050011.7500,产生共振的方法：频率扫描,也称扫频，固定磁场强度，改变射频频率,产生共振的方法：磁场扫描,固定射频频率，改变磁场强度，目前多用,磁场扫描过程中的共振吸收图,4.2核磁共振基本概念,核的自旋驰豫:由激发态恢复到平衡态的过程两种类型：自旋-晶格驰豫和自旋-自旋驰豫自旋-晶格驰豫(纵向驰豫)：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。速率1/T1，T1为自旋-晶格驰豫时间自旋-自旋驰豫(横向驰豫)：自旋体系内部核与核之间能量平均及消散。体系总能量不变，速率1/T2(自旋-自旋驰豫时间)驰豫时间与谱线宽度的关系：反比饱和:当受到适当频率的射频场照射时，原子核吸收能量，由+1/2态跃迁到-1/2态，使nL减少而nh增加，吸收渐弱。当nL=nh时，吸收和辐射能量相等，不再有净吸收，高能级的核不能回到低能级，核磁共振信号消失，该体系就处于饱和状态,屏蔽效应：化学位移的根源,屏蔽效应:外旋电子在磁场作用下发生环绕运动，产生方向与外加磁场相反的感应磁场，使原子核的实受磁场降低B核=B0(1-)B核表示氢核实际所受磁场，为屏蔽常数分类：顺磁屏蔽和抗磁屏蔽,化学位移的表示,某一质子吸收峰的位置与对照吸收峰位置之间的差值称为该质子的化学位移,低场和高场,高场,低场,相同频率化学位移不同,化学位移相同频率不同,根据磁场不同,根据定义相同,低场和高场,高场,低场,自旋偶合和自旋裂分,自旋-自旋偶合与自旋-自旋裂分偶合常数,TMS,-CH3,-CH2,-OH,低分辨率仪器,自旋偶合和自旋裂分现象,自旋分裂,自旋-自旋裂分,峰的裂分,自旋核的核磁矩可以通过成键电子影响邻近磁核是引起自旋-自旋偶合的根本原因。磁性核在磁场中有不同的取向，产生不同的局部磁场，从而加强或减弱外磁场的作用，使其周围的磁核感受到两种或数种不同强度的磁场的作用，故在两个或数个不同的位置上产生共振吸收峰。这种由于自旋-自旋偶合引起谱峰裂分的现象称为自旋-自旋裂分(Spin-SpinSplitting)偶合常数(J):多重峰的峰间距，用来衡量偶合作用的大小,4.3核磁共振实验,核磁共振仪分类,按磁场源分：永久磁铁电磁铁超导磁场按交变频率分：40,60,90,100,200,500,-，800MHZ频率越高，分辨率越高按射频源和扫描方式分：连续波NMR谱仪（CW-NMR)脉冲傅立叶变换NMR谱仪(PFT-NMR),900MHz核磁,美国太平洋西北国家实验室900MHz超导磁场,核磁共振仪主要组成部件,磁体：提供均匀强磁场样品管：均匀的玻璃管射频振荡器：垂直于主磁场方向提供射频波照射样品扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供附加可变磁场，用于扫描测定射频接受器：探测NMR信号，此线圈与射频发生器、扫描发生器三者彼此互相垂直。,核磁共振仪核心部件,吸收法：比较简单，样品不易饱和，但振荡频率的稳定性较差，噪音电平较高。只用于宽谱的波谱仪与测场仪,感应法：优点是工作稳定度高，噪音低，但漏电流相位不易调整。商业波谱仪常用,平衡法：优点是频率稳定好，噪音低，缺点是频率调谐范围不够宽。常用于灵敏度和分辨力高的波谱仪,检测共振信号的方法,恩斯特R.R.Ernst(1933-)瑞士物理化学家,脉冲傅利叶变换核磁共振谱,主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括：一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱二.二维核磁共振谱三.核磁共振成像,傅里叶(Fourier)变换,f(t)=cos(4t)+cos(9t),ResultingFT,傅里叶(Fourier)变换,时域信号F变换频域信号频域谱S（t1,t2,）S(1,2,),PFT-NMR谱仪,PFT-NMR谱仪：信号观测系统，增加了脉冲程序器和数据采集、处理系统。各种核同时激发，发生共振，同时接受信号，得到宏观磁化强度的自由衰减信号(FID信号)，通过计算机进行模数转换和FT变换运算，使FID时间函数变成频率函数，再经数模变换后，显示或记录下来，即得到通常的NMR谱图。PFT-NMR谱仪特点：有很强的累加信号的能力，信噪比高(600:1)，灵敏度高，分辨率好(0.45Hz)。可用于测定1H,13C,15N,19F,31P等核的一维和二维谱,可用于少量样品的测定。,PFT-NMR谱仪与CW谱仪主要区别,ContinuousWave(CW)NMR,FourierTransformedNMR,PFT-NMR谱仪与CW谱仪主要区别,交变频率与分辨率的关系,样品：纯度高，固体样品和粘度大的液体样品必须溶解标准：四甲基硅烷(CH3)4Si，TMS优点：信号简单，且在高场，其他信号在低场，值为正