仪器分析-杨屹-核磁共振波谱法

1,核磁共振波谱法,NMR,2,核磁共振波谱法,NMR概述基本原理谱图解析与应用NMR仪器,3,核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging)，是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance，简称NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。,NMR概述,4,核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。,人脑纵切面的核磁共振成像,NMR概述,5,历史,1946年-Bloch(StanfordU.)zh-cn:保罗劳特布尔-（PaulC.Lauterbur）和英国物理学家彼得曼斯菲尔德（PeterMansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。,NMR概述,14,自旋核在磁场中的行为,化学位移及影响因素,自旋偶合及自旋裂分,NMR原理,15,核的自旋核磁共振弛豫过程,原理自旋核在磁场中的行为,16,一、原子核的自旋,核的自旋,自旋角动量：,I：自旋量子数h：普朗克常数,质量数原子序数自旋量子数I偶数偶数0偶数奇数1，2，3.奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2.,17,二、原子核的磁矩,核的自旋,核磁矩（核磁子）：,=P,磁旋比,18,1I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）等无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。,2I=1或I的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=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。,核的自旋,19,核的自旋,31/2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。,20,无外磁场时核自旋取向任意,有外磁场时核自旋取向数I+1,磁量子数m=I,I-1,-I，对应能级,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,核磁共振能级分裂,21,原子核在磁场中的势能,E=-hmH0/2,1/2,E1/2=-hH0/4,-1/2,E-1/2=hH0/4,E=hH0/2,核磁共振-能级分裂,22,核磁共振能级分裂,23,核磁共振共振条件,电磁辐射能h,核磁能级差E=hH0/2,核磁共振条件=H0/2,24,（1）对于同一种核，磁旋比为定值，H0变，射频频率变。,（2）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。,（3）固定H0,改变（扫频),不同原子核在不同频率处发生共振;也可固定,改变H0（扫场)。扫场方式应用较多,共振条件=H0/2,25,核磁共振共振条件,氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz,磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特斯拉）,26,弛豫过程Boltzmann分布,根据Boltzmann分布，在磁场中不同能级的核数分布：,常温下1H核N+/N-=1000000/1000007,27,弛豫过程,高能态原子核通过非辐射形式放出能量而回到低能态。,自旋晶格弛豫或纵向弛豫自旋自旋弛豫或横向驰豫,28,原理化学位移,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，使氢核实际受到的外磁场作用减小：H=（1-）H00=/(2)（1-）H0,29,在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。,化学位移,30,：屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。,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。,化学位移,31,1位移的标准没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。,相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（内标）位移常数TMS=0,化学位移的标准,32,2为什么用TMS作为基准?,(1)12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；,（2）屏蔽强烈，位移最大；,（3）化学惰性，易溶于有机溶剂，沸点低，易回收。,化学位移的标准,33,=（样-TMS)/TMS106(ppm),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,化学位移的表示,常见结构单元化学位移范围,35,影响化学位移的因素,（1）诱导效应（2）共轭效应（3）磁各相异性效应（4）范得华效应（5）氢键去屏蔽效应,改变电子云密度,36,（1）诱导效应,吸电子作用强，电子云密度降低，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。,37,CH3，=1.62.0；-CH2I，=3.03.5,（1）诱导效应,38,间隔键数增多，诱导效应减弱,CH3Br(2.68ppm),CH3CH2Br(1.65ppm),CH3CH2CH2Br(1.04ppm),（1）诱导效应,39,（2）共轭效应,与诱导效应一样，共轭效应亦会使电子密度变化。,40,(3)磁各向异性效应,（炔氢）,（烯氢）,实际值：,（炔氢）=1.83.0,（烯氢）=4.57.5,（炔氢）J邻（顺）,偶合常数-J,58,3.远程偶合常数1)芳香质子偶合常数J邻=610Hz,J间=13Hz,J间=0.21.5Hz;2)烯丙基型偶合长常数(H-C=C-C-H)偶合常数为负值，在0-3Hz之间。,偶合常数-J,59,核的化学等价和磁等价性,化学等价核：化学位移相同的一组核叫化学等价核。,磁等价：分子中有一组化学位移相同的核，他们对组外任何一个核的偶合相等值表现出一种耦合常数，则这组核称为磁等价的核。,磁等价的核一定为化学等价的，但化学等价的核不一定磁等价。,60,化学不等价核,凡符合下列情况之一的，均为化学不等价核：,1）化学环境不同的核；2）固定环上的CH2的两个氢；3)与不对称碳相连的CH2的两个氢；4）单键带有双键时，会产生磁不等价核；5）单键不能自由旋转时会产生化学不等价核。,61,核磁共振氢谱谱图分分为一级谱和高级谱。一级谱的特征：自旋裂分峰的数目为2nI+1,I为核的自旋量子数，n为相邻基团上发生偶合的磁全同核的数目。,自旋体系的分类,对于氢核则裂分峰的数目为n+1,称为n+1规律。,62,n+1规律,（1）当某基团上的氢有n个相邻氢时，它将裂分为n+1个峰。若这些相邻氢核处于不同的化学环境中，如一种环境为n个，另一种为n个，将裂分为（n+1)(n+1)个峰;（2）自旋裂分峰的强度比基本上为二项式各项系数之比.（3）一组多重峰的中心即为化学位移，各重峰间的距离即为偶合常数。,63,n+1规律,（4）磁全同核之间没有自旋裂分现象，其吸收峰为单一峰，如：CH3-CH3，Cl-CH2-CH2-Cl,CH3-O-等.,峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例,64,n+1规律-活泼氢,活泼氢的峰形与活泼氢之间交换速度有密切关系。如果交换速度快，即活泼氢在O原子上停留时间比1/1000秒短很多，它就不能感觉到邻近质子两种自旋态的不同影响，而是处于一种平均环境之中。邻近质子不对活泼氢峰形产生裂分，故显示单峰。如羟基、亚氨基等。邻近质子也只能处于活泼氢的两自旋态平均环境之中，故活泼氢也不对邻近质子产生峰的裂分。,如：,65,谱图解析与应用,核磁共振谱图能够提供的化合物结构信息：（1）峰的数目：多少种（2）峰的强度(面积)：多少个（3）峰的位移()：每类质子所处的化学环境（4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数（5）偶合常数(J)：确定化合物构型,66,谱图解析的步骤,检查谱图是否规则：四甲基硅烷的信号应在零点，基线平直，积分曲线在没有信号的地方也应平直。(2)从积分曲线，算出各组信号的相对面积，再参考分子式中氢原子数目，来决定各组峰代表的质子数目。也可用可靠的甲基信号或孤立的次甲基信号为标准计算各组峰代表的质子数。,67,(3)从各组峰的化学位移，偶合常数及峰型，根据它们与化学结构的关系，推出可能的结构单元。可先解析一些特征的强峰、单峰，如CH3O，CH3N，CH3-C=C等，识别低场的信号，醛机、羧基、烯醇、磺酸基质子均在916ppm之间，再考虑其它偶合峰，推导集团的相互关系。(4)识别谱图中的一级裂分谱，读出J值，验证J值是否合理。,谱图解析的步骤,68,(5)结合元素分析、红外光谱、紫外光谱、质谱、13C核磁共振谱和化学分析的数据推导化合物的结构。(6)仔细核对个组信号的化学位移和偶合常数与推定的结构是否相符，必要时，找出类似化合物的共振谱进行比较，进而确定化合物的结构式。,谱图解析的步骤,69,70,例1某化合物分子式为C6H10O3，其核磁共振谱图如下，试确定该化合物的结构。,示例-1,71,解：从化合物分子式C6H10O3求得未知物的不饱和度为2，说明分子中含有C=O或C=C。但核磁共振谱中化学位移5以上没有吸收峰，表明不存在烯氢。谱图中有4组峰，化学位移及峰的裂分数目为4.1ppm（四重峰），3.5ppm（单峰）,2.2ppm（单峰），1.2ppm（三重峰），各组峰的积分高度比为2：2：3：3，这也是各组峰代表的质子数。从化学位移和峰的裂分数可见4.1ppm和1.2ppm是互相偶合,与强拉电子基团相连，表明分子中存在乙酯基（COOCH2CH3),3.50ppm为CH2，2.2ppm为CH3，均不与其它质子偶合，根据化学位移2.2ppm应于拉电子的羰基相连，即CH3-C=O。,示例-1,72,示例-2,73,示例-2,解：从化合物分子式C6H8O3求得未知物的不饱和度为3，说明分子中没有苯环。根据红外信息，可能为酸酐。NMR谱图中有2组峰，各组峰的积分高度比为1：3，这也是各组峰代表的质子数。,74,示例-3,例3某化合物分子式为C9H12，其核磁共振谱图如下，试确定该化合物的结构。,75,解：从化合物分子式C9H12求得未知物的不饱和度为5，说明分子中含有苯环。NMR谱图中有4组峰，各组峰的积分高度比为5：2：2：3，这也是各组峰代表的质子数。,示例-3,76,示例-4,77,解：从化合物分子式C9H10O求得未知物的不饱和度为5，说明分子中含有苯环。根据红外信息，可知结构中含有羟基、苯环和C=C双键。NMR谱图中有4组峰，各组峰的积分高度比为5：2：2：1，这也是各组峰代表的质子数。,示例-4,78,核磁共振波谱仪,1永久磁铁：,2射频振荡器：,3射频信号接受器（检测器）,4样品管：,79,1永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。,2射频振荡器：线圈垂直于