《高分子材料研究方法》课件第4章 核磁共振1

1、NMR的研究对象磁性核与电磁波的相互作用。1924年Pauli W.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂。1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了上述假设，获Nobel Prize。1953年，第一台NMR仪器FT-NMR1991年，Ernst 对高分辨核磁共振、二维核磁共振方法发展，获Nobel Prize。2002年， 生物大分子的核磁分析，Kurt Wuthrich，获Nobel Prize。第四章核磁共振波谱法 (NMR)Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 原子核荷正电，当

2、其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，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。(1)磁性核和非磁性核4.1.1核磁共振的产生4.1 核磁共振原理 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。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。自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。(2)磁性核在外加磁场中的行为与核磁共振的产生(a)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(b)放入磁场中，

3、核的磁角动量取向与磁场方向平行或反平行，取向用磁量子数m表示，m取值为I,I-1-I。对于I=1核，m为-1/2，1/2。(a)无外加磁场时，磁性核的能量相等。(b)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差E。用能量等于E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS核磁共振频率量子力学模型：原子核间进行能级跃迁的能量为：（选律 m = 1） = B0 /

4、2E=hB0/2=h电 (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经典力学模型：=B0/2 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) B0 = B0 /2核磁共振的基本方程式核磁共振的基本方程式不同核的NMRB0 = 2.35T： = 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(a)核在态与态间达到热平衡的状态。(b)比(a)处

5、于高热能的状态，不再有热平衡(c)两能级间原子核数目相等的饱和状态，在驰豫之前不再有净能量吸收驰豫过程：饱和状态时观测不到NMR信号。要观测到净能量吸收，必须有核从态返回态，此即驰豫过程。4.1.2饱和与驰豫过程 Relaxation Process 自旋-晶格驰豫(spin-lattice relaxation)：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋-晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋-晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋-晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋-晶格驰豫的时间用T1表示。 自旋-自旋驰豫(spin-s

6、pin relaxation)：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间(寿命)改变。自旋-自旋驰豫的时间用T2表示。驰豫的两种方式： 弛豫时间影响谱线宽度；测定核的T1 、T2 ，它们是解析结构的重要参数。热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布：N / N= exp(- E / kT) E =h = h B0 /2 N / N = exp(-h B0 /2kT)N ：高能级的原子核数N ：低能级的原子核数k：Boltzmann常数，1.3810-23JK-1若1H 核，B0 = 4.3

7、9T, 20C时，则：N/N=exp-(2.681086.6310-344.39)/(21.3810-23293) =0.999967对于106个高能级的核，低能级核的数目： N=106/0.999967=1,000,0334.1.3NMR信号的灵敏度N / N = exp( E / kT) = exp(h B0 /2kT) 由于 E / kT很小， N / N 1+ E / kT = 1+h B0 /2kT N B0，即：低能级核的数目与磁场强度呈线性关系，NMR信号的强弱随磁场强度成比例增加53年第一台仪器：B0 =0.7T，1H共振于30MHz。93年前后，用于NMR的超导磁体场强达17

8、.5T，1H共振于750MHz。4.2 核磁共振参数4.2.1化学位移 chemical shift 核磁共振条件: = B0 /2。依此公式，只有单个质子峰未考虑核外电子云的影响。实际上质子受到屏蔽作用。氢核实际所受的磁场为：B0-Be = (1-) B0= (1-) B0/ 2 ：屏蔽常数即：1H核所处的化学环境不同，不同，也不同。化学位移：特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，用(ppm)表示。1H-NMR： TMS13C-NMR： TMS14N, 15N-NMR： 液NH317O-NMR： H2O19F-NMR： CFCl331P-NMR： 85%H3PO4 NMR标准物质的选择

9、：秃核(无屏蔽作用)或电子云密度非常大的核(屏蔽作用非常大， = 0)。TMS的优点1）单峰：TMS中所有质子等同，只有一个吸收峰2）TMS的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大(电子云密度大)，处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物H核的共振频率都在左侧3）一个分子中有12个等价H和4个等价C，故加入低含量如15%v/v 的TMS可得到足够强的尖峰。4）TMS稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低(b.p. = 27C)，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。5）TMS不溶于水，对于水溶液，有DDS和TSP-d4等钠盐替代品。它们的甲基H在几乎与TMS相同的位置出峰，亚甲基H出一系列小峰，

10、市售亚甲基H均为氘代产品。4.2.2自旋-自旋耦合spin-spin coupling与耦合常数 核自旋通过成键电子与附近相邻磁性核自旋间的相互作用所引起的NMR谱线分裂现象。以下列分子结构单元为例分析谱线裂分现象： CCHHHHHCH2对CH3的影响B0(2)(3)(1)(4)Field directionPossible spin orientations of methylene proton自旋同时相反， CH3三重峰右边的第一个峰。自旋同时相同， CH3三重峰左边的第一个峰。自旋相反，影响抵消。中间峰 峰裂分为3， 峰面积比1:2:1。CH3对CH2的影响B0可能的组合方式: 23=

11、8种中间6组为两组等同的磁效应峰裂分为4峰面积比为1:3:3:1相邻原子上的质子数以n表示，则简单氢谱NMR谱线的裂分数为n+1。谱线分裂数的n+1规则:(a+b)n展开式的各项系数n 二项式展开系数 峰型111 2 13 3 11 4 6 4 11 5 10 10 5 1012345单峰双峰三重峰四重峰五重峰六重峰耦合常数J (coupling constant) 谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位Hz。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：nJ：n化学键的个数。同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。相邻碳上的氢。如HA-CH2-CH2-HB, HA与HB的耦合。相隔4

12、个化学键，耦合作用很弱。2J:3J:4J:偶合常数物理意义；质子相互间偶合作用的大小，表征分子结构和构型的参数；偶合常数的大小，可以决定相互偶合质子的位置。 一级谱：由一级偶合而得到的NMR谱。一级偶合指分子中核之间相互作用时，仅产生简单的裂分行为，且两组偶合核之间的化学位移之差远大于它们之间的偶合常数，即/J6。 高级谱：两个相互偶合的核，/J6时，核之间相互作用加强，而化学位移又相差不大，这时偶合作用会造成跃迁能级的混合，引起谱线的位置和强度的变化，NMR谱图不再符合“n”规则。4.2.3峰面积 反映某种原子核的定量信息。各峰组的面积之比反映了各官能团的氢原子数之比4.2.4.1常见官能团

13、的氢谱A) CH30.9 ppm (饱和)在高场出峰，峰强，易于辨认0.8 1.2; 2.12.6; 2.2 3.2; 2.0 2.7; 3.2 4.0 1H(CH3)(1)烷基：02 ppm (烷烃)4.2.4影响化学位移的因素B) CH2 1H(CH2)1.17 2.473.40C) CH一般比CH2的值大0.3ppm。(2)烯：一般1Hc最大。(3)苯环：无取代基时，47 ppm (6.5 ppm左右较普遍 )1H=7.3 ppm, 单峰4)活泼氢：值变化大。易受温度、添加重水、改变溶剂及酸度的影响醇OH3.0-6.0 ppm(CCl4等惰性溶剂)羧酸COOH10-13 ppm脂肪胺NH

14、20.5-5.5 ppm一般不产生峰的裂分，对相邻C上的H影响复杂。（2）影响因素取代基的电负性屏蔽作用电子云密度电负性化学位移与CH3连接基团的电负性对其质子化学位移的影响 化合物 (CH3) (CH3)4-Si, TMS 0.0 定义 (CH3)3-Si(CD2)2CO2-Na+, TSP-d4 0 CH3I 2.2 CH3Br 2.6 CH3Cl 3.1 CH3F 4.3 CH3NO2 4.3 CH2Cl2 5.5 CHCl3 7.3CH3X的质子位移相连碳原子的S-P杂化 CH3-CH3 CH2=CH2 CHCH 0.9 5.8 2.9酸度顺序 (3) (2) (1)C杂化形式 SP3

15、 SP2 SP屏蔽作用减弱环状体系的环电流效应以苯环为例 （环外H与磁场同向）环外氢: 顺磁效应,去屏蔽 环内侧氢:逆磁效应,屏蔽 7.3 2.3 2.0 -1.0电子数满足4n+2的环状多烯=9.3=-3.0甲基1H, =-4.2B.烯烃的各向异性=9.7 =10.0 =8.0 =7.8 双键C上的氢：去屏蔽作用，值高于饱和C双键平面上下方：逆磁效应，屏蔽作用C.炔烃的各向异性叁键C上的氢受屏蔽作用4.2.5NMR解析举例1) C5H10O2（1）H数目 6：4：4：6 = 3：2：2：3（2）不饱和度=1 有一个双键（3）=3.6处为单峰 O可能的结构CH3OC=0.9处三重峰为是典型的C

16、H2CH3峰=2.2处三重峰为羰基相邻的CH2的两个质子另一个CH2在=1.7处产生12个峰（43），但仪器分辨率不够，只看到6个峰。可能的结构 O CH3O CCH2CH2CH3简化图谱的方法-去耦使谱图简化，除去相邻核间的耦合作用的方法。醋酸异丙酯的1H-NMR(100MHz)。双重照射去耦的谱图变化实例。(a)常法测定的谱图，(b)照射最右端的两个甲基质子去其耦合作用， (c)去次甲基质子的耦合作用。用两个电磁波发生器，扫描第一个发生器（A核的共振频率1 ），用2的强电磁波照射，使B核共振达到饱和。双重照射法除去B核对A核的影响。双照射方法NOE效应（核欧沃豪斯效应） 1965年欧沃豪斯

17、（Overhauser）发现，在核磁共振中，当对某一核进行双照射使之达到饱和后，与其相邻而彼此又不存在偶合作用的另一核的共振信号强度增加，这种效应即称为NOE。 应用：（a）增强较弱的信号，特别是13CNMR。 （b）区别异构体。液氮：-196，保持液氦温度，减少液氦损失。液氦：-269，提供超低温环境。探头：射频发射线圈，射频接受线圈组成。正向探头：高频接收线圈在外（通常指1H核）低频接受线圈在内。反向探头：低频接受线圈在外，高频接收线圈在内，主要用于反向实验。超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；在低温4K，处于超导状态;开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长

18、年保持不变。4.3核磁共振波谱仪主要配置和出厂技术指标：磁场强度：11.7T；质子共振频率：500MHz；三个辐照通道1 10mm 、5mm 宽带探头：多核（15N31P）；变温范围：-150200；13C 分辨率 190:1；2 5mm 反式探头（ID）：1H15N31P；梯度场；变温范围：-2080 ；1H 分辨率 660:1 ；3 5mm 三共振探头：1H13C/15N/或31P；梯度场；变温范围：050 ；1H 分辨率 600:1 ；型号：Varian INOVA500NB 4.4样品样品量一般对于1HNMR来说需要的量比较小，大概10mg左右就可以了，对于二维谱和碳谱浓度要比较大，最

19、好50mg。溶剂量一般样品的溶剂量为0.6ml，大概在核磁管中的高度为4cm左右。溶剂量太小了会影响匀场，进而影响实验的速度和谱图的效果。溶剂量太大，那就太浪费了。 核磁管首先尽量选用优质核磁管，还有就是最好不要在核磁管上乱贴标签，这会导致核磁管轴向的不均衡，在样品旋转的时候影响分辨率，还有可能打碎核磁管造成重大损失。 化学位移标准在溶液中加入少量（一般不超过0.1）四甲基硅烷(TMS) ，规定其位移常数TMS=0。 溶剂的选择：原则：样品易溶解，溶剂峰和样品峰没有重叠，粘度低，并且价格便宜。大家在选择的时候主要是样品的溶解性问题。 常用的氘代试剂：氘代氯仿、氘代DMSO、氘代丙酮、重水、氘代

20、苯、氘代DMF、氘代甲醇等。溶剂峰：氘代试剂中未被氘代的氢。常用氘代试剂的化学位移：CDCl3-7.26ppm、DMSO-2.50ppm、D2O-4.7ppm、丙酮-2.05ppm4.5NMR常用实验1H13C 13C DEPT（极化转移增强）能够区分不同种类碳原子。通常使用PO为135，谱图上CH3和CH的峰为正峰，CH2为负峰，季碳不出峰。通过对比13C谱与DEPT谱即可得出各种碳原子的个数。DEPT二维核磁共振 二维核磁共振波谱是20世纪70年代以来NMR技术所发生的一次革命性的变化。将通常挤在一维NMR谱中的一个频率轴上的NMR在二维空间展开，从而较清晰地提供更多的信息。 普通的NMR谱是以吸收强度为纵坐标，以频率或场强为横坐标。而二维NMR谱则给出两个频率轴上的吸收强度，两个频率轴可以改变，有时它们分别为化学位移和偶合常数，也可表示为不同核的共振频率。 二维图谱根据不同的需要可以有很多种，一般常用有两大类。二维J分解谱和二维化学位移相关谱。 J分解二维谱是把原一维谱按化学位移和耦合常数在两个频率轴上展开，这样可以直接从谱上读到耦合常数及化学位移，解决了一维谱峰拥挤的问题。J分解二维谱只是把耦合常数和化学位移分开，此外没有提供新的信息。 二维位移相关谱（COSY, Correlation Spectroscopy）直接提供