核磁共振波谱(NMR)

核磁共振波谱（NMR）制作：彭俊梅、杨昊宇、安翔宇、刘慧、邱旭东NMR(nuclearmagnetIcresonancespectroscopy)NMR简介1发展历程及流程2仪器的进步3应用4CompanyLogo在外磁场作用下，用射频照射置于磁场中的分子，可引起分子中有磁矩的核发生能级跃迁，使原子核从低能态跃迁至高能态，产生核磁共振，并在某些特定的磁场强度处产生强弱不同的吸收信号。吸收信号的强度对射频作图，即为核磁共振波谱。建立在核磁共振波谱原理基础上的一类分析方法就称为核磁共振法（NMR）。核磁共振法（NMR）CompanyLogo基本原理：原子核的自旋及分类：原子核具有质量并带有电荷，同时具有自旋现象，其自旋用自旋量子数I表示。原子核的质量数、电荷数与自旋三者之间的关系如下表所示：具有自旋的原子核会产生角动量，又因原子核带正电，自旋时会产生磁矩。序号质量数电荷数自旋量子数

①偶偶I=0，如：12C6,16O8…

②

偶奇I=1，2，3…如：2H1,13C6…

③

偶奇∕偶I=1/2,3/2,5/2…如：1H1,13C6…CompanyLogo原子核的回旋：原子核带正电荷且电荷呈均匀分布状态，自旋时其周围空间会产生磁场。I≠0的核自旋时产生动量矩P和磁矩，它们与I的关系如下：

P=式中：h为普朗克常数；称为磁选比。同一类原子核（指I值相同的核），动量矩相同，但磁矩不同，因而也不同。若使I≠0的原子核处于外磁场中，则核磁矩有不同的取向，共有m=2I+1个取向（m为磁量子数），用I,I-1,I-2,…,-I+2,-I+1,-I表示。2I+1个值就代表了某原子核在外磁场中的2I+1个能量状态或2I+1个能级。

CompanyLogo例如1H1，I=1/2,则m=±1∕2.在外磁场中有两个取向，如左图。右图为能级图。左图中的H0表示外磁场，由于1H1核在磁场中取向不同，故它的自旋轴与外磁场（H0）的方向成一定的角度，1H1核在外磁场中产生回旋，其角速度用表示，实验证明，与H0成正比

而则

①式中为1H1核的回旋频率，单位为兆赫兹。

CompanyLogo核磁共振：如左图所示自旋核，若磁矩方向与外磁场方向一致，此时一般为低能级，但另一种取向，即磁矩与外磁场方向相反，此时一般为高能级。由于磁矩的取向不同，决定了其能级的不同，核吸收或放出能量时，其磁矩的取向要发生改变，根据量子力学理论，两能级之间的能量差为：②如果要使核磁发生跃迁，由一个取向（如）跃迁到另一个取向（如），则应向的能级照射电磁波，当此电磁波的频率，恰好等于核磁的回旋频率时，即发生核磁共振，由上可知可通过调节电磁波的照射频率或外磁场强度来使之发生核磁共振。

CompanyLogo化学位移及其表示方法：方程式①似乎意味着同一种原子核在固定的磁场中均以相同的频率共振。事实上，不同基团的原子核真正感受到的磁场强度H取决于该核周围的电子云密度。核外电子云受到磁场H0作用时，根据楞次定律，会产生感应磁场，其方向与H0方向相反，因而对原子核产生屏蔽效应（）式中称为屏蔽常数，其大小表示改变H0的能力。每个化合物中不同的基团均有不同的值，因而出现不同的共振频率。通常的有机化合物，由于核外电子云密度的变化而改变的共振频率相对于H0来说是很小的。如在100MHz以仪器中，这个改变约为1250MHz，也就是说，某种核在100001250MHz频率下共振。CompanyLogo化学位移在样品中加入一种参比物质，如TMS（四甲基硅油），把它的甲基信号设为0.0Hz，化合物中其他质子信号表示为：如：在60MHz仪器上，某一基团相对于TMS在60Hz处共振，则其化学位移表示为：所表示的是该吸收峰距原点的距离。同一化合物早不同频率的仪器上得到的化学位移是相同的，都可以与标准谱图对比。选用TMS作参比的原因：它的12个质子受到硅原子的强屏蔽作用，在高场区出现一个尖锐的强峰；它在大多数有机溶剂中易溶；呈现化学惰性；沸点低（26.5℃）因而样品易回收。对于极性较大的有机化合物样品，常用DSS作“内标准”（CH3）2SICH2CH2CH2SO3NaCompanyLogo核磁共振波谱和常用术语表示为：CompanyLogo影响化学位移的因素：1.取代基的诱导效应：取代基的电负性越大，使该基团的核外电子云密度降低，产生去屏蔽作用而发生低场位移。当基团的氢原子被多个电负性基团取代时，剩余质子信号进一步移向低场，如：取代基的诱导效应随取代基与被测基团间隔键数的增加而迅速减弱，如：2.共轭效应：有些取代基通过共轭作用增加某些基团的电子云密度，使其在高场共轭，如：CompanyLogo另外一些具有吸电性质的取代基，通过共轭作用而减小某些质子的电子云密度，使其在低场共轭，如：3.芳环、双键和羰基屏蔽的各向异性效应：这三类基团双键的电子云均为盘式，当它们的平面垂直于磁场时，就会产生感应电流和感应磁场，在双键上、下区域为逆磁屏蔽区，在双键平面区域为顺磁屏蔽区。由此可知，芳香化合物的氢原子位于芳环的去屏蔽区，在低场6.5～8.5范围内共振；烯烃的氢原子也在较低场共振4.5～7.0；醛类氢原子除受到的去屏蔽作用以外，还受到羰基的吸电子作用，因而在更低场9～10共振。CompanyLogo4.叁键和单键屏蔽的各向异性效应：叁键和单键都具有柱形电子云，但成键电子不同。叁键电子在H0作用下绕碳-碳运动，在键轴方向产生逆磁屏蔽，而C-C产生的屏蔽作用方向正好与叁键相反。炔烃质子处于叁键的屏蔽区，在较高场共振1.6～2.8。丙炔在CCl4中的1H-NMR谱，如图所示：的0.81.甲基的三个质子也位于叁键的屏蔽区，在1.79处共振（4J=2.8Hz），但甲基与双键或苯环相连时，甲基的2.0～3.0范围内。C-C单键屏蔽的各向异性效应使，，和基团中的氢分别受到一个、二个和三个C-C键的去屏蔽作用，化学位移分别为0.9、1.2和1.5.CompanyLogo5.氢键的效应:

羟基和氨基等活泼氢的化学位移强烈地受到氢键影响。氢键会使其产生低场位移，如乙醇的羟基，在稀CCl4溶液中0.7，在纯乙醇溶液中5.3。一些常见结构单元的质子化学位移范围（ppm）

结构单元

化学位移

结构单元

化学位移R-CH0.2～2.0

I-CH

2.1～2.6C＝C-CH1.8～2.3Br-CH2.6～3.2

Ar-CH2.1～2.8

Cl-CH3.0～3.52.0～2.5F-CH4.2～4.72.5～3.2R2C＝CH24.7～5.3RO-CH3.2～3.9R-CH＝CH-R’5.4～6.2HO-CH3.3～4.0

Ar-H6.5～8.53.6～4.4R-CHO9.0～10.0NaO3S-CH2.5～3.0R-CO2H10～13NaO3S-O-CH

3.8～4.5CompanyLogo自旋-自旋偶合和偶合裂分：1.自旋-自旋偶合和偶合裂分原子核周围的电子云密度和它们对外加磁场的屏蔽作用决定了它们的化学位移。除了核外电子云的作用以外，每种化学环境中的原子核还受到邻近原子核两种自旋态的小磁场的作用。如前文所述，在磁场H0中，每种原子核有两个自旋态，即与H0方向相同的I=和与H0方向相反的，两者的数量分布服从波尔兹曼规律。在室温和目前可用的磁场强度下，两种自旋态的核的数量接近相等。如果用和分别表示和自旋态产生的磁场强度，则相邻核将感受到和的磁场强度，分别在原共振频率的低场和高场发生共振，裂分成等强度的双峰。如果相邻两个原子核，则该核会感受、、和的磁场，裂分成三重峰。如下图：CompanyLogo这种相邻核自旋态对谱带多重峰的影响叫做自旋-自旋偶合。由此产生的裂分叫偶合裂分。谱带裂分的间距叫偶合常数，用Hz表示。的大小表示核自旋相互干扰的强弱，与相互偶合核之间的键数，核之间的相互取向以及官能团的类型有关，而与外加磁场强度无关。如上图为氯乙烷的1HNMR谱，1.5的三重峰（强度比近似1:2:1）来自甲基，3.6的四重峰（1:3:3:1)来自亚甲基。两组峰的偶合常数相等，内侧峰高于外侧，由峰顶划一对斜线，呈屋顶式形状，这是判断相互偶合的两组峰的重要依据。

CompanyLogo2.n+1规律由于相邻氢的偶合而产生的谱带裂分数遵循2nI+1规律。对于1H,13C等原子核，，则变成n+1规律。如在氯乙烷的例子中，CH3相邻的CH2有二个质子，裂分成2+1=3重峰。CH3则使CH2裂分成3+1=4重峰。在裂分的多重峰中，各峰的相对强度之比等于二项式（a+b）n展开式各项系数之比。I=1/2CompanyLogoNMR的发展历程：

70年代后期

1965年前后

1951～1960年

1945～1951年NMR在深度和广度方面都出现了新的飞跃性发展脉冲FourIer变换NMR技术（PFT-NMR）的兴起连续波核磁共振（CW-NMR）波谱大发展的时期发明NMR法并奠定理论和实验基础的时期CompanyLogo

连续波变化（已被FT-NMR所取代）核磁共振谱仪：傅里叶变化（FT-NMR）傅里叶变化技术是采用强的窄脉冲同时激发处于不同化学环境的所有同一种核，然后用接收器同时检测所有核的激发信息，得到时域信号FID(自由感应衰减信号)。FID经过傅里叶变化得到和连续波NMR谱仪相同的谱图。CompanyLogo与连续波仪器相比，FT-NMR的优点是：ⅠⅡⅢⅣ速度快。几秒至几十秒即可完成1HNMR谱的测定。灵敏度高。在快速采样得到的FID的基础上，通过累加可提高信噪比。可测1H，13C和多种核的NMR。采用大型计算机后，通过设置适当的脉冲序列可测各种新技术谱图，如消除溶剂和水峰，13C的DEPT谱和各种二维谱等，使各种复杂化合物的结构分析更为容易CompanyLogo核磁共振波谱仪简介：磁铁射频发射器射频接收器记录仪试样管试样探头CompanyLogo2.射频发射器：其作用是通过高频交变电流提供稳定的电磁辐射。1.磁铁：其作用在于产生一个均匀、稳定以及重现性较好的高强度的磁场，其质量和强度决定了谱仪的灵敏度和分辨率。4.记录仪：微弱的信号通过放大后，由记录仪自动扫描记谱图。5.试样管和探头：试样管、接收线圈和射频线圈安装在探头内，以保证试样相对于这些部件的位置不变。探头置于磁极之间，用于探测核磁共振信号。3.射频接收器：其线圈在试验管的周围，并与发射器和扫描线圈相垂直，当发射器发生的频率，试样就发生共振而吸收能量，为接收器检出。TextCompanyLogo其结构如下图所示：

6341252

1.磁铁；2.扫描线圈；3.射频发射器；4.射频接收器及放大器；5.试样管；6.记录仪或示波器CompanyLogo操作程序：通常的测试操作就是样品的处置和计算机的操作。典型的操作程序于下框图所示：

设定样品管测定核参数，旋转速度等溶剂参数选定基本自动进行安装试样试样旋转条件设定调整分辨率

FT变化，谱修正，化学位移标定，累加次数，信号强度完全自动化积分，谱图放大测量参数设定数据采样数据处理谱数据输出用打印机打印或用绘图仪输出实验谱图，取出试样。

CompanyLogo核磁共振技术的发展1.高场2.数字化3.探头4.固体实验5.软件CompanyLogo1.高场磁场强度直接影响核磁信号的灵敏度和化学位移，为使分子中不同基团上核的谱峰分开，以便确认结构，提高共振磁场是一个有力的举措。

如：2001年布鲁克公司推出了900MHz的商品谱（21.1390T）

2002年JOEL公司推出了920MHz的核磁谱仪。CompanyLogo2.数字化1场频联锁系统的数字化：（场频联锁即将磁场和频率锁在一起，以保证锁样品始终与磁场保持在严格共振点上）其使磁场稳定度和抗干扰能力比模拟锁提高一个数量级，提高了累加效果，减小了T1噪声等。2发射、接收系统的数字化：①发射系统：利用数字化信号发生器和时间控制器使对发射频率及其相位的精确度、脉冲系列的时间精确度等的高要求可以较为容易达到。②接收系统：过速采样和数字滤波、数字化前放、数字化路由器、数字化正交检波、控制系统的数字化、数字化梯度场和数字化变温单元等。CompanyLogo3.探头全自动调谐探头：克服了以往调谐时的不便。HR-MAS：对于介于固体与液体之间的样品，HR-MAS探头可以发挥极好的作用，与脉冲梯度结合，进行TOCSY实验也有极佳的效果。超低温探头：低温探头的使用，将同样场强下的灵敏度提高了3～4倍。同时还可以使RF场均匀、振铃时间短、射频脉冲功率响应的线性度提高等。液色与核磁联用探头：液相色谱是有效的分离方法，核磁共振是空间结构鉴定的强有力手段，二者的结合，为结构分析提供了最新、最有力的手段。CompanyLogo4.固体实验固体NMR是利用魔角旋转（MAS）、交叉极化（CP）、高功率去偶（DD）技术等方式测定元素化学位移，通过所测元素的化学位移变化，得到所测元素的结构环境变化的实验技术。CompanyLogo与溶液核磁共振相比，固体核磁共振在聚合物研究中具有自身的优势：固体核磁共振的研究对象即聚合物无需溶解到溶剂中，因此它能很好地保持本体聚合物中的一些特殊的属性。对于一些难溶的聚合物，由于找不到合适的溶剂将之溶解，固体核磁共振便称为最好的选择。有些聚合物即使能找到特定的溶剂将之溶解，但因发生反应等情况，使核磁共振表征变得意义不大。聚合物的一些特殊性质，如固体聚合物中的氢键相互作用、特殊的分子运动、晶相尺寸等都是研究材料的关注问题，也需要使用固体核磁共振的方法加以研究。固体核磁共振技术是研究常见氟聚合物结构和分子运动的重要方法。CompanyLogo5.软件核磁软件的发展十分迅速，主要集中在常规核磁软件（采样、处理和控制），结构分析软件和数据库等。核磁共振实验辅助设计专家系统：采用CLIPS作为事实推理核心,以VIsualC++为界面开发工具,设计开发了核磁共振实验辅助设计专家系统软件.该软件可以根据用户提供的关于实验的、样品特性和谱仪功能等信息,建议所需进行的核磁共振实验.在用户反馈实验结果后,该系统可以进一步提出建议,如此循环往复.对于建议进行的实验,系统也给出脉冲序列、参数设置、注意事项等与实验相关的详细信息.本系统对于核磁共振的教学也可以起到辅助作用.CompanyLogoNMR技术的应用：核磁共振由于其获取的信息丰富，因此应用领域十分广泛，如分析化学、生命科学、食品加工、材料检测、石油勘测和水资源探查等。NMR技术在化学中的应用：①在分子结构的测定中的应用：主要为对有机化合物绝对构型的测定和对复杂化合物结构的解析。（核磁共振仪的检出限较其他波谱分析仪高）②在有机合成反应中的应用：不仅可对反应物或产物进行结构解析和构型确定，在研究合成反应中的电荷分布及其定位效应、探讨反应机理等方面也有着广泛的应用。另外，对有机反应过程中间产物及副产物的辨别鉴定，可以研究有关有机反应历程及考察合成路线是否可行等问题。CompanyLogo③在定量分析和分子量测定中的应用：核磁共振谱峰的面积（积分高度）正比于相应质子数。用NMR定量分析的最大优点就是不需要引进任何校正因子或绘制工作曲线，可用于多组分混合物分析、元素的分析、有机物中活泼氢及重氢试剂的分析等。④在高分子化学中的应用：ⅰ：聚合物固体宽谱线NMR可以提供有关结晶度、聚合物取向、玻璃化温度（T）等有关信息。还可通过研究聚合反应过程NMR谱线宽度的变化，了解反应过程中正在生长聚合物链的活动变化，从而获得有关聚合反应动力学方面的信息。ⅱ：聚合物液体高分辨NMR可以提供的信息有：聚合物类型的鉴定；有关聚合物链的异构化信息；通过13C-NMR谱可分别研究其不同单元组的序列分布、交替度和不同反应条件下聚合过程链活动度变化等聚合物微观结构信息。CompanyLogo核磁共振技术在生命科学中的应用：核磁共振在生命科学方面的应用近年来发展最为迅速，已经成为当前核磁共振技术研究的热点。①核磁共振技术在医学中的应用：作为一种对人体无创、无电离辐射的诊断工具，不仅适合做结构成像，还可以做功能性成像，因而使之和