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1、,第三章 核磁共振,*1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自独立观察到核磁共振现象,1952年获得诺贝尔物理奖; *瑞士的Ernst由于在PFT-NMR及2D-NMR二方面的贡献而获得1991年诺贝尔化学奖; *瑞士的Wthrich第一个用NMR方法解析出蛋白质的空间结构,获得2002年诺贝尔化学奖; *美国的Paul Lauterbur和英国的Peter Mansfield在现代医用核磁共振扫描仪的发展过程中起主要作用获得2003年度诺贝尔医学奖。,核磁共振与诺贝尔奖:,3.1 核磁共振氢谱 3.1.1 核磁共振基本原理,核磁共振波谱学(Nuclear M
2、agnetic Resonance (NMR) Spectroscopy)是近几十年发展起来的一门新学科。核磁共振已成为化学、物理、生物、医药等研究领域中必不可少的实验工具，是研究分子结构、构型构象、分子动态等的重要方法。 研究对象:原子核的磁矩在磁场中对电磁波的吸收和发射. 信息:分子的静态结构,化学交换等.,其它例子(AAZ): A为奇数、Z为奇数或偶数时，I为半整数。 1H1，13C6，15N7，19F9，31P15 I=1/2； 11B5，33S16，35C117，37C117，81Br35 I=3/2； 17O8，25Mg12,27Al13 I5/2。 3.1.2 原子核的磁矩 自旋
3、量子数(I)不为0的原子核在作自旋运动时产生磁矩. 式中rN为核的磁旋比, 可由实验测定. gN为核的朗德因子(5.58454) , N为核磁子(5.050810-24) .,3.1.1.2 原子核在外加磁场作用下的行为 原子核的磁矩（I0）在外加磁场（H0）中的取向不是任意的,而是沿着H0方向采取一定的量子化取向(见图), 核磁矩在磁场中的取向数可用磁量子数 m 来表示; m 的取值为I,(I-1),(I-2),，-I，(核磁矩可有(2I+1)个取向) 因此,原来简并的能级会分裂成(2I+1)个能级.每个能级的能量可由下式确定： E-HH0 H0是外加磁场强度； H为磁矩在外磁场方向的分量.
4、,磁矩在外磁场中的分量H 可表示为： m 的取值为I,(I-1),(I-2),，-I,共计(2I+1)个. 因此磁矩在外磁场中量子化能级能量可表示为 分裂能级的能级差E可用下式表示：,对于1H1，13C6，15N7，19F9，31P15核, I1/2,m1/2,分裂成两个能级: 分裂的能级差与外加磁场强度有关,当I1/2时,如所示。,3.1.1.3 核磁共振定义,1H核在外加磁场H0中发生能级分裂,处在两种能级状态.如果外加一个射频场(电磁波）,设射频场的频率为射，如果h射与1H核量子态间的能级相等时，就会发生共振现象。即：低能态的核(核磁矩)吸收射频场的能量跃迁到高能态。这就是核磁共振。,1
5、H1核磁矩,能量,电磁波,定义:用电磁波照射处于强磁场中的待测物质(原子核)所得到的波谱称NMR.与红外,紫外光谱一样,都是吸收光谱. NMR的电磁波波长位于无线电波范围(10m100 m),能量小仅引起核在其自旋态能阶之间的跃迁. 电磁波照射分子,不会引起分子振动能级或转动能级及电子能级跃迁.但电磁波能与暴露在强磁场中的某些特定的原子核作用,并在某些特定磁场强度处产生强弱不同的吸收信号,以这种原理建立起来的分析方法称核磁共振波谱法.,3.1.1.4 弛豫过程 在外磁场中,由于核的取向,处于低能态的核占优势.但在室温时,热能要比核磁能级差高几个数量级.这会抵消外磁场效应,使处于低能态的核仅仅过
6、量少许(约为10ppm).因此测得的核磁共振信号是很弱的. 当核吸收电磁波能量跃迁到高能态后,如果不能回复到低能态,这样处于低能态的核逐渐减小.吸收信号逐渐衰减，直到最后核磁共振不能再进行了这种情况称为饱和。 使核磁共振继续进行,高能态的核必须回复到低能态,这一过程可以通过自发辐射实现.自发辐射的几率和两个能级能量之差成正比.但在核磁共振波谱中,通过自发辐射途径使高能态的核回复到低能态的几率很低,只有通过一定的无辐射的途径使高能态的核回复到低能态,这一过程称为弛豫,自旋-晶格弛豫(纵向弛豫);自旋-自旋弛豫(横向).,前3部分装置在组成上是相互垂直的,3.1.2 核磁共振仪器,依照核磁共振原理
7、，仪器包括以下几部分: (1).电磁铁 是核磁共振仪中最贵重的部件,能形成高的场强,同时要求磁场均匀性和稳定件好,其性能决定仪器的灵敏度和分辨率. (2).射频源 通过射频发射线圈,把射频电磁波加到样品上. (3).接收装置 测量核磁共振信号,由接收线圈接收,再经过一系列检波放大,最后显示出谱图. (4).样品管和样品探头 样品探头使样品管能固定在磁场中的某一位置,包括扫描线圈和检测线圈.,NMR波谱仪按磁体可以分为永久磁体,电磁体和超导磁体.按射频频率(1H核的共振频率)可分为60，80，90，100，200，300，400，MHz等.按射频源又可分为连续波波谱仪(CW-NMR)和脉冲傅立叶
8、变换波谱仪(PFT-NMR). 例如对于1H核, 设H014092G（高斯）,所需射频源的频率射,CW-NMR目前有60MHz、90 MHz等通用型仪器. CW-NMR价廉、稳定、易操作,但灵敏度低,需要样品量大（10-50 mg）。只能测天然丰度高的核(如1H,19F, 31P),对于13C这类天然丰度极低的核，无法测试.,1.41T和2.36T;1TG=104高斯,H0相同,不同的自旋核因 N 值不同,其共振频率亦不同.如 H0 = 2.3 TG时, 1H（100 MHz）, 19F （94 MHz）,31P（40.5 MHz）,13C（25MHz）. PFT-NMR波谱仪在CW-NMR谱
9、仪上增添两个附加单元,即脉冲程序器和数据采集及处理系统.PFT-NMR波谱仪使所有待测核同时激发（共振）,同时接收.均由计算机在很短的时间内完成. 接收器接收到的自由感应衰减信号(FID)是时域函数,记作F(t),通过Fourier变换运算,转换为频域函数F(). PFT-NMR有很大的累加信号的能力.,3.1.3 电子屏蔽效应,为孤立质子在外磁场H0中的共振吸收条件. 在实际分子中,原子核都不是孤立的裸核,核外电子在外磁场作用下发生循环流动，又产生一个感应磁场H. 即在外磁场H0中,不同的氢核所感受到H0是不同的,这是因为氢核外围的电子在与外磁场垂直的平面上绕核旋转的同时产生一个感应磁场H
10、.感应磁场H对外加磁场H0的屏蔽作用称为电子屏蔽效应.感应磁场的大小与外磁场的强度H0有关,用H0表示，称屏蔽常数。,(1)抗磁屏蔽效应 若H方向和H0方向相反,此时1H核能感应到的实际磁场强度H实际 H实际H0HH0H0（1）H0 这时核能感应到的磁场强度比H0小一点,产生抗磁屏蔽效应. (2)顺磁去屏蔽效应 若H方向和H0方向相同 H实际H0 + H（1+）H0 这时核能感应到的磁场强度比H0多一点,产生顺磁去屏蔽效应. 注意：差别仅百万分之十几。,3.1.4 化学位移,氢核外围电子云密度的大小,与其相邻原子或原子团的亲电能力有关,与化学键的类型有关.如CH3-Si,氢核外围电子云密度大,
11、H0大,共振吸收出现在高场; CH3-O,氢核外围电子云密度小,H0亦小;共振吸收出现在低场.,横坐标表示磁场强度（1）H0,如果H0不同,同一个样品测出的图谱（横坐标）不一样,不好比较.,3.1.4.1 化学位移,为了克服测试上的困难和避免因仪器不同所造成的误差,在实际工作中,使用一个与仪器无关的相对值表示.即以某一标准物质的共振吸收峰为标准（标）,测出样品中各共振吸收峰（样）与标样的差值 （可精确到1Hz）,采用无因次的 值表示, 值与核所处的化学环境有关，故称化学位移。 对于1H-NMR，值为0-20 ppm, 60 MHz的仪器,1ppm 60 Hz, 100 MHz的仪器,1ppm
12、100 Hz,标准样品：质子共振谱中,常选用四甲基硅烷(TMS)作标准样品, 它只有一个峰,其屏蔽常数比大多数有机化合物中质子的屏蔽常数大,故其谱线位置在高磁场端,以它作内标不影响其它基团中质子的共振吸收.,TMS化学性质稳定，沸点27 C,一般不与待测样品反应，且又易于从测试样品中分离出，还具有与大多数有机溶剂混溶的特点。,化学位移的表示方法,化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。,零点,-1,-2,-3,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,TM
13、S,低场,高场,同种核由于化学环境不同，不同，实际感应到的磁场也略有不同，因此在同一个外磁场中，它们共振的位置也有差异，这种由于分子内核外电子的屏蔽作用而引起的核磁共振峰位置的移动则称为化学位移。,1H-NMR谱图的组成,氢谱有四部分组成： 化学位移 一组组的峰 积分曲线（或积分值） 偶合常数,1,0,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,C3CH C2CH2 C-CH3 环烷烃,0.21.5,CH2Ar CH2NR2 CH2S CCH CH2C=O CH2=CH-CH3,1.73,CH2F CH2Cl CH2Br CH2I CH2O CH2NO2,24.7,0.5(1)5.
14、5,68.5,10.512,CHCl3 (7.27),4.65.9,910,OH NH2 NH,CR2=CH-R,RCOOH,RCHO,常用溶剂的质子的化学位移值,D,特征质子的化学位移值,3.1.4.2 影响化学位移因素,化学位移是由核外电子的屏蔽作用引起的，因此任何影响核外电子密度的因素均会影响化学位移。 (1) 诱导效应 电负性大的取代基（如卤素、硝基、氨基、羰基、羟基等）的诱导效应会降低核外电子的密度,从而产生了去屏蔽作用,共振吸收移向低场, 值增大.,诱导效应是通过成键电子传递的,随着与电负性取代基距离的增大,诱导效应的影响逐渐减弱,通常相隔3个以上碳的影响可以忽略不计.例如： CH
15、3Br CH3CH2Br CH3CH2CH2Br 2.68 1.65 1.04,(2)化学键的各向异性 分子中氢核与某一功能基的空间关系会影响其化学位移值,这种影响称各向异性.如果这种影响仅与功能基的键型有关,则称为化学键的各向异性.它是由于成键电子的电子云分布不均匀性导致在外磁场中所产生的感生磁场的不均匀性引起的.,a.叁键 炔氢与烯氢相比, 值应处于较低场,但事实相反.这是因为炔的电子云以圆柱形分布,构成筒状电子云,绕碳-碳键而成环流.产生的感生磁场沿键轴方向为屏蔽区,炔氢在碳-碳键的轴线正好位于屏蔽区,移向高场.如乙炔： 1.80 ppm。,b.双键 电子云分布于成键平面的上、下方,平面
16、内为去屏蔽区.与烯碳相连的氢位于成键的平面内（处于去屏蔽区）,较炔氢低场位移.乙烯：5.25 ppm.,c.芳环体系 随着共轭体系的增大,环电流效应增强,即环平面上、下的屏蔽效应增强,环平面上的去屏蔽效应增强.苯氢较烯氢位于更低场(7.27 ppm).,单键：随着CH3中氢被碳取代, 去屏蔽效应增大. 所以CH3-, -CH2-, -CH 中质子的 值依次增大. (3)共轭效应 苯环上的氢被推电子基（如CH3O）取代,由于p-共轭,使苯环的电子云密度增大, 值高场位移. 拉电子基（如C=O,NO2）取代,由于-共轭,使苯环的电子云密度降低,值低场位移. (4)浓度、温度、溶剂对值的影响 浓度：与O、N相连的氢,由于分子间氢键的存在,浓度增大,缔合程度增大， 值增大.如 OH(醇)0.5-5 ppm, COOH 10-13 ppm, CONH2 5-8 ppm. 温度：温度可能引起化合物分子结构的变化. 溶剂：一般化合物在CCl4或C
