1、第6章 核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ) 9.1 NMR简介9.2 NMR基本原理 一. 原子核能级的分裂及其描述 二. 能级分布与弛豫过程 三. 化学位移与自旋-自旋分裂9.3 NMR仪器及组成 一. 仪器分类 二. 仪器组成,2. 发展历史1924年：Pauli 预言了NMR 的基本理论，即，有些核同时具有自旋和磁 量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证 实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：Varia
2、n开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR 仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影 响与物质分子结构有关。 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化（早期多使用的是连续波 NMR 仪器）。,2002年，世界各地的医生进行了超过6千万次的核磁共振成像检测。这使得劳特布尔和曼斯菲尔德的获奖成为自然而然的事情 2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布74岁的美国科学家保罗劳特布尔和70岁的英国科学家彼得曼斯菲尔德为本届诺贝尔医学奖的得主，这两位科学家的研究成果终于得到了认可。,必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并的，各状
3、态的能量相同。 对氢核来说，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示 H 核在磁场中，自旋轴只有两种取向：与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高,两个能级的能量分别为：两式相减：又因为，所以，即， B0 的单位为特斯拉(T,Kgs-2A-1),1T=104 Gauss 也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。,3. 几点说明a) 并非所有的核都有自旋，或者说，并非所有的核会在外加磁场中发生能级分裂！ 当核的质子数 Z 和中子数 N 均为偶数时，I=0 或 P=0，该原子核将没有自旋
4、现 象发生。如12C，16O，32S等核没有自旋。b) 当 Z 和 N 均为奇数时，I=整数，P0，该类核有自旋，但NMR 复杂，通常不用于 NMR分析。如2H，14N等c) 当 Z 和 N 互为奇偶时，I=半整数，P0，可以用于 NMR 分析，如1H，13C。,二. 能级分布与弛豫过程(Relaxation Process)1. 核能级分布 在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足Boltzmann分布： 通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T 的磁场中，位于高、低能级上的 1H 核数目之比为0.999984。即：处
5、于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出16/1,000,000 ！ 当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等饱和从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同体系净吸收为0共振信号消失！ 幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！,例2：许多现代NMR仪器所使用的磁场强度为4.69T。请问在此磁场中，氢核可吸收多大频率的辐射？,例1：计算在25oC时，样品在4.69T磁场中，其处于高、低磁能级原子核的相对个数。,2. 弛豫何为弛豫？ 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于
6、弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。 据Heisenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽 成正比，即： 可见，弛豫决定处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫。,在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间 1 和 2 大致相当，在 0.5-50s 之间。两种弛豫过程中，时间短者控制弛豫过程。思考：a) 在 NMR 测量时，要消除顺磁杂质，为什么？b) 在 NMR 测量时，要求将样品高速旋
7、转，为什么？,2. 化学位移产生原因及其表示方法产生原因：分子中的原子核处在核外电子氛围中，电子在外加磁场B0的的作用下 产生次级磁场，该原子核受到了屏蔽： B为核实际受到的磁场， 由电子云密度决定的屏蔽常数，与化学结构密切相关。表示方法：由于不同核化学位移相差不大，有时会发生共振吸收频率漂移，因 此，实际工作中，化学位移不能直接精确测定，一般以相对值表示。 于待测物中加一标准物质（如TMS），分别测定待测物和标准物 的吸收频率x 和s，以下式来表示化学位移 ： 无量纲，对于给定的质子峰，其值与射频辐射无关。,在NMR中，通常以四甲基硅烷(TMS)作标准物，因为：a)由于四个甲基中12 个H
8、核所处的化学环境完全相同，因此在核磁共 振图上只出现一个尖锐的吸收峰；b) 屏蔽常数 较大，因而其吸收峰远离待研究的峰的高磁场(低频)区；c)TMS化学惰性、溶于有机物、易被挥发除去；,3. 影响化学位移的因素 从前式 可知，凡是影响屏蔽常数（电子云密度）的因素均可影响化学位移，即影响NMR吸收峰的位置。1）诱导效应(Induction)：分子与高电负性基团相连-分子电子云密度下降(去屏蔽)-下降-产生共振所需磁场强度小-吸收峰向低场移动；2）共轭效应(Conjugated)：使电子云密度平均化，可使吸收峰向高场或低场移动；与 C2H4 比：a)图：氧孤对电子与C2H4双键 形成 p- 共轭，
9、CH2上质子电子云密度增加，移向高场。b)图：羰基双键与 C2H4 -共轭，CH2上质子电子云密度降低，移向低场。,3）磁各向异性效应：置于外加磁场中的分子产生的感应磁场(次级磁场)，使分子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区，导致不同区域内的质子移向高场和低场。该效应通过空间感应磁场起作用，涉及范围大，所以又称远程屏蔽。图1：C2H4 中 电子云分布于 键所在平面上下方，感应磁场将空间分成屏蔽区（+）和去屏蔽区（-）， 由于质子位于去屏蔽区，与C2H6（=0.85）相比移向低场(=5.28)。图2：C2H2 中三键 电子云分布围绕C-C键呈对称圆筒状分布，质子处于屏蔽区，其共振信号位于高场 （=1.
10、8）。 图3：苯分子与C2H4 的情况相同，即苯的质子移向低场（=7.27）；对于其它苯系物，若质子处于苯环 屏蔽区，则移向高场；醛基质子处于去屏蔽区，且受O电负性影响，故移向更低场（=7.27）。,4）氢键效应：使电子云密度平均化，使OH或SH中质子移向低场。如分子间形 成氢键，其化学位移与溶剂特性及其浓度有关; 如分子内形成氢 键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构有关。溶剂选择原则：稀溶液；不能与溶质有强烈相互作用。 5）自旋耦合与自旋分裂现象：CH3CH2OH中有三个不同类型的质子，因此有三个不同位置的吸收峰。 然而，在高分辨 NMR 中，CH2和CH2中的质子出现了更多的峰，这表明它们
11、发生了分裂。如右图。,质子与质子之间的关系化学等价核：同一分子中化学位移相同的质子。化学等价质子具有相同 的化学环境。磁等价核：如果有一组化学等价质子，当它与组外的任一磁核偶合时， 其偶合常数相等，该组质子称为磁等价质子。#1 CH3CH2X中CH3上的三个质子是化学等价的，也是磁等价的；#2 二氟乙烯中Ha和Hb是化学等价的，但因JHF(顺式)JHF(反式)，所以Ha和Hb不是 磁等价质子；#3 对-硝基氟苯中，Ha与Hb为化学等价，但不是磁等价（3Jac 5Jbc）。 注意：化学等价，不一定磁等价，但磁等价的一定是化学等价的。,对于邻碳磁等价核之间的偶合，其偶合裂分规律如下：1）一个(组)
12、磁等价质子与相邻碳上的n个磁等价质子偶合，将产生n+1重峰。 如，CH3CH2OH（2+1；3+1；1）2）一个(组)磁等价质子与相邻碳上的两组质子(分别为m个和n个质子)偶合，如果该两组碳上的质子性质类似的，则将产生m+n+1重峰，如CH3CH2CH3；如果性质不类似，则将产生(m+1)(n+1)重峰，如CH3CH2CH2NO2；3）裂分峰的强度比符合(a+b)n展开式各项系数之比；4）一组多重峰的中点，就是该质子的化学位移值5）磁等价质子之间观察不到自旋偶合分裂，如ClCH2CH2Cl，只有单重峰。6）一组磁等价质子与另一组非磁等价质子之间不发生偶合分裂。如对硝基苯 乙醚，硝基苯上的质子为
13、非磁等价，不产生一级图谱(AB/JAB大于20，且 自旋偶合的核必须是磁等价的才产生所谓的一级图谱)因而产生的分裂较复 杂，而苯乙基醚上的质子为磁等价，产生较简单的一级图谱。,几个例子：1) ClCH2CH2CH2Cl峰数及峰面积比分别为，3(1:2:1)-5(1:4:6:4:1)-3(1:2:1)2) CH3CHBrCH3峰数及峰面积比分别为：2(1:1)-7(1:6:15:20:15:6:1)-2(1:1)3) CH3CH2OCH3峰数及峰面积比分别为：3(1:2:1)-4(1:3:3:1)-1,9.2 NMR仪器一、分类：按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按照射频率：60MHz、90
14、MHz、200MHz.按扫描方式：连续波NMR仪（CW-NMR）和脉冲傅立叶变换NMR仪 （PFT-NMR）二、仪器组成：如图。,1）磁铁：产生一个恒定的、均匀的磁场。磁场强度增加，灵敏度增加。永久磁铁：提供0.7046T(30MHz)或1.4092T(60MHz)的场强。特点是稳定，耗电少，不需 冷却，但对室温的变化敏感，因此必须将其置于恒温槽内，再置于金属箱内进 行磁屏蔽。恒温槽不能断电，否则要将温度升到规定指标要23天！电磁铁：提供2.3T的场强，由软磁铁外绕上激磁线圈做成，通电产生磁场。它对外界温度 不敏感，达到稳定状态快，但耗电量大，需要水冷，日常维护难。超导磁铁：提供5.8T的场强
15、，最高可达12T，由金属(如Nb、Ta合金)丝在低温下(液氮)的 超导特性而形成的。在极低温度下，导线电阻挖为零，通电闭合后，电流可循 环不止，产生强磁场。特点是场强大、稳定性好，但仪器价格昂贵，日常维护 费用极高。 磁场漂移应在10-9-10-10之间-可通过场频锁定方式克服。2）探头：由样品管、扫描线圈和接收线圈组成。样品管要在磁场中以几十Hz的速率旋转，使磁场的不均匀平均化。扫描线圈与接收线圈垂直放置，以防相互干扰。在CW-NMR中，扫描线圈提供10-5T的磁场变化来进行磁场扫描。3）射频源：类似于激发源。为是到高分辨率，频率波动应小于10-8，输出功率(小于1W)波动应小于1%。4）
16、信号检测及信号处理。,CW-NMR:扫场法：固定照射频率，改变磁场强度；扫频法：固定磁场强度，改变照射频率；记录吸收分量与场强或频率的关系，即核磁共振波。扫描速度不能太快，通常全扫描时间为200-300s。若扫描太快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。灵敏度低、所需样品量大。对一些难以得到的样品，无法进行NMR分析。PFT-NMR： 以等距脉冲调制的RF信号作多道发射机，以快速傅立叶变换作多道接收机，它在一个脉冲中给出所有的激发频率，如果此脉冲满足NMR条件，则在脉冲之后，于接收线圈上能感应出该样品所有的共振吸收信号的干涉图（自由感应衰减，FID）信号。它包括分子中所有信息，是时间的函数，对此函数作傅立叶变换处理后，可将FID信号转换为常用的扫场波谱。灵敏度提高（100倍）；测量速度快：一次脉冲相当于CWNMR的一次扫描；扩大应用范围：除常规1H，13C谱外，还可用于扩散系数、化学交换、固体高分辨和弛豫时间测定等。,
