1、NMR nuclear magnetic resonance,1946年： 发现核磁共振现象 1950年：Protor和Dickinson等发现质子的共振频率不仅由外部磁场和核的旋磁比来决定, 而且还要受到周围的分子环境的影响 1951年：Arnold首次报道有机化合物乙醇在 核磁共振谱中出现3种不同的质子共振信号。,NMR的有机化学意义,质子的NMR频率与其化学环境有关,高分辨率下, 吸收峰产生化学位移和裂分, 由有机物的NMR图,可获得质子所处化学环境的信息,进一步确定化合物结构,Arnold的乙醇NMR信号,核磁共振仪的发展,50年代初出现30-40MHz核磁共振仪；至1958年普遍使用
2、60MHz核磁共振仪 60年代开始发展超导核磁共振装置，出现100220-250MHz的仪器，此前都是连续波扫描，仅限于质子磁共振的测量。 70年代，Fourier变换技术（FT）技术用于核磁共振，使得13C-NMR等应用得以实现。仪器向更高磁场发展，出现300、400、500、800、900MHz的仪器。目前已出现1000 MHz的仪器。 目前一台核磁共振仪不仅可测氢谱，而且可测13C, 15N, 19F等其他多种核（换不同探头既可），既可做一维谱也可做二维相关谱。,NMR原理： 一、 原子核的自旋,原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象，因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数 由于原
3、子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且磁矩与角动量成正比，即 = p 式中：为旋磁比，即核磁矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比，它是磁核的一个特征值；为磁矩；,核的自旋角动量()是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述：式中：h为普朗克常数（6.631034Js）；I为自旋量子数，I 的取值取决于原子序数 (Z) 和原子的质量数(A)。I = 0， =0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号； 只有当I 0时，才能发生共振吸收,产生共振信号,自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系：,质量数A
4、 原子序数Z 自旋量子数I NMR信号 原子核偶数 偶数 0 无 12C6 16O832S16 奇数 奇或偶数 1/2 有 1H1，13C619F9，15N7，31P15奇数 奇或偶数 3/2, 5/2 有 17O8，33S16偶数 奇数 1, 2, 3 有 2H1，14N7,I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布，核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是NMR主要的研究对象。 I1/2的原子核，自旋过程中电荷在核表面非均匀分布，共振吸收复杂，研究应用较少：,有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振信号相对简
5、单，已广泛用于有机化合物的结构测定 核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰度和旋磁比的立方成正比，如1H的天然丰度为99.985%，19F和31P的丰度均为100%，因此，它们的共振信号较强，容易测定，而13C的天然丰度只有1.1%，很有用的15N和17O核的丰度也在1%以下，它们的共振信号都很弱，必须在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有用的信息。,二、 核磁共振现象,自旋量子数 I=1/2的原子核，可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁,按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取向数不是任意的，当置于外加磁场时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种
6、取向： 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;,两种取向不完全与外磁场平行,5424 和12536,相互作用, 产生进动(拉莫进动)进动频率 0； 角速度0；0 = 2 0 = B0 磁旋比； B0外磁场强度；两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E= 2B0 （磁矩）,高能自旋态与低能自旋态的能量之差,E=+B0,E=-B0,高低自旋态能量的差值（ E ） 与外加磁场的强度成正比。,三、核的自旋弛豫,前面讨论的是单个自旋核在磁场中的行为，而实际测定中，观察到的是大量自旋核组成的体系。一组1H核在磁场
7、作用下能级被一分为二，如果这些核平均分布在高低能态，也就是说，由低能态吸收能量跃迁到高能态和高能态释放出能量回到低能态的速度相等时，就不会有静吸收，也测不出核磁共振信号。但事实上，在热力学温度0K时，全部1H核都处于低能态（取顺磁方向），而在常温下，由于热运动使一部分的1H核处于高能态（取反磁方向），在一定温度下处于高低能态的核数会达到一个热平衡。处于低能态的核和处于高能态的核的分布，可由玻尔兹曼分配定律算出。例如B0=1.4092T , T=300K时，则:,Boltzmann分布,式中：N+ 处于低能态核的数目；N- 处于高能态核的数目；E 高低能态的能量差；K Boltzmann常数；T
8、绝对温度,饱和：对于氢核，处于低能态的核比高能态的核稍多一点，约百万分之十左右。也就是说，在1 000 000个氢核中，低能态的核仅比高能态的核多十个左右，而NMR信号就是靠这极弱量过剩的低能态氢核产生的。如果低能态的核吸收电磁波能量向高能态跃迁的过程连续下去，那么这极微量过剩的低能态氢核就会减少，吸收信号的强度也随之减弱。最后低能态与高能态的核数趋于相等，使吸收信号完全消失，这时发生“饱和”现象。 驰豫：但是，若较高能态的核能够及时回复到较低能态，就可以保持稳定信号。由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量E 是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量返回到低能态（如发射
9、光谱那样），这种由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程称为驰豫（relaxation）过程,驰豫过程：自旋-晶格驰豫和自旋-自旋驰豫,自旋晶格驰豫（spin-lattice relaxation）：自旋晶格驰豫也称为纵向驰豫，是处于高能态的核自旋体系与其周围的环境之间的能量交换过程。当一些核由高能态回到低能态时，其能量转移到周围的粒子中去，对固体样品，则传给晶格，如果是液体样品，则传给周围的分子或溶剂。自旋晶格驰豫的结果使高能态的核数减少，低能态的核数增加，全体核的总能量下降。一个体系通过自旋晶格驰豫过程达到热平衡状态所需时间，通常用半衰期T1表示，T1是处于高能态核寿命的一个量度
10、。T1越小，表明驰豫过程的效率越高，T1越大，则效率越低，容易达到饱和。T1的大小与核的种类，样品的状态，温度有关。固体样品的振动、转动频率较小，不能有效地产生纵向驰豫，T1较长，可以达到几小时。对于气体或液体样品，T1一般只有 104102s。,自旋自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全体核的总能量也不改变。自旋自旋驰豫时间用T2来表示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固定，利于核间能量传递转移，T2约103s。而非粘稠
11、液体样品，T2约1s。,自旋自旋驰豫虽然与体系保持共振条件无关，但却影响谱线的宽度。核磁共振谱线宽度与核在激发状态的寿命成反比。对于固体样品来说，T1很长，T2却很短，T2起着控制和支配作用，所以谱线很宽。而在非粘稠液体样品中，T1和T2一般为1s左右。所以要得到高分辨的NMR谱图，通常把固体样品配成溶液进行测定,四、核磁共振条件与核磁共振,在外磁场中, 核有自旋(磁性核),原子核能级产生裂分, 由低能级向高能级跃迁, 需要吸收能量,核自旋能级的能量差: E=2H0,电磁波的能量: E=hv0,核磁共振的条件: hv0=2H0,核磁共振：当电磁波的能量与核自旋能级的能量差相等 时，处于低能态的
12、自旋核吸收一定频率的电磁波 跃迁到高能态上去的这种现象就叫核磁共振。,从该式可以看出，使共振发生可以采取两种方法：,固定 V0 改变 H0 更方便, 故现在大多数仪器是采取扫场的方式。,将上式变形得：,(1) 固定磁场强度 H0, 改变无线电频率 V0 。,(2) 固定无线电频率 V0, 改变磁场强度 H0 。,（扫频）,（扫场）,以100MHz的仪器为例假如把所有的质子信号都画在约50厘米的记录纸上，要画出高磁场的最靠近质子的19F信号，就要把纸头往右边延长3.7公里左右,五、屏蔽效应与化学位移,当自旋原子核处在一定强度的磁场中, 根据公式v = B0 / 2可以计算出该核的共振频率, 例如
13、, 当1H核受到60MHz的射频作用时，其共振的磁场强度为1.409T。如果有机化合物的所有质子（1H）的共振频率一样, 核磁共振谱上就只有一个峰, 这样核磁共振对有机化学也就毫无用处了; 1950年Protor和Dickinson等发现:某一个质子实受磁场强度不完全与外部磁场强度相同。质子由电子云包围, 而电子在外部磁场垂直的平面上环流时, 会产生与外部磁场方向相反的感应磁场,屏蔽作用,核周围的电子对核的这种作用，叫做屏蔽作用/屏蔽效应，各种质子在分子内的环境不完全相同，电子云的分布情况不一样，因此，不同质子会受到不同强度的感应磁场的作用，即不同程度的屏蔽作用，那么，核真正受到的磁场强度为：
14、 B=B0（1）（为屏蔽常数） 因此共振频率与磁场强度之间有如下关系：,为正数，表示感应磁场与外加磁场方向相反，称为屏蔽或正屏蔽或抗磁屏蔽效应； 为负数，表示感应磁场与外加磁场方向相同，称为去屏蔽或负屏蔽或顺磁屏蔽效应 理解要点： 电子环流因外加磁场而产生感应磁场 磁力线呈封闭态,化学位移,如果磁场强度固定而改变频率，或将射频固定而改变磁场强度时，不同环境的质子（即具有不同屏蔽参数的质子）会一个接一个地产生共振。不同类型氢核因所处的化学环境不同，共振峰将出现在磁场的不同区域。这种由于分子中各组质子所处的化学环境不同，而在不同的磁场产生共振吸收的现象称为化学位移,化学位移表示方法,因为化学位移数
15、值很小，质子的化学位移只有所用磁场的百万分之几，所以要准确测定其绝对值比较困难。实际工作中，由于磁场强度无法精确测定，故常将待测氢核共振峰所在磁场B0(sample)与某标准物氢核共振峰所在磁场B0(ref) 进行比较，把这个相对距离叫做化学位移，并以表示：,式中：B0(sample) 是待测氢核共振时所在磁场B0( ref ) 是参考标准物氢核共振时所在磁场由于磁场强度的测定比较困难，而精确测量待测氢核相对于参考氢核的吸收频率却比较方便：,常用内标物是四甲基硅烷（tetramethylsilane 简称TMS） TMS的优点： 结构对称，质子数目多只加入少量就可给出很强的单峰信号；Si 的电
16、负性小质子外围电荷密度高屏蔽效应强, 在高场发生共振吸收。 绝大多数有机物的吸收场强比它低； 沸点低，容易回收样品； 化学性质稳定，与样品不能发生缔合以及可使溶剂位移影响降低至最小等,用表示化学位移可以消除同一质子使用不同仪器测定所造成的差别：,仪器频率 位移频率 化学位移 ()60兆赫 120 HZ100兆赫 200 HZ,补充内容： NMR样品的制备：,试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg; 标样浓度（四甲基硅烷 TMS） ： 1%； 溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳； 氘代溶剂：氯仿, 丙酮, 苯, 二甲基亚砜的氘代物;,补充内容：
17、核磁共振波谱仪,主要组成部分：磁铁、射频振荡器、射频接收器等,磁铁：可以是永久磁铁，也可以是电磁铁，前者稳定性好。磁场要求在足够大的范围内十分均匀。当磁场强度为1.409T时，其不均匀性应小于六千万分之一。这个要求很高，即使细心加工也极难达到。因此在磁铁上备有特殊的绕组，以抵消磁场的不均匀性。磁铁上还备有扫描线圈，可以连续改变磁场强度的百万分之十几。可在射频振荡器的频率固定时，改变磁场强度，进行扫描。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.4T，这相应于氢核的共振频率为100MHz。对于200MHz以上高频谱仪采用超导磁体。由含铌合金丝缠绕的超导线圈完全浸泡在液氦中间，对超导线圈缓慢地通入
18、电流，当超导线圈中的电流达到额定值（即产生额定的磁场强度时），使线圈的两接头闭合，只要液氦始终浸泡线圈，含铌合金在此温度下的超导性则使电流一直维持下去。使用超导磁体，可获得1017.5T的磁场，其相应的氢核共振频率为400750 MHz。,射频振荡器：用于产生射频，NMR仪通常采用恒温下石英晶体振荡器。射频振荡器的线圈垂直于磁场，产生与磁场强度相适应的射频振荡。一般情况下，射频频率是固定的，振荡器发生60MHz（对于1.409T磁场）或100MHz（对于2.350T磁场）的电磁波只对氢核进行核磁共振测定。要测定其它的核，如19F，13C，11B，则要用其它频率的振荡器,射频接收器线圈：在试样管
19、的周围，并于振荡器线圈和扫描线圈相垂直，当射频振荡器发生的频率v0与磁场强度B0达到前述特定组合时，放置在磁场和射频线圈中间的试样就要发生共振而吸收能量，这个能量的吸收情况为射频接收器所检出，通过放大后记录下来。所以核磁共振波谱仪测量的是共振吸收,样品探头是一种用来使样品管保持在磁场中某一固定位置的器件，探头中不仅包含样品管，而且包括扫描线圈和接收线圈，以保证测量条件一致。为了避免扫描线圈与接收线圈相互干扰，两线圈垂直放置并采取措施防止磁场的干扰,仪器中还备有积分仪，能自动划出积分曲线，以指出各组共振峰的面积。 NMR仪其工作过程，将样品管（内装待测的样品溶液）放置在磁铁两极间的狭缝中，并以一定的速度（如5060周/s）旋转，使样品受到均匀的磁场强度作用。射频振荡器的线圈在样品管外，向样品发射固定频率（如100MHz、200MHz）的电磁波。安装在探头中的射频接收线圈探测核磁共振时的吸收信号。由扫描发生器线圈连续改变磁场强度，由低场至高场扫描，在扫描过程中，样品中不同化学环境的同类磁核，相继满足共振条件，产生共振吸收，接受器和记录系统就会把吸收信号经放大并记录成核磁共振图谱。,
