第9章核磁共振波谱法.ppt

第九章 核磁共振波谱法,在外磁场作用下，某些有磁矩的原子核能产生核自旋能级分裂。当用一定频率的电磁辐射照射分子时，如果其能量大小刚好等于某原子核相邻两个核自旋能级的能量差，则原子核将从低自旋能级跃迁到高自旋能级，这种现象称为核磁共振（nuclear magnetic resonance）。,第一节 概述,以核磁共振信号强度对照射频率（或磁场强度）作图，所得图谱即为核磁共振波谱（nuclear magnetic resonance spectrum，NMR）。利用核磁共振波谱对物质进行定性、定量及结构分析的方法称为核磁共振波谱法。,自旋量子数I0的原子核有自旋现象。其中I1/2的核，核电荷呈球形均匀分布于核表面，如1H、13C、15N、19F、31P等，它们的核磁共振现象较为简单，是核磁共振研究的主要对象。目前研究和应用最多的是1H和13C的核磁共振波谱。下面以1H即质子为例介绍核磁共振的基本原理。,第二节 基本原理,原子核由于自旋而具有磁性，质子自旋时产生一个微小磁场，就像一个小磁铁一样。在外加磁场的作用下，它将有两种排列方式：一种是其磁场方向与外加磁场方向相同，另一种是其磁场方向与外加磁场方向相反。,这两种排列方式分别相应于它的低能级和高能级。当质子吸收能量后，就会从低能级跃迁到高能级，这种能量的吸收和其它吸收光谱一样也是量子化的。两个能级的能量差为,磁感应强度,磁旋比,B0的单位为T（特斯拉，Tesla），的单位为T-1s-1。每种核都有其特定值，质子的为2.68108。,用电磁波照射处于外磁场中的质子，当电磁波的能量（E=hv0）恰好等于两能级的能量差时，自旋核就会吸收能量从低能级跃迁至高能级，这种现象称为核磁共振。这时,质子发生核磁共振吸收电磁波的频率，即共振频率为,例如，在外磁场B0=4.69 T的超导磁体中，质子的共振频率为,无线电波区（射频去）,由式 可知，要获得NMR谱，可有两种方式：一种是固定磁感应强度B0，连续改变电磁波频率v0进行扫描达到共振条件，称为扫频；另一种是固定电磁波频率v0，连续改变磁感应强度B0进行扫描达到共振条件，称为扫场。,核磁共振波谱仪的种类和型号很多，但仪器的结构和组成基本相同，一般由强磁场、磁场扫描发生器、射频振荡器、探头、射频接受器和记录处理系统等组成。其工作原理如下,第三节 核磁共振仪,将装有试样的样品管插入处于两磁极的探头中央。样品溶液应为不粘滞液体，固体样品可用非质子溶剂（如CCl4、CS2）或氘代溶剂（如D2O、CDCl3）溶解配成溶液。测定时，利用高速气流使样品管均匀快速旋转，使样品感受的磁场均匀。绕在磁铁两极上的扫描线圈，,在磁场扫描发生器的控制下，可在一定范围内连续改变磁场强度。射频振荡器产生一定频率的电磁波，以用来激发核。固定射频振荡器产生的电磁波频率，连续改变磁场强度进行扫描，当射频振荡器发射的电磁波频率v0与磁感应强度B0之间的关系符合共振关系时，,被测物分子中的质子就吸收能量而发生核磁共振，产生的共振吸收信号和扫场的磁场强度通过射频接受器送到记录处理系统，即可获得核磁共振波谱图。,右图为乙醇的核磁共振波谱图，从图上可以得到三方面的信息，即化学位移、积分线以及自旋耦合情况，这些信息对分子结构分析非常重要。,第四节 核磁共振波谱,1.化学位移 如果分子中所有质子的共振频率都相同，则根据共振式，核磁共振谱图上就只有一个吸收峰，它对分子结构的分析毫无价值。但实际情况并非如此，从乙醇的核磁共振波谱可见，图谱上有三个吸收峰，即出现了三种不同质子的核磁共振信号。,这是因为质子在分子中的位置及环境不同，其周围的电子云密度不同的缘故。当质子自旋时，其周围的电子云也随之转动，在外加磁场作用下发生环流，产生一个与外加磁场方向相反的小感应磁场，这时质子实际“感觉”到的磁场B比孤立质子（也称裸核）理论所需外加磁感应强度B0稍有降低（百万分之几），这种现象称为屏蔽效应。,由于屏蔽效应的存在，核磁共振的条件应为,式中，称为屏蔽常数。,从式可知，质子周围电子云密度越大，屏蔽作用越大，越大，质子对外界磁场的实际“感觉”越小，要使核外有电子云的核产生核磁共振，外磁场强度必须增大。,质子在分子中所处的化学环境不同，核外电子云密度不同，受到的屏蔽作用就不同。屏蔽作用强，则共振吸收峰将出现在高场，反之，则出现在低场。这种由于质子周围化学环境不同，其核磁共振频率发生位移的现象叫化学位移（chemical shift）。,因为化学位移的数值极其微小，很难测量其绝对值，并且化学位移的大小与仪器的磁场强度或电磁波频率有关，磁场强度或电磁波频率不同，同一化学环境质子的化学位移也不相同。为了便于比较，一般选用一种参考物质作标准，采用相对化学位移（简称化学位移）来表示，其定义为,式中，v标准、B标准分别为标准物质的共振频率和共振磁感应强度；v样品、B样品、分别为样品的共振频率和共振磁感应强度；B0和v0为仪器的磁感应强度和电磁波频率。,通常以四甲基硅烷（TMS）作为标准物质，并规定其 值为0。影响化学位移的因素主要有相邻基团的电负性、磁各向异性、杂化效应、氢键和溶剂效应等。,2.积分线 乙醇的核磁共振波谱中从左到右呈阶梯形的曲线称为积分线。质子的核磁共振吸收信号的强度（吸收峰面积）与处于某一化学环境的质子数目有关，这是分析化合物分子结构的又一重要信息。吸收信号的强度用吸收峰面积的积分值表示，而积分线的高度则表示积分值的大小。,3.自旋耦合 乙醇的高分辨NMR和乙醇的低分辨NMR相比，可以看到（a）处甲基上质子的共振吸收峰分裂为三重峰，（b）处亚甲基上质子的共振吸收峰分裂为四重峰。这种峰的分裂是由于自旋的质子之间相互作用引起的。这种作用称为自旋-自旋耦合（spin-spin coupling）。,由于自旋耦合使得相邻核所需的外磁场强度（或电磁波频率）发生更微小的改变，或加强或减弱，在高分辨的NMR谱中会引起共振吸收峰分裂，所以又叫自旋-自旋分裂（spin-spin splitting）。,两个分裂峰之间的距离称为偶合常数（coupling constant），用J表示，见图。J值的大小反映了相邻质子之间相互作用的大小。J 值的大小与外磁场强度无关。,五、核磁共振波谱的应用 核磁共振波谱法是研究分子结构的重要工具之一，在化学、生物、医药卫生和临床等领域应用广泛。,1.在分子结构研究方面的应用 核磁共振波谱是研究分子结构的重要工具之一，可用来研究分子的立体结构（构型和构象）、互变异构、反应机理等。综合核磁共振波谱图中的各种信息，可以对物质的分子结构进行推断。,从化学位移可以推断各种质子的化学环境，如邻近基团的电子效应及空间效应等。从峰的分裂情况和耦合常数可以推断邻近质子的数目和种类。从各组吸收峰的相对积分面积可推断各类质子的比例或个数。,2.在定量分析方面的应用 核磁共振波谱中峰的积分线高度与相应的质子数成正比，不仅可用于分子结构分析，而且还可用于定量分析。核磁共振波谱定量的最大优点是不需要引进任何校正因子，且不需要化合物的纯样品就可直接测出其浓度。,例如英国药典1988年版中规定庆大霉素用NMR法测定。更为重要的是，核磁共振在测定混合物中各组份的含量时更显出其优越性，尤其是一些平衡体系中各组分的定量，如酮式和烯醇式共存体系中各组分的定量。但由于仪器价格昂贵等缺点，该法不是常用的定量方法。,3.在医药卫生方面的应用 由于核磁共振可深入物体内部，且具有不破坏样品的特点，因此在原位、在体、实时、无损、活体分析方面有广泛的应用前景。如活性酶的结构、病变组织与正常组织的鉴别、药物与受体之间的作用机制等，,尤其是以1HNMR基本原理为基础发展起来的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI），在临床诊断中既能提供类似X射线断层扫描（CT）的纵向截面图，又不产生辐射损伤，已成为许多大医院的常规诊断设备。,除了1H以外，自然界中还有100多种同位素的核具有磁矩，也可以用NMR方法进行研究。但迄今为止，只研究了其中少数几种核的共振行为。,