核磁共振波譜法(2)ppt課件

1、第九章 核磁共振波譜法 在外磁場(chǎng)作用下，某些有磁矩的原子核能產(chǎn)生核自旋能級(jí)分裂。當(dāng)用一定頻率的電磁輻射照射分子時(shí)，假設(shè)其能量大小剛好等于某原子核相鄰兩個(gè)核自旋能級(jí)的能量差，那么原子核將從低自旋能級(jí)躍遷到高自旋能級(jí)，這種景象稱為核磁共振nuclear magnetic resonance。第一節(jié) 概述 以核磁共振信號(hào)強(qiáng)度對(duì)照射頻率或磁場(chǎng)強(qiáng)度作圖，所得圖譜即為核磁共振波譜nuclear magnetic resonance spectrum，NMR。利用核磁共振波譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)展定性、定量及構(gòu)造分析的方法稱為核磁共振波譜法。 自旋量子數(shù)I0的原子核有自旋景象。其中I1/2的核，核電荷呈球形均勻分布于核

2、外表，如1H、13C、15N、19F、31P等，它們的核磁共振景象較為簡(jiǎn)單，是核磁共振研討的主要對(duì)象。目前研討和運(yùn)用最多的是1H和13C的核磁共振波譜。下面以1H即質(zhì)子為例引見核磁共振的根本原理。第二節(jié) 根本原理 原子核由于自旋而具有磁性，質(zhì)子自旋時(shí)產(chǎn)生一個(gè)微小磁場(chǎng)，就像一個(gè)小磁鐵一樣。在外加磁場(chǎng)的作用下，它將有兩種陳列方式：一種是其磁場(chǎng)方向與外加磁場(chǎng)方向一樣，另一種是其磁場(chǎng)方向與外加磁場(chǎng)方向相反。這兩種陳列方式分別相應(yīng)于它的低能級(jí)和高能級(jí)。當(dāng)質(zhì)子吸收能量后，就會(huì)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這種能量的吸收和其它吸收光譜一樣也是量子化的。兩個(gè)能級(jí)的能量差為02BrhE磁感應(yīng)強(qiáng)度磁旋比B0的單位為T特斯

3、拉，Tesla，的單位為T-1s-1。每種核都有其特定值，質(zhì)子的為2.68108。 用電磁波照射處于外磁場(chǎng)中的質(zhì)子，當(dāng)電磁波的能量E = hv0恰好等于兩能級(jí)的能量差時(shí)，自旋核就會(huì)吸收能量從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)，這種景象稱為核磁共振。這時(shí) 002Brhhv 質(zhì)子發(fā)生核磁共振吸收電磁波的頻率，即共振頻率為 002Brv 例如，在外磁場(chǎng)B0 = 4.69 T的超導(dǎo)磁體中，質(zhì)子的共振頻率為MHz 2003.142T 69. 4sT 1068. 221180Bv無線電波區(qū)射頻去由式 可知，要獲得NMR譜，可有兩種方式：一種是固定磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，延續(xù)改動(dòng)電磁波頻率v0進(jìn)展掃描到達(dá)共振條件，稱為掃頻；另一種

4、是固定電磁波頻率v0，延續(xù)改動(dòng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B0進(jìn)展掃描到達(dá)共振條件，稱為掃場(chǎng)。002Brv 核磁共振波譜儀的種類和型號(hào)很多，但儀器的構(gòu)造和組成根本一樣，普通由強(qiáng)磁場(chǎng)、磁場(chǎng)掃描發(fā)生器、射頻振蕩器、探頭、射頻接受器和記錄處置系統(tǒng)等組成。其任務(wù)原理如下第三節(jié) 核磁共振儀 將裝有試樣的樣品管插入處于兩磁極的探頭中央。樣品溶液應(yīng)為不粘滯液體，固體樣品可用非質(zhì)子溶劑如CCl4、CS2或氘代溶劑如D2O、CDCl3溶解配成溶液。測(cè)定時(shí)，利用高速氣流使樣品管均勻快速旋轉(zhuǎn)，使樣品感受的磁場(chǎng)均勻。繞在磁鐵兩極上的掃描線圈，在磁場(chǎng)掃描發(fā)生器的控制下，可在一定范圍內(nèi)延續(xù)改動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。射頻振蕩器產(chǎn)生一定頻率的電磁波，以用

5、來激發(fā)核。固定射頻振蕩器產(chǎn)生的電磁波頻率，延續(xù)改動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)展掃描，當(dāng)射頻振蕩器發(fā)射的電磁波頻率v0與磁感應(yīng)強(qiáng)度B0之間的關(guān)系符合共振關(guān)系時(shí)，被測(cè)物分子中的質(zhì)子就吸收能量而發(fā)生核磁共振，產(chǎn)生的共振吸收信號(hào)和掃場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)過射頻接受器送到記錄處置系統(tǒng)，即可獲得核磁共振波譜圖。 右圖為乙醇的核磁共振波譜圖，從圖上可以得到三方面的信息，即化學(xué)位移、積分線以及自旋耦合情況，這些信息對(duì)分子構(gòu)造分析非常重要。第四節(jié) 核磁共振波譜 1. 化學(xué)位移 假設(shè)分子中一切質(zhì)子的共振頻率都一樣，那么根據(jù)共振式，核磁共振譜圖上就只需一個(gè)吸收峰，它對(duì)分子構(gòu)造的分析毫無價(jià)值。但實(shí)踐情況并非如此，從乙醇的核磁共振波譜可見，圖

6、譜上有三個(gè)吸收峰，即出現(xiàn)了三種不同質(zhì)子的核磁共振信號(hào)。這是由于質(zhì)子在分子中的位置及環(huán)境不同，其周圍的電子云密度不同的緣故。當(dāng)質(zhì)子自旋時(shí)，其周圍的電子云也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生環(huán)流，產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場(chǎng)方向相反的小感應(yīng)磁場(chǎng)，這時(shí)質(zhì)子實(shí)踐“覺得到的磁場(chǎng)B比孤立質(zhì)子也稱裸核實(shí)際所需外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B0稍有降低百萬分之幾，這種景象稱為屏蔽效應(yīng)。由于屏蔽效應(yīng)的存在，核磁共振的條件應(yīng)為)1 (200Brv式中， 稱為屏蔽常數(shù)。從式可知，質(zhì)子周圍電子云密度越大，屏蔽作用越大， 越大，質(zhì)子對(duì)外界磁場(chǎng)的實(shí)踐“覺得越小，要使核外有電子云的核產(chǎn)生核磁共振，外磁場(chǎng)強(qiáng)度必需增大。)1 (200Brv質(zhì)子在分子中所處

7、的化學(xué)環(huán)境不同，核外電子云密度不同，遭到的屏蔽作用就不同。屏蔽作用強(qiáng)，那么共振吸收峰將出如今高場(chǎng)，反之，那么出如今低場(chǎng)。這種由于質(zhì)子周圍化學(xué)環(huán)境不同，其核磁共振頻率發(fā)生位移的景象叫化學(xué)位移chemical shift。由于化學(xué)位移的數(shù)值極其微小，很難丈量其絕對(duì)值，并且化學(xué)位移的大小與儀器的磁場(chǎng)強(qiáng)度或電磁波頻率有關(guān)，磁場(chǎng)強(qiáng)度或電磁波頻率不同，同一化學(xué)環(huán)境質(zhì)子的化學(xué)位移也不一樣。為了便于比較，普通選用一種參考物質(zhì)作規(guī)范，采用相對(duì)化學(xué)位移簡(jiǎn)稱化學(xué)位移來表示，其定義為6010BBB樣品標(biāo)準(zhǔn)6010vvv樣品標(biāo)準(zhǔn)式中，v規(guī)范、B規(guī)范分別為規(guī)范物質(zhì)的共振頻率和共振磁感應(yīng)強(qiáng)度；v樣品、B樣品、分別為樣品的共

8、振頻率和共振磁感應(yīng)強(qiáng)度；B0和v0為儀器的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁波頻率。通常以四甲基硅烷TMS作為規(guī)范物質(zhì)，并規(guī)定其 值為0。 影響化學(xué)位移的要素主要有相鄰基團(tuán)的電負(fù)性、磁各向異性、雜化效應(yīng)、氫鍵和溶劑效應(yīng)等。2. 積分線 乙醇的核磁共振波譜中從左到右呈階梯形的曲線稱為積分線。質(zhì)子的核磁共振吸收信號(hào)的強(qiáng)度吸收峰面積與處于某一化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子數(shù)目有關(guān)，這是分析化合物分子構(gòu)造的又一重要信息。吸收信號(hào)的強(qiáng)度用吸收峰面積的積分值表示，而積分線的高度那么表示積分值的大小。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處甲基上質(zhì)子的共振吸收峰分裂為三重峰，b處亞甲基上質(zhì)子的共振吸收峰分裂為

9、四重峰。這種峰的分裂是由于自旋的質(zhì)子之間相互作用引起的。這種作用稱為自旋-自旋耦合spin-spin coupling。由于自旋耦合使得相鄰核所需的外磁場(chǎng)強(qiáng)度或電磁波頻率發(fā)生更微小的改動(dòng)，或加強(qiáng)或減弱，在高分辨的NMR譜中會(huì)引起共振吸收峰分裂，所以又叫自旋-自旋分裂spin-spin splitting。 兩個(gè)分裂峰之間的間隔稱為巧合常數(shù)coupling constant，用J表示，見圖。J值的大小反映了相鄰質(zhì)子之間相互作用的大小。J 值的大小與外磁場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)。五、核磁共振波譜的運(yùn)用五、核磁共振波譜的運(yùn)用 核磁共振波譜法是研討分子構(gòu)造核磁共振波譜法是研討分子構(gòu)造的重要工具之一，在化學(xué)、生物、醫(yī)

10、的重要工具之一，在化學(xué)、生物、醫(yī)藥衛(wèi)生和臨床等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。藥衛(wèi)生和臨床等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。1. 在分子構(gòu)造研討方面的運(yùn)用 核磁共振波譜是研討分子構(gòu)造的重要工具之一，可用來研討分子的立體構(gòu)造構(gòu)型和構(gòu)象、互變異構(gòu)、反響機(jī)理等。綜合核磁共振波譜圖中的各種信息，可以對(duì)物質(zhì)的分子構(gòu)造進(jìn)展推斷。從化學(xué)位移可以推斷各種質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境，如臨近基團(tuán)的電子效應(yīng)及空間效應(yīng)等。從峰的分裂情況和耦合常數(shù)可以推斷臨近質(zhì)子的數(shù)目和種類。從各組吸收峰的相對(duì)積分面積可推斷各類質(zhì)子的比例或個(gè)數(shù)。2. 在定量分析方面的運(yùn)用 核磁共振波譜中峰的積分線高度與相應(yīng)的質(zhì)子數(shù)成正比，不僅可用于分子構(gòu)造分析，而且還可用于定量分析。核磁共振波譜定量的最大優(yōu)點(diǎn)是不需求引進(jìn)任何校正因子，且不需求化合物的純樣品就可直接測(cè)出其濃度。例如英國(guó)藥典1988年版中規(guī)定慶大霉素用NMR法測(cè)定。更為重要的是，核磁共振在測(cè)定混合物中各組份的含量時(shí)更顯出其優(yōu)越性，尤其是一些平衡體系中各組分的定量，如酮式和烯醇式共存體系中各組分的定量。但由于儀器價(jià)錢昂貴等缺陷，該法不是常用的定量方法。3. 在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的運(yùn)用 由于核磁共振可深化物體內(nèi)部，且具有不破壞樣品的特點(diǎn)，因此在原位、在體、實(shí)時(shí)、無損、活體分析方面有廣泛的運(yùn)用前景。如活性酶的構(gòu)造、病變組織與正常組織的鑒別、藥物與受體之間的作用機(jī)制等，尤其是以