第一章核磁共振波谱分析法课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章,磁共振波谱技术,nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR,),生物用核磁共振仪,台式核磁共振仪,The Winner of The Nobel Prize in,Physics,(1952),R. R. Ernst,恩斯特,The Winner of The Nobel Prize in,Chemistry,(1991),K. W,thrich(,维特里希因,）,The Winner of The Nobel Prize in,biomacromolecule,(2002),核磁共振领域诺贝尔奖获得者,E. M. Purcell,珀赛尔,F. Bloch,布洛赫,1946,年发现核磁共振现象,FT-NMR and 2DNMR,发明了利用,核磁共振,技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法,S. P. Mansfield (,彼得曼斯菲尔德,),University of Nottingham,英国,P. C. Lauterbur(,保罗劳特布尔,), University of Illinois,美国,2003,年诺贝尔生理学和医学奖获得者,核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。,核磁共振基本原理,图谱解析与结构鉴定,核磁共振波谱仪,第一节核磁共振基本原理,principle of NMR,原子核的自旋,核磁共振条件,弛豫过程,一、概述,(,introduction),核磁共振（简称为,NMR,）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（,10,-1,10,2,MHz,数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。,核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于,吸收谱（波谱）,范畴。,根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究,纯化合物结构,、,混合物成分,及,定量分析,等。,特点：,与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于,原子核自旋跃迁所得吸收谱；,应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、,定量等；,不需要标准样品，可直接进行定量；,不破坏样品；,只能研究磁性核 。,核磁共振现象产生的条件？,一、原子核的自旋,atomic nuclear spin,原子核的自旋特性，在量子力学中用自旋量子数,I,描述原子核的运动状态。而自旋量子数,I,的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。,若原子核存在自旋，产生自旋角动量：,原子核的基本属性：质量和电荷数。,自旋量子数（,I,）与质量数（,A,）、质子数（,Z,）、中子数（,N,）有关：,=,核 磁 矩：,（,:,磁旋比）,原子核的磁性,质量数 质子数 中子数 自旋量子数,核磁性,实例,（,A,） （,Z,） （,N,） （,I,）,偶数 偶数 偶数,0,无,12,C,16,O,32,S,偶数 奇数 奇数,1,，,2,，,3,.,有,2,H,14,N,奇数,奇数或偶数 偶数或奇数,1/2,；,3/2,；,5/2,.,有,1,H,13,C,17,O,19,F,31,P,质量数,质子数,I,NMR,信号,原子核,偶数,偶数,0,无,12,C,6,16,O,8,32,S,16,奇数,奇或偶数,1/2,有,1,H,1,13,C,6,19,F,9,15,N,7,31,P,15,奇数,奇或偶数,3/2 5/2,有,11,B,5,35,Cl,17,79,Br,35,81,Br,35,17,O,8,33,S,16,偶数,奇数,1,2,3,有,2,H,1,14,N,7,讨论,:,(1),I,=0,的原子核,16,O,；,12,C,；,22,S,等,，,无自旋，没有磁矩，,不产生共振吸收,(2),I,=1,或,I,1,的原子核,I,=1,：,2,H,，,14,N,I,=3/2,：,11,B,，,35,Cl,，,79,Br,，,81,Br,I,=5/2,：,17,O,，,127,I,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；,(3),1/2,的原子核,1,H,，,13,C,，,19,F,，,31,P,原子核可看作核电荷均,匀分布的球体，并象陀螺一,样自旋，有磁矩产生，是,核,磁共振研究的主要对象,，,C,，,H,也是有机化合物的主要,组成元素。,磁性核在外磁场中的行为,拉莫尔进动,当置于外加磁场,H,0,中时，相对于外磁场，可以有（,2,I,+1,）种自旋取向：,I,=1/2,的核，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,E,H,0,0,无磁场,外加磁场,m =,-,1/2 E,2,m =1/2 E,1,E,根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核磁场作用能,E,，即各能级的能量为,I=1/2,的核自旋能级裂分与,H,0,的关系,I=1/2的,核在磁场中，由低能级,(E,1,),向高能级,(E,2,),跃迁时，所需的能量,(,E,),为,E,与核的磁旋比和外磁场强度成正比。,二、核磁共振条件,condition of nuclear magnetic resonance,在外磁场中，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。,当发生核磁共振时，原子核磁能级的能级差必然等于电磁波的能量，则：,共振条件,(1),核有自旋,(,磁性核,),(2),外磁场,能级裂分,;,(3),照射频率与外磁场的比值,0,/,H,0,=,/ (2 ),共振条件：,0,= ,H,0,/ (2 ),（,1,）对于同一种核 ，磁旋比 为定值，,H,0,变，射频频率变。,（,2,）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度,H,0,和射频频率不同。,（,3,） 固定,H,0,，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处发生共振。 也可固定 ，改变,H,0,（扫场）。扫场方式应用较多。,氢核（,1,H,）：,1.409 T,共振频率,60 MHz,2.305 T,共振频率,100 MHz,磁场强度,H,0,的单位：,1,高斯（,GS,）,=10,-4,T,（特斯拉）,三、弛豫过程,不同能级上分布的核数目可由,Boltzmann,定律计算：,磁场强度,2.3488 T,；,25C,；,1,H,的共振频率与分配比：,两能级上核数目差：,1.610,-5,；,弛豫,(relaxtion),高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,饱和,(saturated),低能态的核等于高能态的核。,在,NMR,中，弛豫过程有两种方式，即,自旋,晶格弛豫和自旋,自旋弛豫。,自旋,晶格弛豫,，又称纵向弛豫，用,T,1,表示；,自旋,自旋弛豫,，又称横向弛豫，用,T,2,表示。,第二节核磁共振与化学位移,NMR and,chemical shift,核磁共振与化学位移,影响化学位移的因素,一、核磁共振与化学位移,nuclear magnetic resonance and chemical shift,推导条件：,理想化的、裸露的氢核,产生单一的吸收峰；,(1),核有自旋,(,磁性核,),(2),外磁场,能级裂分,;,(3),照射频率与外磁场的比值,0,/,H,0,=,/ (2 ),共振条件,目前，常用的原子核有：,1,H,、,11,B,、,13,C,、,17,O,、,19F,、,31P,。,H,=,（,1-,）,H,0,：,屏蔽常数。,越大，屏蔽效应越大。,0,= ,/ (,2 ) ,（,1-,）,H,0,屏蔽的存在，共振需更强的外磁场,(,相对于裸露的氢核,),。,屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：,1.,化学位移,（,chemical shift,）,0,= ,/ (,2 ) ,（,1-,）,H,0,在有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为,化学位移，,用,表示,。,2.,化学位移的表示方法,(1),位移的标准,没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。,相对标准：四甲基硅烷,Si(CH,3,),4,（,TMS,）（内标）,位移常数,TMS,=0,(2),为什么用,TMS,作为基准,?,a. 12,个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；,b.,屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；,c.,化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,位移的表示方法,与裸露的氢核相比，,TMS,的化学位移最大，但规定,TMS,=0,，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。,= ,（ ,样,- ,TMS,) / ,0,10,6,0,影响,的测量值。,小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；,大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；,二、影响化学位移的因素,factors influenced chemical shift,（,1,）电负性、氢键,-,去屏蔽效应,与,H,核相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离,H,核，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。,-CH,3,，,=1.62.0,，,高场；,-CH,2,I,，,=3.0 3.5,-O-H,，,-C-H,，,大,小,低场 高场,（,2,）溶剂效应,最理想的溶剂：,CCl,4,CS,2,常用的溶剂：氯仿（,CHCl,3,）、丙酮（,CH,3,COCH,3,),一般采用氘代衍生物。,第三节自旋耦合与自旋裂分,spin coupling and spin splitting,自旋偶合与自旋裂分,峰裂分数与峰面积,磁等同与磁不等同,一、自旋偶合与自旋裂分,spin coupling and spin splitting,每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。,原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；,峰的裂分,峰的裂分原因,:,自旋偶合,相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；,多重峰的峰间距：偶合常数（,J,），用来衡量偶合作用的大小。,二、峰裂分数与峰面积,number of pear splitting and pear areas,峰裂分数：,n+1,规律；,n:,相邻碳原子上的状态相同的,H,核数； 相对强度比符合二项式（,a+b),n,展开式的系数比。,峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。,峰裂分数,(,一）,1:1,1:3:3:1,1:1,1:2:1,1:6:15:20:15:6:1,1:1,1,H,核与,n,个等价,1,H,核相邻时，裂分峰数：,(,n,+1),峰裂分数（二）,1,H,核与,n,个不等价,1,H,核相邻时，裂分峰数：,（,n,1,+1)(,n,2,+1),个；,(n,b,+1)(n,c,+1)(n,d,+1)=2,2 2=8,H,a,裂分为,8,重峰,H,a,裂分为多少重峰？,0,1,2,3,4,J,ca,J,ba,J,ca,J,ba,H,a,裂分峰,:,(3+1)(2+1)=12,实际,H,a,裂分峰,:,(5+1)=6,强度比近似为：,1:5:10:10:5:1,三、化学等价和磁等同,magnetically equivalent,1.,化学等价（化学位移等价）,若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。,分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核称为磁等同的核。,2.,磁等同,磁等同例子：,三个,H,核,化学等同,磁等同,二个,H,核化学等同，磁等同,二个,F,核化学等同，磁等同,六个,H,核,化学等同,磁等同,两核（或基团）磁等同条件,化学等价（化学位移相同）,对组外任一个核具有相同的偶合常数（数值和键数）,第四节,谱图解析与化合物结构确定,analysis of spectrograph and structure determination,谱图中化合物的结构信息,简化谱图的方法,谱图解析,谱图联合解析,一、谱图中化合物的结构信息,structure information of compound in spectrograph,（,1,）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类,多少种,；,（,2,）峰的面积,(,积分线,),：每类质子的数目,(,相对,),多少个,；,（,3,）峰的位移,(,),：,每类质子所处的化学环境，,化合物中,位置,；,（,4,）峰的裂分数：,相邻碳原子上质子数,；,（,5,）偶合常数,(,J,),：,确定化合物构型,。,邻苯二甲酸二乙酯的,NMR,谱图,CAS,：,84-66-2,分子式：,C,12,H,14,O,4,分子量：,222.24,一级谱的特点,裂分峰数符和,n+1,规律，相邻的核为磁等价即只有一个偶合常数,J,；若相邻,n,个核，,n,1,个核偶合常数为,J,1,，,n,2,个核偶合常数为,J,2,，,n= n,1+,n,2,则裂分峰数为,（,n,1,+1)( n,2,+1),峰组内各裂分峰强度比,(,a,+b),n,的展开系数,从谱图中可直接读出,和,J,，化学位移,在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（,Hz,）为偶合常数,J,非一级谱（二级谱）,一般情况下，谱峰数目超过,n+1,规律所计算的数目,组内各峰之间强度关系复杂,一般情况下，,和,J,不能从谱图中直接读出,二、,简化谱图的方法,methods of simpling spectrograph,1.,采用高场强仪器,60,MHz,100,MHz,220,MHz,H,C,H,B,H,A,2.,溶剂效应及活泼氢,D,2,O,交换反应,核磁共振谱的测定，一般使用氘代溶剂,（如,CDCl,3,），以避免普通溶剂分子中,H,的干扰。同一质子在不同的溶剂中，所测得的,值往往不同。这种由于溶剂的影响而引起化学位移发生变化的现象称为,溶剂效应,。,一般含有,OH,、,SH,、,NH,等活泼质子的样品，溶剂效应更明显。因此核磁共振图谱都标出测定时所使用的溶剂。,对于含有活泼氢的样品，可先用一般方法测定图谱，然后加入几滴重水,(D,2,O),，再测定图谱，在后一张图谱中信号消失的质子便是活泼质子，同时在,=4.7ppm,处出现,HDO,单峰,。,常用溶剂及其化学位移,名 称,氯仿,-d,1,二甲基亚砜,-d,6,分子式,丙酮,-d,6,重水,化学位移,/ppm,1,H,13,C,CHCl,3,-d,1,(CH,3,),2,CO-d,6,H,2,O-d,2,(CH,3,),2,SO-d,6,苯,-d,6,甲醇,-d,4,吡啶,-d,5,C,6,H,6,-d,6,CH,3,OH-d,4,C,6,H,5,N-d,5,7.27 76.9,2.05 206, 29.1,4.0,2.5 39.6,7.20 128.0,3.34, 4.11 49.0,7.18, 7.57, 149.9, 135.5,8.57 123.5,三、谱图解析,步骤,由分子式求不饱合度,由积分曲线求,1,H,核的相对数目,解析各基团,再解析：,(,低场信号,),最后解析,：,芳烃质子和其它质子,首先解析：,spectrum unscrambling,活泼氢,D,2,O,交换，解析消失的信号,由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析,参考,IR,，,UV,，,MS,和其它数据推断结构,得出结论，验证结构,6,个质子处于完全相同的化学环境，单峰。,没有直接与强吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。,1.,谱图解析（,1,）,质子,a,与质子,b,所处的化学环境不同，两个单峰。,单峰：没有相邻碳原子（或相邻碳原子无质子）,质子,b,直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，峰在低场（相对于质子,a,）出现。,质子,b,也受其影响，峰也向低场位移。,谱图解析（,2,）,第五节,核磁共振波谱仪,nuclear magnetic,resonance spectrometer,连续波核磁共振波谱仪,1,永久磁铁或电磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。,2,射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。,60MHz,或,100MHz,。,3,射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。,4,样品管：外径,5mm,的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。,核磁共振波谱仪,傅立叶变换核磁共振波谱仪,不是通过扫场或扫频产生共振；,恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。,（类似于一台多道仪）,超导核磁共振波谱仪：,永久磁铁和电磁铁：,磁场强度,100 kG,开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。,超导核磁共振波谱仪：,200-600MHz,；可高达,800-900MHz,；,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,1 mg,；,标样浓度,（四甲基硅烷,TMS,） ：,1%,；,溶剂,：,1,H,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等。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,