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核磁共振 NuclearMagneticResonance NMR 1 化学位移为什么用TMS作为基准 2 NMR应用范围 3 NMR提供的信息有哪些 问题 1 核磁共振 NMR 发展历史及进展 3 核磁共振的基本原理 4 核磁共振波谱法的特点 5 核磁共振仪分类及应用范围 2 NMR所能提供的信息 核磁共振 NuclearMagneticResonance NMR 的发展 1939年 拉比 I Rabi 通过试验高温蒸发后的物质观测到了核磁共振现象 并获得了1944年的诺贝尔物理学奖 核磁共振的现象是美国斯坦福大学的F Block和哈佛大学的E M Purcell于1945年同时发现的 为此 他们两人共享了1952年的诺贝尔物理学奖 1953年 美国Varian公司首先试制了NMR波谱仪 开始应用于化学领域并并逐步推广 NMR新进展 仪器向更高的磁场发展 以获得更高的灵敏度和分辨率 利用各种新的脉冲系列 发展了NMR的理论和技术 在应用方面作了重要的开拓 提出并实现了二维 三维及多维核磁共振谱 多量子跃迁等NMR测定新技术 在归属复杂分子的谱线方面非常有用固体高分辨NMR技术 HPLC NMR联用技术 碳 氢以外核的研究等多种测定技术的实现大大扩展了NMR的应用范围 核磁共振成像技术等新的分支学科出现 可无损测定和观察物体以及生物活体内非均匀体系的图像 在许多领域有广泛应用 成为当今医学诊断的重要手段 核磁共振 NuclearMagneticResonance NMR 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 提供质子 碳骨架结构的信息鉴定有机物 金属有机物等分子结构的工具定量分析 核磁共振的基本原理 7 一 核磁共振是磁矩不为零的原子核 在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂 共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程 二 原子核的自旋与磁性原子核与电子类似 也有自旋现象 核的自旋可以用自旋量子数来描述 自旋量子数的取值取决于原子序数和原子的质量数 核磁共振波谱法的特点 1 与通常的吸收光谱法相比 其来源不同 它来源于原子核自旋跃迁所得吸收谱 2 应用范围广 有机 无机 定性 结构分析 定量3 不需要标准样品可直接进行定量 4 不破坏样品 5 只能研究磁性核 固体样品不能直接分析 必须转化为溶液 对气体样品灵敏度较低 核磁共振谱可以得到与化合物分子结构相关的信息 如从化学位移可以判断各组磁性核的类型 在核磁共振氢谱可以判断烷基氢 烯氢 芳氢 羟基氢 氨基氢 醛基氢等 在核磁共振碳谱可以判别饱和碳 烯碳 芳环碳 羰基碳等 11 化学位移 由于感应磁场的屏蔽或去屏效应 使得化学环境不同的质子在不同的磁场强度下发生共振吸收的现象就叫做化学位移 12 化学位移的零点规定 四甲基硅烷 TMS 的 0ppm 仪器的零点 13 化学位移的表示不同质子间化学位移的差值约在1 15 百万 用磁场强度 H 或电磁波频率 表示都不方便 因而规定用一个相对的量 来表示 单位是ppm 百万分之一 14 影响化学位移的因素 质子化学位移值的大小取决于它所处的电子环境 主要影响因素有 一 电负性的影响当键合质子的碳上连有电负性较大的原子或基团时 因质子外围的电荷密度降低 产生的感应磁场较弱 对质子的屏蔽作用减小 使共振吸收移向低场 15 二 磁的各向异性效应 感应磁场在空间不同的位置具有不同的方向或加强外磁场或对抗外磁场 这种现象叫磁的各向异性效应 三 氢键的影响 氢键的形成使得价电子对质子的屏蔽作用减弱 共振吸收移向低场 无氢键缔合的质子则在高场发生共振吸收 1HNMR 氢原子具有磁性 电磁波照射氢原子核 它能通过共振吸收电磁波能量 发生跃迁 特征峰的数目反映了有机分子中氢原子化学环境的种类 不同特征峰的强度比 及特征峰的高度比 反映了不同化学环境氢原子的数目比 化学位移 氢原子在分子中的化学环境不同 而显示出不同的吸收峰 峰与峰之间的差距 17 1H1NMR谱可以给出如下信息 1 峰的数目 分子中有多少种不同类型的氢 2 峰的位置 分子中氢的类别 3 峰的强度 每种氢的数目 4 峰的裂分数目 邻近碳上氢原子的个数 18 质子数目的确定 积分曲线法 依据 吸收峰的面积与产生吸收的质子数目成正比 积分曲线的高度之比等于每组峰的质子数目之比 积分曲线法 各组质子峰积分曲线的高度之和除以质子的总数 得到每个质子所占有的积分曲线高度 用其除每组积分曲线的高度 就得到每组峰质子的数目 13CNMR概述 有机化合物中的碳原子构成了有机物的骨架 因此观察和研究碳原子的信号对研究有机物有着非常重要的意义 自然界丰富的12C的I 0 没有核磁共振信号 而I 1 2的13C核 虽然有核磁共振信号 但其天然丰度仅为1 1 故信号很弱 给检测带来了困难 在早期的核磁共振研究中 一般只研究核磁共振氢谱 1HNMR 直到上个世纪70年代脉冲傅立叶变换核磁共振谱仪问世 核磁共振碳谱 13CNMR 的工作才迅速发展起来 这期间随着计算机的不断更新发展 核磁共振碳谱的测试技术和方法也在不断的改进和增加 如偏共振去偶 可获得13C 1H之间的偶合信息 DEPT技术可识别碳原子级数等 因此从碳谱中可以获得极为丰富的信息 核磁共振碳谱的特点 1 信号强度低2 化学位移范围宽3 耦合常数大4 弛豫时间长5 共振方法多6 图谱简单 13CNMR化学位移一般来说 碳谱中化学位移 C 是最重要的参数 它直接反映了所观察核周围的基团 电子分布的情况 即核所受屏蔽作用的大小 碳谱的化学位移对核所受的化学环境是很敏感的 它的范围比氢谱宽得多 一般在0 250ppm 对于分子量在300 500的化合物 碳谱几乎可以分辨每一个不同化学环境的碳原子 而氢谱有时却严重重迭 不同结构与化学环境的碳原子 它们的 C从高场到低场的顺序与和它们相连的氢原子的 H有一定的对应性 但并非完全相同 如饱和碳在较高场 炔碳次之 烯碳和芳碳在较低场 而羰基碳在更低场 分子有不同的构型和构象时 C比 H更为敏感 碳原子是分子的骨架 分子间的碳核的相互作用比较小 不像处在分子边缘上的氢原子 分子间的氢核相互作用比较大 所以对于碳核 分子内的相互作用显得更为重要 和氢谱一样 碳谱的化学位移 C也是以TMS或某种溶剂峰为基准的 核磁共振定量分析 内标法 内标法是将一定量的纯物质作内标物 加入到准确称量的试样中 根据被测试样和内标物的质量比及其相应的色谱峰面积之比 来计算被测组分的含量 选一与欲测组分相近但能完全分离的组分做内标物 当然是样品中没有的组分 然后配制欲测组分和内标物的混合标准溶液 进样得相对校正因子 再将内标物加入欲测组分的样品中 进样后测得欲测组分和内标物的定量参数 用内标法公式计算即可 内标法的优点是测定的结果较为准确 由于通过测量内标物及被测组分的峰面积的相对值来进行计算的 因而在一定程度上消除了操作条件等的变化所引起的误差 内标法的缺点是操作程序较为麻烦 每次分析时内标物和试样都要准确称量 有时寻找合适的内标物也有困难 内标物选择 选择内标物有四个条件 1 内标物应是该试样中不存在的纯物质 2 它必须完全溶于试样中 并与试样中各组分的色谱峰能完全分离 3 加入内标物的量应接近于被测组分 4 色谱峰的位置应与被测组分的色谱峰的位置相近 或在几个被测组分色谱峰中间 核磁共振仪分类 按射频源和扫描方式的不同可分为连续波核磁共振谱仪 CW NMR 和脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪 PFT NMR 连续波核磁共振谱仪 CW NMR 组成 主要由磁铁 射频发射器 检测器 放大器及记录仪等组成 样品溶液原子核处于核跃迁玻兹曼平衡恢复到平衡 H 脉冲激发 FID 时间域 频率域 脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪 PFT NMR 与连续波仪器不同 它增设了脉冲程序控制器和数据采集处理系统与CW NMR比较 PFT NMR灵敏度很高 测试时间短 而CW NMR价格低廉 易操作 但是灵敏度差 需要样品量大 NMR谱仪 400MHz600MHz750MHz900MHz 应用范围 有机化学药物化学物理学高分子化学络合物化学 生物化学临床医学环境化学食品化学众多工业部门 核磁共振成像 MRI 发现病变 核磁共振成像是一种利用核磁共振原理的最新医学影像新技术 对脑 甲状腺 肝 胆 脾 肾 胰 肾上腺 子宫 卵巢 前列腺等实质器官以及心脏和大血管有绝佳的诊断功能 发现肿瘤 核磁共振对颅脑 脊髓等疾病是目前最有效的影像诊断方法 不仅可以早期发现肿瘤 脑梗塞 脑出血 脑脓肿 脑囊虫症及先天性脑血管畸形 还能确定脑积水的种类及原因等 对人无害 由于核磁共振是磁场成像 没有放射性 所以对人体无害 是非常安全的 据了解 目前世界上既没有任何关于使用核磁共振检查引起危害的报道 也没有发现患者因进行核磁共振检查引起基因突变或染色体畸变发生率增高的现象 2 NMR应用范围 1 化学位移为什么用TMS作为基准 1 12个氢处于完全相同的化学环境 只产生一个尖峰 2 屏蔽强烈 位移最大 与有机化合物中的质子峰不重迭 3 化学惰性 易溶于有机溶剂 沸点低 易回收 有机化学药物化学物理学高分子化学络合物化学 生物化学临床医学环境化学食品化学众多工业部门 3 NMR提供的信息有哪些 提供质子 碳骨架结构的信息鉴定有机物 金属有机物等分子结构定量分析