核磁共振波譜法-3課件

1、核磁共振波譜法_3課件核磁共振波譜法_3課件 自旋量子數(shù)I0的原子核有自旋現(xiàn)象。其中I1/2的核，核電荷呈球形均勻分布于核表面，如1H、13C、15N、19F、31P等，它們的核磁共振現(xiàn)象較為簡單，是核磁共振研究的主要對象。目前研究和應(yīng)用最多的是1H和13C的核磁共振波譜。下面以1H即質(zhì)子為例介紹核磁共振的基本原理。第二節(jié) 基本原理 自旋量子數(shù)I0的原子核有自旋現(xiàn)象。其中I 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，就像一個(gè)小磁鐵一樣。在外加磁場的作用下，它將有兩種排列方式：一種是其磁場方向與外加磁場方向相同，另一種是其磁場方向與外加磁場方向相反。 原子核由于自旋而具有磁性，質(zhì)子自

2、旋時(shí)產(chǎn)生一個(gè)這兩種排列方式分別相應(yīng)于它的低能級和高能級。當(dāng)質(zhì)子吸收能量后，就會從低能級躍遷到高能級，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)能級的能量差為磁感應(yīng)強(qiáng)度磁旋比這兩種排列方式分別相應(yīng)于它的低能級和高能級。當(dāng)質(zhì)子吸收能量后B0的單位為T（特斯拉，Tesla），的單位為T-1s-1。每種核都有其特定值，質(zhì)子的為2.68108。B0的單位為T（特斯拉，Tesla），的單位為T-1s- 用電磁波照射處于外磁場中的質(zhì)子，當(dāng)電磁波的能量（E = hv0）恰好等于兩能級的能量差時(shí)，自旋核就會吸收能量從低能級躍遷至高能級，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。這時(shí) 用電磁波照射處于外磁場中的質(zhì)子，當(dāng)電磁波

3、的能 質(zhì)子發(fā)生核磁共振吸收電磁波的頻率，即共振頻率為 例如，在外磁場B0 = 4.69 T的超導(dǎo)磁體中，質(zhì)子的共振頻率為無線電波區(qū)（射頻去） 質(zhì)子發(fā)生核磁共振吸收電磁波的頻率，即共振頻率由式 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，連續(xù)改變電磁波頻率v0進(jìn)行掃描達(dá)到共振條件，稱為掃頻；另一種是固定電磁波頻率v0，連續(xù)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B0進(jìn)行掃描達(dá)到共振條件，稱為掃場。由式 可知，要獲得NM 核磁共振波譜儀的種類和型號很多，但儀器的結(jié)構(gòu)和組成基本相同，一般由強(qiáng)磁場、磁場掃描發(fā)生器、射頻振蕩器、探頭、射頻接受器和記錄處理系統(tǒng)等組成。其工作原理如下第三節(jié) 核磁共振儀 核磁共振波譜

4、儀的種類和型號很多，但儀器的結(jié)構(gòu)和核磁共振波譜法_3課件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)，使樣品感受的磁場均勻。繞在磁鐵兩極上的掃描線圈，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)為不粘在磁場掃描發(fā)生器的控制下，可在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變磁場強(qiáng)度。射頻振蕩器產(chǎn)生一定頻率的電磁波，以用來激發(fā)核。固定射頻振蕩器產(chǎn)生的電磁波頻率，連續(xù)改變磁場強(qiáng)度進(jìn)行掃描，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)

5、，在磁場掃描發(fā)生器的控制下，可在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變磁場強(qiáng)度。射被測物分子中的質(zhì)子就吸收能量而發(fā)生核磁共振，產(chǎn)生的共振吸收信號和掃場的磁場強(qiáng)度通過射頻接受器送到記錄處理系統(tǒng)，即可獲得核磁共振波譜圖。 被測物分子中的質(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，這些信息對分子結(jié)構(gòu)分析非常重要。第四節(jié) 核磁共振波譜 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1. 化學(xué)位移 如果分子中所有質(zhì)子的共振頻率都相同，則根據(jù)共振式，核磁共振譜圖上就只有一個(gè)吸收峰，它對分子結(jié)構(gòu)的分析毫無價(jià)值。但實(shí)際情況

6、并非如此，從乙醇的核磁共振波譜可見，圖譜上有三個(gè)吸收峰，即出現(xiàn)了三種不同質(zhì)子的核磁共振信號。1. 化學(xué)位移這是因?yàn)橘|(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)，在外加磁場作用下發(fā)生環(huán)流，產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場方向相反的小感應(yīng)磁場，這時(shí)質(zhì)子實(shí)際“感覺”到的磁場B比孤立質(zhì)子（也稱裸核）理論所需外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B0稍有降低（百萬分之幾），這種現(xiàn)象稱為屏蔽效應(yīng)。這是因?yàn)橘|(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由于屏蔽效應(yīng)的存在，核磁共振的條件應(yīng)為式中， 稱為屏蔽常數(shù)。由于屏蔽效應(yīng)的存在，核磁共振的條件應(yīng)為式中， 稱為屏蔽常數(shù)從式可知，質(zhì)子周圍

7、電子云密度越大，屏蔽作用越大， 越大，質(zhì)子對外界磁場的實(shí)際“感覺”越小，要使核外有電子云的核產(chǎn)生核磁共振，外磁場強(qiáng)度必須增大。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)質(zhì)子在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同，核外電子云密度不同，受到的屏蔽作用就不同。屏蔽作用強(qiáng)，則共振吸收峰將出現(xiàn)在高場，反之，則出現(xiàn)在低場。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)生位移的現(xiàn)象叫化學(xué)位移（chemical shift）。質(zhì)子在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同，核外電子云密度不同，受到的屏因?yàn)榛瘜W(xué)位移的數(shù)值極其微小，很難測量其絕對值，并且化學(xué)位移的大小與儀器的磁場強(qiáng)度或電磁波頻率有關(guān)，磁場強(qiáng)度或電磁波頻率不同

8、，同一化學(xué)環(huán)境質(zhì)子的化學(xué)位移也不相同。為了便于比較，一般選用一種參考物質(zhì)作標(biāo)準(zhǔn)，采用相對化學(xué)位移（簡稱化學(xué)位移）來表示，其定義為因?yàn)榛瘜W(xué)位移的數(shù)值極其微小，很難測量其絕對值，并且化學(xué)位移的核磁共振波譜法_3課件式中，v標(biāo)準(zhǔn)、B標(biāo)準(zhǔn)分別為標(biāo)準(zhǔn)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。式中，v標(biāo)準(zhǔn)、B標(biāo)準(zhǔn)分別為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的共振頻率和共振磁感應(yīng)強(qiáng)度通常以四甲基硅烷（TMS）作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并規(guī)定其 值為0。 影響化學(xué)位移的因素主要有相鄰基團(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。通常以四甲基硅烷（TMS）作為

9、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并規(guī)定其 值為0。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結(jié)構(gòu)的又一重要信息。吸收信號的強(qiáng)度用吸收峰面積的積分值表示，而積分線的高度則表示積分值的大小。2. 積分線核磁共振波譜法_3課件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）。3. 自

10、旋耦合 乙醇的高分辨NMR和乙醇的低核磁共振波譜法_3課件由于自旋耦合使得相鄰核所需的外磁場強(qiáng)度（或電磁波頻率）發(fā)生更微小的改變，或加強(qiáng)或減弱，在高分辨的NMR譜中會引起共振吸收峰分裂，所以又叫自旋-自旋分裂（spin-spin splitting）。由于自旋耦合使得相鄰核所需的外磁場強(qiáng)度（或電磁波頻率）發(fā)生更 兩個(gè)分裂峰之間的距離稱為偶合常數(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 值的大小與外磁場強(qiáng)度無關(guān)。 兩個(gè)分裂峰之間的距離稱為偶合常數(shù)（coupl五、核磁共振波譜的應(yīng)用 核磁共振波譜法是研究分子結(jié)構(gòu)的重要工具之一，在化學(xué)、生

11、物、醫(yī)藥衛(wèi)生和臨床等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。五、核磁共振波譜的應(yīng)用1. 在分子結(jié)構(gòu)研究方面的應(yīng)用 核磁共振波譜是研究分子結(jié)構(gòu)的重要工具之一，可用來研究分子的立體結(jié)構(gòu)（構(gòu)型和構(gòu)象）、互變異構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等。綜合核磁共振波譜圖中的各種信息，可以對物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行推斷。1. 在分子結(jié)構(gòu)研究方面的應(yīng)用從化學(xué)位移可以推斷各種質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境，如鄰近基團(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)可以推斷鄰近質(zhì)子的數(shù)目和種類。從各組吸收峰的相對積分面積可推斷各類質(zhì)子的比例或個(gè)數(shù)。從化學(xué)位移可以推斷各種質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境，如鄰近基團(tuán)的電子效應(yīng)及2. 在定量分析方面的應(yīng)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

12、，不僅可用于分子結(jié)構(gòu)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)是不需要引進(jìn)任何校正因子，且不需要化合物的純樣品就可直接測出其濃度。2. 在定量分析方面的應(yīng)用例如英國藥典1988年版中規(guī)定慶大霉素用NMR法測定。更為重要的是，核磁共振在測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)格昂貴等缺點(diǎn)，該法不是常用的定量方法。例如英國藥典1988年版中規(guī)定慶大霉素用NMR法測定。更為重3. 在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的應(yīng)用 由于核磁共振可深入物體內(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應(yīng)用前景。如活性酶的結(jié)構(gòu)、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，3. 在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的應(yīng)用尤其是以1HNMR基本原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的磁共振成像（magnetic resonance im