第13章核磁共振波谱分析法名师编辑PPT课件.ppt

第第13章章 核磁共振波谱分析法核磁共振波谱分析法Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,NMR13-1 概述n将有磁性的自旋原子核放入强磁场中，以将有磁性的自旋原子核放入强磁场中，以适当频率的电磁波辐射，原子核吸收射频适当频率的电磁波辐射，原子核吸收射频辐射发生能级跃迁，产生核磁共振吸收现辐射发生能级跃迁，产生核磁共振吸收现象，从而获得有关化合物分子骨架信息，象，从而获得有关化合物分子骨架信息，这种方法称为这种方法称为核磁共振波谱分析法核磁共振波谱分析法。n以以1H为研究对象获得的谱图称为为研究对象获得的谱图称为氢谱氢谱，记，记做做1H-NMR；以；以13C为研究对象获得的谱图为研究对象获得的谱图称为称为碳谱碳谱，记做，记做13C NMR。与紫外、红外吸收光谱的比较与紫外、红外吸收光谱的比较n共同点共同点：都属于分子吸收电磁辐射后在不同：都属于分子吸收电磁辐射后在不同能级上的跃迁而产生的。能级上的跃迁而产生的。n不同点不同点：紫外可见吸收光谱波长在：紫外可见吸收光谱波长在200400nm、400800nm波段范围内，引起分子波段范围内，引起分子电子能级的跃迁。红外吸收光谱波长在电子能级的跃迁。红外吸收光谱波长在0.75-1000m波段范围内，引起分子振动、转动能波段范围内，引起分子振动、转动能级的跃迁。核磁共振波谱吸收的是能量很低级的跃迁。核磁共振波谱吸收的是能量很低的电磁辐射区，引起的电磁辐射区，引起核自旋能级核自旋能级的裂分。的裂分。设计设计NMRNMR仪器的关键考虑仪器的关键考虑a)NMRa)NMR产生的外因：外加磁场产生的外因：外加磁场b)NMRb)NMR信号信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定c)c)样品的吸收频率范围：无线电电磁波样品的吸收频率范围：无线电电磁波d)NMRd)NMR谱记录：吸收峰频率谱记录：吸收峰频率(化学位移）与峰强度的关系化学位移）与峰强度的关系n20世纪世纪40年代中期，以两位美国科学家年代中期，以两位美国科学家Bloch和和 Purcell为首的为首的研究小组几乎同时发现核磁共振现象。因此，他们两人获得研究小组几乎同时发现核磁共振现象。因此，他们两人获得1952年的诺贝尔物理奖；年的诺贝尔物理奖；n1953年，美国年，美国Varian公司研制成功第一台商品化的核磁共振仪公司研制成功第一台商品化的核磁共振仪（30MHz）；）；n1966年高分辨率核磁共振仪问世年高分辨率核磁共振仪问世;n1991年诺贝尔化学奖单独授予瑞士科学家年诺贝尔化学奖单独授予瑞士科学家Ernst；n2002年诺贝尔化学奖授予瑞士科学家年诺贝尔化学奖授予瑞士科学家Wthrich，表彰他利用多，表彰他利用多维核磁共振技术在测定溶液中生物大分子三维结构方面的开创维核磁共振技术在测定溶液中生物大分子三维结构方面的开创性贡献。性贡献。核磁共振基本原理核磁共振基本原理n有自旋现象的原子核，应具有自旋角动量有自旋现象的原子核，应具有自旋角动量（P），自旋产生磁矩），自旋产生磁矩。磁矩。磁矩和角动量和角动量P都量矢量，方向平行都量矢量，方向平行 Pn核自旋是量子化的，用自旋量子数核自旋是量子化的，用自旋量子数I表示表示 1)I(I2hP I I 0 0的核为磁性核，可以产生的核为磁性核，可以产生NMRNMR信号。信号。I=0I=0的核为非磁性核，无的核为非磁性核，无NMRNMR信号。信号。图示：磁性核在外加磁场中的行为图图1:(1)1:(1)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(2)(2)放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行平行或反平行 图图2:(1)2:(1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2)(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行 （高能量）两种，出现能量差（高能量）两种，出现能量差 E=hE=h。用能量等于用能量等于 E E的电磁波照射的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能上的某些核会被激发到高能级上去级上去(或核自旋由与磁场或核自旋由与磁场平行方向转为反平行平行方向转为反平行)。NMRNMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS核磁共振基本原理核磁共振基本原理n质量数为奇数，质子数为奇数或偶数的核是磁性，质量数为奇数，质子数为奇数或偶数的核是磁性，如如11H、136C、199F等等I1/2；115B、3517Cl等原子核的等原子核的I3/2n质量数为偶数，质子数也为偶数的核不是磁性的，质量数为偶数，质子数也为偶数的核不是磁性的，I0目前主要研究目前主要研究I1/2的核，如的核，如1H，13C等。等。核磁共振基本原理核磁共振基本原理n自旋核在外磁场中，与外磁场相互作用，核磁矩有不同取向，可用磁量自旋核在外磁场中，与外磁场相互作用，核磁矩有不同取向，可用磁量子数表示。子数表示。m=I,I-1,I-2,-I 每种取向对应一种能量，每种取向对应一种能量，E（m/I）B01H在外磁场中只有在外磁场中只有m=1/2及及m=-1/2两种取向两种取向 m=1/2 E1/2=-1/2(B0)/1/2B0 m=-1/2 E1/2=1/2(B0)/1/2B0低能态（低能态（m=1/2）,核磁矩与外磁场同向，高能态（核磁矩与外磁场同向，高能态（m=-1/2）核磁矩与外磁方）核磁矩与外磁方向相反向相反 EE1/2E1/22 B0 核磁共振现象和产生条件核磁共振现象和产生条件对氢核对氢核I=1/2 E2B0 摩尔进动（摩尔进动（Larmor precession）:原子核一边自旋，原子核一边自旋，一边围绕外加磁场方向回旋。一边围绕外加磁场方向回旋。拉摩尔进动时有一定的频率，称为拉摩尔进动时有一定的频率，称为拉摩尔进动频率拉摩尔进动频率。IBE0n 020B0 上式被称为核磁共振方程或核磁共振条件。上式被称为核磁共振方程或核磁共振条件。（1）不同的原子核，）不同的原子核，不同，发生共振的条件不同。当不同，发生共振的条件不同。当B0一定时，一定时，值大的原子核，在相同磁场强度下发生值大的原子核，在相同磁场强度下发生核磁能级跃迁时的射频波频率高；反之，核磁能级跃迁时的射频波频率高；反之，值小的原子值小的原子核，在相同磁场强度下发生核磁能级跃迁时的射频波核，在相同磁场强度下发生核磁能级跃迁时的射频波频率低，频率低，200Bn（2）对于相同的原子核，）对于相同的原子核，是相同的。是相同的。B0一定时，一定时，0也一定，也一定，B0改变时，改变时，0也随之改变。也随之改变。实现核磁共振方法：实现核磁共振方法：a、B0不变，改变不变，改变，称为称为扫频扫频;b、0不变，改变不变，改变B，称为，称为扫场扫场。n当用一定能量的射频电磁波照射原子核，当外加当用一定能量的射频电磁波照射原子核，当外加磁感应强度达到某一数值时，能量满足下式：磁感应强度达到某一数值时，能量满足下式：E2B0h 核吸收能量，产生跃迁，发生核磁共振现象核吸收能量，产生跃迁，发生核磁共振现象。3 弛豫过程弛豫过程n高能级的核回到低能级时释放出的能量高能级的核回到低能级时释放出的能量很小，不可能通过发射光谱的形式实现，很小，不可能通过发射光谱的形式实现，这种由高能级回到低能级不发射吸收的这种由高能级回到低能级不发射吸收的能量，而是通过非辐射的方式实现的过能量，而是通过非辐射的方式实现的过程，称为程，称为弛豫（弛豫（relaxation）过程。）过程。n弛豫过程分纵向弛豫、横向弛豫两类弛豫过程分纵向弛豫、横向弛豫两类 106个氢核中处于低能级的核比高能级的核多个氢核中处于低能级的核比高能级的核多10个左右。个左右。纵向弛豫纵向弛豫n纵向弛豫又称自旋晶格弛豫纵向弛豫又称自旋晶格弛豫 （spin-lattic relaxation）高能态的核将其能量转移到周围介质而高能态的核将其能量转移到周围介质而返回到低能态。（通常把溶剂、添加物或其返回到低能态。（通常把溶剂、添加物或其他种类的核统称为晶格）即高能态的核自旋他种类的核统称为晶格）即高能态的核自旋通过能量交换，把多余的能量转给晶格而回通过能量交换，把多余的能量转给晶格而回到低能态。到低能态。横向弛豫（自旋自旋弛豫）横向弛豫（自旋自旋弛豫）n横向弛豫是进行旋进动的核接近时相互横向弛豫是进行旋进动的核接近时相互之间交换自旋而产生的，即高能态的核之间交换自旋而产生的，即高能态的核与低能态的核非常接近时产生自旋交换，与低能态的核非常接近时产生自旋交换，一个核的能量被转移到另一个核，这就一个核的能量被转移到另一个核，这就叫叫n横向弛豫机制没有增加低能态核的数目横向弛豫机制没有增加低能态核的数目而是缩短了该核处于高能态或低能态的而是缩短了该核处于高能态或低能态的时间，谱带变宽。时间，谱带变宽。13-2 13-2 核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪n核磁共振仪由五部分组成：磁铁、磁场核磁共振仪由五部分组成：磁铁、磁场扫描发生器、射频振荡器、射频接收器扫描发生器、射频振荡器、射频接收器和检测器、样品容器。和检测器、样品容器。13-2 13-2 核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪n磁铁：提供高度均匀和稳定的磁场，通常用水磁铁：提供高度均匀和稳定的磁场，通常用水来冷却，温度保持来冷却，温度保持2035范围内。范围内。n扫描发生器：沿着外磁场方向绕上扫描线圈，扫描发生器：沿着外磁场方向绕上扫描线圈，可以在小范围内精确连续地调节外加磁场强度可以在小范围内精确连续地调节外加磁场强度进行扫描。进行扫描。n射频振荡器：与扫描线圈相垂直的方向绕上射射频振荡器：与扫描线圈相垂直的方向绕上射频发射线圈，置于样品管外，发射频率与磁感频发射线圈，置于样品管外，发射频率与磁感应强度相适应的射频波。应强度相适应的射频波。n射频接收器和检测器：沿着样品管轴的射频接收器和检测器：沿着样品管轴的方向绕上接收线圈，接收共振信号。接方向绕上接收线圈，接收共振信号。接收线圈、扫描线圈、发射线圈三者互相收线圈、扫描线圈、发射线圈三者互相垂直，互不干扰。垂直，互不干扰。n样品容器：样品容器由不吸收射频辐射样品容器：样品容器由不吸收射频辐射的材料制成，通常以硼硅酸盐玻璃制成。的材料制成，通常以硼硅酸盐玻璃制成。13-2 核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪13-2 核磁共振波谱仪的分类核磁共振波谱仪的分类 连续波核磁共振波谱仪连续波核磁共振波谱仪（continuous wave）、脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪(pulse and fourier transform NMR,PFT-NMR)1 连续波核磁共振波谱仪连续波核磁共振波谱仪 采用扫场或扫频的连续扫描方式，称采用扫场或扫频的连续扫描方式，称 连续波核磁共振波谱仪中一般用连续波核磁共振波谱仪中一般用永久性磁铁永久性磁铁或或电磁铁电磁铁，在磁场扫描或频率扫描状态下，使不同的，在磁场扫描或频率扫描状态下，使不同的核依次满足共振条件而获得核磁共振谱图。核依次满足共振条件而获得核磁共振谱图。n脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪 脉冲傅里叶变换波谱仪大多是超导核磁共脉冲傅里叶变换波谱仪大多是超导核磁共振波谱仪，使用振波谱仪，使用超导磁铁超导磁铁产生高强磁场。产生高强磁场。与连续波核磁共振波谱仪相比，脉冲傅里与连续波核磁共振波谱仪相比，脉冲傅里叶交换共振波谱仪分析速度快、灵敏度高。可叶交换共振波谱仪分析速度快、灵敏度高。可测定测定1H、13C谱，谱，NOE谱、谱、13C的的DEPT谱及各谱及各种二维三维谱。种二维三维谱。7.3.2 核磁共振波谱仪的分类核磁共振波谱仪的分类磁场强度与灵敏度、分辨率的关系磁场强度与灵敏度