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1、核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,NMR)陆丽娟,1 NMR简介2 NMR基本原理3 NMR仪器及组成4 波谱分析,1 NMR简介,1.1 NMR在分析中的地位1.1.1 常见波谱 四大波谱：核磁（NMR），质谱（MS），红外/拉曼（IR/Raman），紫外（UV）。其它：X射线衍射1.1.2 作用 MS主要解决的是分子量 IR/Raman主要解决的是官能团的问题 X衍射主要解决的是晶体的结构 NMR：不但能解决官能团，而且可以解决官能团之间的连接问题，以及分子之间的相互作用。,1.2 基本知识,NMR是研究处于磁场中的原子核对射频
2、辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。在强磁场中，原子核发生能级分裂，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm,4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁 产生所谓NMR现象。射频辐射 原子核(强磁场下能级分裂)吸收 能级跃迁 NMR。测定有机化合物的结构，1HNMR氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目。与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。,1.3 发展历史,1924年：Pauli 预言了N
3、MR 的基本理论，即，有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR 仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化（早期多使用的是连续波 NMR 仪器）。,1.4 12位因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家,1944年 I.Rabi 1952年 F
4、.Block 1952年 1955年 1955年 P.Kusch 1964年 1966年 A.Kastler 1977年 J.H.Van Vleck 1981年 N.Bloembergen 1983年 H.Taube 1989年 1991年,2.1 原理 带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动(Procession)。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用 Larmor 方程表示：0 称为进动频率。可见，核在磁场中将发生分裂，可以吸收一定频率的辐射而发生能级跃迁。,2 NMR基本原理,2.1.2 自旋量子数与原子核的质量数及质子数关
5、系,a)并非所有的核都有自旋，或者说，并非所有的核会在外加磁场中发生能级分裂!当核的质子数 Z 和中子数 N 均为偶数时，I=0，该原子核将没有自旋现象发生。如12C，16O，32S等核没有自旋。b)当 Z 和 N 均为奇数时，I=整数，P0，该类核有自旋，但NMR 复杂，通常不用于 NMR分析。如2H，14N等c)当 Z 和 N 互为奇偶时，I=半整数，P0，可以用于 NMR 分析，如1H，13C。,表1 自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系,2.2 能级分布与弛豫过程(Relaxation Process),2.2.1 核能级分布 在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的
6、数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足Boltzmann分布：通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T 的磁场中，位于高、低能级上的 1H 核数目之比为0.999984。即：处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出16/1,000,000。,2.2.2.1 弛豫的产生 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为弛豫。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。2.2.2.2 弛豫的分类 纵向弛豫1：又称自旋-晶格弛豫。处于高能级的核将其能量及时转移给周围分子骨架(晶格)中的其它
7、核，从而使自己返回到低能态的现象。横向弛豫2：又称自旋-自旋弛豫。当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移所发生的弛豫现象。,弛豫,2.3 化学位移(Chemical Shift),化学位移定义 化学位移：在一定的辐射频率下，处于不同化学环境的有机化合物中的质子，产生核磁共振的磁场强度或共振吸收频率不同的现象，称为化学位移。常见结构化学位移范围见图1。,图1 常见结构单元化学位移范围,化学位移产生原因及其表示方法,产生原因 分子中的原子核处在核外电子氛围中，电子在外加磁场B0的作用下产生次级磁场，该原子核受到了屏蔽：B=B0-B0=(1-
8、)B0 B为核实际受到的磁场，由电子云密度决定的屏蔽常数，与化学结构密切相关。表示方法 于待测物中加一标准物质（如TMS），分别测定待测物和标准物的吸收频率x 和s，以下式来表示化学位移：无量纲，对于给定的质子峰，其值与射频辐射无关,2.3.2.3 在NMR中，通常以四甲基硅烷(TMS)作标准物，因为：a)由于四个甲基中12 个H 核所处的化学环境完全相同，因此在核磁共 振图上只出现一个尖锐的吸收峰；b)屏蔽常数 较大，因而其吸收峰远离待研究的峰的高磁场(低频)区；c)TMS化学惰性、溶于有机物、易被挥发除去。此外，也可根据情况选择其它标准物：含水介质：三甲基丙烷磺酸钠。高温环境：六甲基二硅醚
9、。,TMS=0，其他种类氢核的位移为在其左侧（图2）。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（图3）。,图2 甲醇的核磁共振谱图,图3 屏蔽效应与化学位移的关系,影响化学位移的因素,从前式 B=B0-B0=(1-)B0可知，凡是影响屏蔽常数(电子云密度)的因素均可影响化学位移，即影响NMR吸收峰的位置。诱导效应(Induction)分子与高电负性基团相连分子电子云密度下降(去屏蔽)下降产生共振所需磁场强度小吸收峰向低场移动。,2.3.3.2 共轭效应(Conjugated)使电子云密度平均化，可使吸收峰向高场或低场移动。与 C
10、2H4 比：a)图：氧孤对电子与C2H4双键形成 p-共轭，CH2上质子电子云 密度增加，移向高场。b)图：羰基双键与 C2H4-共轭，CH2上质子电子云密度降低，移向低场。,磁各向异性效应 置于外加磁场中的分子产生的感应磁场(次级磁场)，使分子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区，导致不同区域内的质子移向高场和低场。该效应通过空间感应磁场起作用，涉及范围大，所以又称远程屏蔽。,氢键效应 使电子云密度平均化，使OH或SH中质子移向低场。如分子间形成氢键，其化学位移与溶剂特性及其浓度有关；如分子内形成氢键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构有关。溶剂选择原则：稀溶液；不能与溶质有强烈相互作用。,2.4 自
11、旋耦合与自旋分裂(Spin-spin Splitting),现象：CH3CH2OH中有三个不同类 型的质子，因此有三个不同位置的吸收峰。然而，在高分辨NMR中，CH2和CH2中的质子出现了更多的峰，这表明它们发生了分裂。如图4。,图4,图4 乙醇的核磁共振谱,原因,质子自旋产生的局部磁场，可通过成键的价电子传递给相邻碳原子上的氢，即氢核与氢核之间相互影响，使各氢核受到的磁场强度发生变化！或者说，在外磁场中，由于质子有两种自旋不同的取向，因此，与外磁场方向相同的取向加强磁场的作用，反之，则减弱磁场的作用。即谱线发生了“分裂”。这种相邻的质子之间相互干扰的现象称之为自旋-自旋耦合。该种耦合使原有的
12、谱线发生分裂的现象称之为自旋-自旋分裂。,2.4.3 偶合常数与分子结构的关系,同碳质子(2J)：相隔两个化学键，J 最大，但由于各质子性质完全一致，所以只观察到一个单峰。J=10-16 Hz 邻碳质子(3J)：相隔三个化学键，J 较大，是立体分子结构分析最为重要的偶合分裂。远程偶合：间隔大于三个键以上的质子间的偶合。该种偶合对体系很重要。如苯，J邻=6-10 Hz；J间=1-3Hz；J对=0-1Hz,对于邻碳磁等价核之间的偶合，其偶合裂分规律如下：,1）一个(组)磁等价质子与相邻碳上的n个磁等价质子偶合，将产生n+1重峰。如，CH3CH2OH（2+1；3+1；1）2）一个(组)磁等价质子与相
13、邻碳上的两组质子(分别为m个和n个质子)偶合，如果该两组碳上的质子性质类似，则将产生m+n+1重峰，如CH3CH2CH3；如果性质不类似，则将产生(m+1)(n+1)重峰，如CH3CH2CH2NO2；3）裂分峰的强度比符合(a+b)n展开式各项系数之比；4）一组多重峰的中点，就是该质子的化学位移值；5）磁等价质子之间观察不到自旋偶合分裂，如ClCH2CH2Cl，只有单重峰。,2.4.5 质子与质子之间的关系,化学等价核：同一分子中化学位移相同的质子。化学等价质子具有相同的化学环境。磁等价核：如果有一组化学等价质子，当它与组外的任一磁核偶合时，其偶合常数相等，该组质子称为磁等价质子。例如:CH3
14、CH2X中CH3上的三个质子是化学等价的，也是磁等价的；二氟乙烯中Ha和Hb是化学等价的，但因JHF(顺式)JHF(反式)，所以Ha和Hb不是磁等价质子；注意：化学等价，不一定磁等价，但磁等价的一定是化学等价的。,NMR一级谱：从上述讨论可知，自旋-自旋分裂现象对结构分析非常重要，它可用于鉴别分子中的基团和排列顺序。多数NMR谱都很复杂，需通过复杂计算才能解析，但当满足以下条件或称NMR谱为“一级谱”时，则可通过上述所讨论的分裂现象直接解析：1）两组偶合的核之间的化学位移远大于它们之间的偶合常数J，即：/J6；如，CH3CH2OH中-CH3和-CH2间的化学位移差为140Hz，而J=7Hz，因
15、此该分子的NMR谱为一级谱；2）一组的各质子与另一组所有质子的偶合常数必须相等。,3 NMR仪器,3.1 分类：按磁场来源：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按照射频率：60MHz、90MHz、200MHz按扫描方式：连续波NMR仪（CW-NMR）和脉冲傅立叶变换NMR仪（PFT-NMR）,3.2 仪器组成 如图5,图5 NMR谱仪框图,（1）磁铁 供给一个强而均匀的磁场。核磁共振要求磁铁功效大，高度稳定，磁场均匀，反复使用后磁场稳定；（2）射频振荡器产生供给一个固定频率的电磁波，也称兆周频率发生器，测定氢核时常用60MHz或100MHz的电磁波，产生核磁共振信号的磁场强度分别为1.41T和2.36T
16、；（3）试样管由玻璃制成。常量试样管的容量0.4mL，试样数十毫克。微量样品管的容量0.1mL，试样数毫克。管中受照射的试样承受的磁场强度必须均匀，否则不同部位的核对各不相同的频率发生共振吸收，从而产生宽吸收带信号，降低分辨能力；（4）扫描发生器在磁铁上绕一磁场扫描线圈，在线圈中通以直流电，电流由小到大可作线性调节，产生的附加磁场叠加到磁铁固有磁场上去就成了可调节磁场强度。按磁场强度改变的数值换算成相应的频率，被检测记录；,（5）检测器和记录器 检测线圈垂直于磁场扫描线圈和射频振荡线圈，检测器与射频振荡器频率须调成一致。当氢原子核的回旋频率与射频振荡器频率匹配时，检测器就能检测到吸收信号。信号
17、放大后送人记录器。自动记录下核磁共振波谱图形（如右图6）。核磁共振波谱图纵坐标表示信号强度，它反映被测定核的数目。横坐标表示磁场强度或频率，即一个个核磁共振吸收峰。,a）低分辨NMR b）高分辨NMR,图6,3.3 测定方法：,装有试样液的试样管放到磁场强度很大的两块电磁铁中间，用射频振荡器高度稳定地发出固定频率的电磁波（不变），在扫描发生器中，通直流电流，可连续的调节外加磁场的强度进行扫描扫场。当磁场强度达到一定值H10时试样中某一类型质子发生能量跃迁（共振），然后，射频接受器通过射频接受线圈，接受共振信号，信号经过放大在记录器上绘出核磁共振谱图。扫描是由低场扫向高场吸收峰越多，不同的氢越多
18、（吸收峰的峰形与红外的相反）。,3.4 提高NMR仪灵敏度的方法：,1）锁场控制：a)通过磁通稳定器补偿磁场漂移（温度、磁铁内电流的变化）;b)通过场频连锁。2）匀场线圈：将通有电流的线圈放入磁场中，利用它产生的磁场来补偿磁场本身的微小不均匀性。3）样品的旋转(20-30转/s)：样品旋转时要注意：在样品管试液上加一塞子，防止产生旋涡；样品旋转产生旋转边带，在信号峰两侧出现对称小峰，引起干扰，可通过改变转速观察边带信号的移动，以识别哪些是边带，哪些不是。,3.5.1 对样品的要求 样品要纯；样品量不能太小，通常为1-3mg(低灵敏度NMR仪需10-30mg)、不含氧和灰尘；固体样品要用合适溶剂
19、溶解；加入内标，如TMS3.5.2 对溶剂的要求 不含质子、沸点低、不与样品缔合、溶解度好，如CCl4,CS2,CHCl3,。为防干扰，多采用D代试剂，如CHCl3-d1,(CH3)2CO-d6,H2O-d2(水溶性试剂）TMS只能在测定时加入，不要加入过早。3.5.3 位移试剂 可使各种质子发生顺磁性或反磁性位移，从而将各种质子信号分开，这对解析复杂光谱有帮助。,3.5 样品处理方法：,3.6 生产厂家,比较著名的生产核磁共振波谱仪的厂家是:美国Varian公司德国布鲁克公司日本电子英国牛津仪器厂,图8,4 核磁共振波谱分析,图9是用60MHz仪器测定乙醇的核磁共振谱。横坐标是化学位移，用d
20、表示，左边为低磁场，右边为高磁场。图中有两条曲线，下面一条为乙醇中质子的共振线，d=0的吸收峰是标准物质四甲基硅烷的吸收峰，右边的三重峰为乙基中化学环境相同的甲基质子的吸收峰，左边的四重峰为乙基中化学环境相同的亚甲基质子的吸收峰。上面阶梯式曲线是积分线，它用来确定各基团的质子比。,图9,4.1 从质子共振谱图上，可得到下述信息：,1.由吸收峰的组数，可以判断有几种不同类型的H核；2.由峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断各类H的相 对数目；3.由峰的裂分数目，可以判断相邻H核的数目；4.由峰的化学位移(值)，可以判断各类型H所处的化学环境；5.由裂分峰的外形或偶合常数，可以判断哪种类型H
21、是相邻的。,4.2 积分曲线与质子的数目,积分曲线阶梯高度比=吸收峰高度或面积比=磁等性质子数目比。如：CH3CH2OH(a)(b)(c)值：1 34 56a：b：c=积分曲线阶梯高度比=吸收峰高度或面积比=17.8：12.4：6=3：2：1,图10,例1：如图所示，两个1HNMR谱图分别代表化合物1氯丙烷和2氯 丙烷，说明其归属。,解：A图是2氯丙烷。有两组磁不等价质子，=1.55是2重峰，是两个CH3中的6个H。=4.14是7重峰，是仲碳上的一个H。B图是1氯丙烷。有三组磁不等价质子。=3.47是3重峰，是CH3中3个H=1.81是6重峰是CH2中2个H=1.06是3重峰是CH2Cl中的CH2上的 2个H,例3.分子式为C9H12的化合物，其1HNMR谱图如下图，试写出该化合物的结式。,解：1HNMR谱图：4组信号峰可以判断，该化合物含有苯环的4个氢的取代芳烃。（d）=7.2，是苯环上的1H吸收峰（c）=2.5，3重峰，与苯环和CH2相连的CH2上的1H吸收峰（b）=1.7，多重峰，在1Ha、1Hc中间，一定有CH2存在（a）=1.0，3重峰，CH3的信号峰。所以C9H12的结构式为C6H5CH2CH2CH3,李强的核磁共振谱,图27 李笃信的核磁共振谱,刘希乐师兄乙基化产物的1H-NMR核磁共振图,刘希乐师兄水解产物的核磁共振谱,
