6第五章核磁氢谱(中)
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核磁作为化合物定性中最重要的方式之一,主要分为核磁氢谱(1H-NMR)和核磁碳谱(13C-NMR)两种,接下来我们将分享一些关于核磁氢谱的基本原理和应用。
1H-NMR的基本原理主要是:利用特定频率的电磁波,使得具有自旋原子核(氢原子)发生能级跃迁,即发生核共振,产生的磁频率信号经过转换放大在谱图上以峰的形式体现。
(原理见图1)从原理上看,接收到的信号是磁频率信号,为方便转换,以基准物质为原点,不同官能团的原子核相对于基准物质的距离,即为化学位移(δ)。
一般使用的基准是四甲基硅烷(TMS),规定其化学位移为零。
而核磁定性的基本方式就是利用分子中含氢基团的化学位移和谱峰裂分情况,对化合物的分子结构进行判断。
图1 NMR原理图提到核磁,除了对分子结构进行定性外,我们经常听到的“定量核磁”又是指什么呢?实际上定量核磁(Q-NMR)就是在1H-NMR的基础上,引入“量”的概念,主要利用核磁信号强度与原子数成线性正比的关系,从而用于纯度化合物的含量测定上。
和传统的色谱面积归一化法相比,主要通过定量核磁内标对样品中主成分的含量进行定量,从而可以减少相对响应因子、水分、不挥发性杂质及挥发性杂质对纯度定值准确性的干扰。
目前中国药典、美国药典、英国药典、欧洲药典以及日本药局方均将定量核磁共振(QNMR)作为法定标准收载于附录中。
那么定量核磁又是怎样实现定量目的?定量核磁主要采用内标法,将精密称量的样品和内标混合配制成溶液,通过比较样品特征峰的响应值与内标峰的响应值计算样品的含量。
计算公式如下:式中:Px:定量核磁法测定样品质量分数(%)Pstd:内标物的质量分数(%)Ix:样品在1H-NMR的响应值Istd:内标物质在1H-NMR的响应值Nx:样品的原子核数Nstd:内标物的原子核数(二甲基砜的Nstd=6)Mx:样品摩尔质量Mstd:内标物的摩尔质量m:样品的称量质量mstd:内标物的称量质量想要利用定量核磁法得到准确的结果,除了要对核磁方法进行确认外,内标的选择会对结果的准确性产生很大的影响。
核磁共振氢谱(PMR或1HNMR)核磁共振技术是20世纪50年代中期开始应用于有机化学领域,并不断发展成为有机物结构分析的最有用的工具之一。
它可以解决有机领域中的以下问题:(1)结构测定或确定,一定条件下可测定构型和构象;(2)化合物的纯度检查;(3)混合物分析,主要信号不重叠时,可测定混合物中各组分的比例;(4)质子交换、单键旋转、环的转化等化学变化速度的测定及动力学研究。
NMR的优点是:能分析物质分子的空间构型;测定时不破坏样品;信息精密准确。
NMR通常与IR并用,与MS、UV及化学分析方法等配合解决有机物的结构问题,还广泛应用于生化、医学、石油、物理化学等方面的分析鉴定及对微观结构的研究。
一、基本概念核磁共振(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(兆赫数量级的射频)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。
因此,就本质而言,核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的,属于吸收光谱(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分子结构。
发展历史1.1946 年美国斯坦福大学的F. Bloch 和哈佛大学E.M .Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号,由于该重要的科学发现,他们两人共同荣获1952 年诺贝尔物理奖。
NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域,主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。
2.1950 年前后W .G. Proctor等发现处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率,即化学位移。
接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线,即自旋—自旋耦合,这一切开拓了NMR 在化学领域中的应用和发展。
3.20 世纪60 年代,计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广,引起了该领域的革命性进步。
随着NMR 和计算机的理论与技术不断发展并日趋成熟,NMR 无论在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展,具体表现在以下几方面:1)仪器向更高的磁场发展,以获得更高的灵敏度和分辨率,现己有300、400、500、600MHz,甚至1000MHz的超导NMR 谱仪;2)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;3)提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、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。