核磁共振波谱法

第四章核磁共振波谱法核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance NMR)波谱学是近几十年发展的一门新学科。

1945年以F．Block和E．M．Purcell为首的两个研究小组分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号，为此他们荣获1952年Nobe1物理奖。

今天，核磁共振已成为化学、物理、生物、医药等研究领域中必不可少的实验工具，是研究分子结构、构型构象、分子动态等的重要方法。

第一节核磁共振基本原理一、核的自旋运动和NMR现象（一）原子核的自旋与原子核的磁矩核磁共振研究的对象是具有磁矩的原子核。

原子核是由质子和中子组成的带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩。

但并非所有同位素的原子核都具有自旋运动，只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。

原子核的自旋运动与自旋量子数I相关。

量子力学和实验均已证明，I与原子核的质量数(A)、核电荷数(Z)有关。

I为零、半整数、整数。

A为偶数、Z为偶数时，I＝0。

如12C6，16O8，32S16等。

A为奇数、Z为奇数或偶数时，I为半整数。

如1H1，13C6，15N7，19F9，31P15等I = 1/2；11B，33S16，35C117，37C117，81Br35等I ＝3／2；17O8，25Mg12,27Al13等I ＝5／2。

5A为偶数、Z为奇数时，I为整数。

如2H1，6Li3,14N7等I ＝1；58Co27等I = 2;10B5等I ＝3。

I ≠ 0的原子核，都具有自旋现象，其自旋角动量（P）为P = h/2π I( I + 1)，h为普朗克常数 6.624 ⨯ 10-34 J.S具有自旋角动量的原子核也具有磁矩μ，μ与P的关系如下：μ＝γ．Pγ称磁旋比(magnetogyric ratio)。

同一种核,γ为常数。

如1H：γ＝2.6752 ⨯ 108rad T-1S-1)；13C：γ＝6.728(107rad T-1S-1)；T =104高斯。

γ值可正可负，是核的本性所决定。

I = 1/2的原子核是电荷在核表面均匀分布的旋转球体。

核磁共振谱线较窄，最适宜于核磁共振检测，是NMR研究的主要对象。

如1H，13C；19F，31P等。

I >1/2的原子核是电荷在核表面非均匀分布的旋转椭球体。

(二) ．核磁共振根据量子力学理论，磁性核（I ≠ 0）在外加磁场（B0）中的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I + 1）种取向。

可由磁量子数m表示。

m＝I，I - 1，…(-I + 1)、-I。

1H：I = 1/2，m＝+1/2，-1/214N：I = 1，m＝+1，0，-1核的自旋角动量（P）在Z轴上投影P z也只能取不连续的数值。

P z= h/2π·m 与P z相应的核磁矩在Z轴上的投影μz, μz = γP z = γ·h/2π·m 磁矩与磁场相互作用能为E, E = - μz B0E(+1/2) = - μz B0 = - γ·(+1/2)h/2π·B0E(-1/2) = - μz B0 = - γ·(-1/2)h/2π·B0由量子力学的选律可知, 只有∆m = ±1的跃迁才是允许的跃迁。

所以相邻两能级间的能量差为：∆ E = E(-1/2) - E(+1/2) = γ·h/2π·B0上式表明，∆ E 与外加磁场B0的强度有关，∆ E随B0场强的增大而增大。

在Bo中，自旋核绕其自旋轴(与磁矩μ方向一致)旋转，而自旋轴既与Bo场保持一夹角θ又绕B0场进动，称Larmor进动，类似于陀螺在重力场中的进动，核的进动频率由下式决定：ω = 2πν0 = γB0若在与B0垂直的方向上加一个交变场B1(称射频场)，其频率为ν1。

当ν1 = ν0时，自旋核会吸收射频的能量，由低能态跃迁到高能态(核自旋发生倒转)，这种现象称为核磁共振吸收。

ν = γB0/2π同一种核，γ为一常数，B0场强度增大，其共振频率也增大。

对于1H，当B0＝1．4TG 时，ν＝60MHz；当B0＝2．3TG时，ν＝100MHz(1 TG = 104高斯，1MHz＝106赫兹)B0相同，不同的自旋核因γ值不同，其共振频亦不同。

如B0 = 2．3TG时，1H（100MHz），19F （94 MHz），31P（40．5MHz），13C（25MHz）。

（三）弛豫过程当电磁波的能量（hv）等于样品某种能级差∆E时，分子可以吸收能量，由低能态跃迁到高能态。

高能态的粒子可以通过自发辐射放出能量，回到低能量，其几率与两能级能量差∆E成正比。

一般的吸收光谱，∆E较大，自发辐射相当有效，能维持Boltzmann分布。

但在核磁共振波谱中，∆E非常小，自发辐射的几率几乎为零。

想要维持NMR信号的检测，必须要有某种过程，这个过程就是弛豫过程。

即高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态，重建Boltzmann分布的过程。

根据Boltzmann分布，低能态的核（N+）与高能态的核（N-）的关系可以用Boltzmann 因子来表示：N+/ N- = e∆E/KT≈ 1 + ∆E/KT∆E 为两能级的能量差，K为Boltzmann常数，T为绝对温度。

对于1H核，当T = 300K 时，N+/ N- ≈ 1.000009.对于其它核，γ值较小，比值会更小。

因此在NMR中，若无有效的弛豫过程，饱和过程容易发生。

有两种弛豫过程即，自旋-晶格弛豫和自旋自旋弛豫。

自旋-晶格弛豫：体系通过自旋-晶格弛豫过程而达到自旋核在B0场中自旋取向的Boltzmann分布所需的特征时间（半衰期）用T1表示，T1称为自旋—晶格弛豫时间。

自旋-自旋弛豫：自旋-自旋弛豫反映核磁矩之间的作用。

高能态的自旋核把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋态的核数目不变，总能量不变。

自旋-自旋弛豫时间（半衰期）用T2表示，液体样品T2约为1秒，固体或高分子样品T2较小，约10-3秒。

共振时，自旋核受射频场的相位相干作用，使宏观净磁化强度偏离z轴，从而在X-Y 平面上非均匀分布。

自旋-自旋弛豫过程是通过自旋交换，使偏离Z轴的净磁化强度M XY回到原来的平衡零值态（即在X-Y平面上均匀分布）。

故自旋-自旋弛豫又称横向弛豫。

第二节化学位移一、化学位移的产生（一）电子屏蔽效应在外磁场B0中，不同的氢核所感受到B0是不同的，这是因为氢核外围的电子在与外磁场垂直的平面上绕核旋转的同时产生一个与外磁场相对抗的感生磁场。

感生磁场对外加磁场的屏蔽作用称为电子屏蔽效应。

感生磁场的大小与外核场的强度有关，用σ·B0表示，σ称屏蔽常数。

σ的大小与核外电子云的密度有关。

核外电子云密度越大，σ就越大，σ·B0也就越大。

在B0中产生的与B0相对抗的感生磁越强，核实际感受到的B0(称有效磁场，用B eff表示)就越弱。

可表示如下：B eff = B0 - σ·B0 = B0·(1 - σ)氢核外围电子云密度的大小，与其相邻原子或原子团的亲电能力有关，与化学键的类型有关。

如CH3-Si，氢核外围电子云密度大，σ·B0大，共振吸收出现在高场；CH3-O，氢核外围电子云密度小，σ·B0亦小；共振吸收出现在低场。

（二）化学位移同一分子中不同类型的氢核；由于化学环境不同，其振动频率亦不同。

其频率间的差值相对于B0或ν0来说，均是一个很小的数值，仅为ν0的百万分之十左右。

对其绝对值的测量，测量，难以达到所要求的精度，且因仪器不同（导致σ·B0不同）其差值亦不同。

例如60 MHz 谱仪测得乙基苯中CH2、CH3的共振吸收频率之差为85．2 Hz，100 MHz的仪器上测得为142 Hz。

为了克服测试上的困难和避免因仪器不同所造成的误差，在实际工作中，使用一个与仪器无关的相对值表示。

即以某一标准物质的共振吸收峰为标准（B标或ν标），测出样品中各共振吸收峰（B样或ν样）与标样的差值∆B或∆ν（可精确到1Hz），采用无因次的δ值表示，δ值与核所处的化学环境有关，故称化学位移。

δ = ∆B/B标⨯ 106；δ = ∆ν/ν标⨯ 106，ν标与ν0相差很小，δ = ∆ν/ν0⨯ 106ν0为仪器的射频频率，∆ν可直接测得，为前者百万分之一。

对与1H NMR，δ值为0-20 ppm，60 MHz的仪器，1ppm＝60Hz，100 MHz的仪器，1ppm＝100Hz。

二、化学位移的表示标准样品：最理想的标准样品是(CH3)4Si,简称TMS。

TMS有12个化学环境相同的氢，在NMR中给出尖锐的单峰易辨认。

NMR与一般有机化合物相比，氢核外围的电子屏蔽作用较大，共振峰位于高场端，对一般化合物的吸收不产生干扰。

TMS化学性质稳定，沸点27 ︒C,一般不与待测样品反应，且又易于从测试样品中分离出，还具测有与大多数有机溶剂混溶的特点。

1970年，国标纯粹与应用化学协会（IUPIC）建议化学位移采用δ值,规定TMS 为0 ppm, TMS左侧δ为正值，右侧δ值为负。

早期文献报道化学位移有采用τ值的，τ与δ之间的换算式如下：δ＝10 - τTMS作内标，通常直接加到待测样品溶液中。

核磁共振氢谱图示NMR谱仪都配备有自动积分仪，对每组峰的峰面积进行自动积分，在谱中以积分高度显示。

各组峰的积分高度之简比，代表了相应的氢核数目之比。

记录NMR谱的图纸已打印好刻度。

三、影响化学位移的因素影响化学位移的因素很多：（一）屏蔽效应s电子的屏蔽效应效大，p、d电子产生顺磁屏蔽，使磁核的共振信号峰向低场移动，因此，外转有p、d电子云的磁核其NMR信号在图谱上的范围，比氢谱宽几十倍。

（二）诱导效应和共轭效应1、诱导效应电负性取代基降低氢核外围电子云密度，其共振吸收向低场位移，δ值增大。

值得注意的是，诱导效应是通过成键电子传递的，随着与电负性取代基距离的增大，诱导效应的影响逐渐减弱，通常相隔3个以上碳的影响可以忽略不计。

例如：CH3Br CH3CH2Br CH3CH2CH2Br CH3(CH2)2CH2Br δ (ppm)：2·68 1．65 1．94 0．92、共轭效应苯环上的氢被推电子基（如CH3O）取代，由于p-π共轭，使苯环的电子云密度增大，δ值高场位移。

拉电子基（如C=O，NO2）取代，由于π-π共轭，使苯环的电子云密度降低，δ值低场位移。

与碳-碳双键相连时有类似的影响。

（三）各向异性效应分子中氢核与某一功能基的空间关系会影响其化学位移值，这种影响称各向异性。

如果这种影响仅与功能基的键型有关，则称为化学键的各向异性。

是由于成键电子的电子云分布不均匀性导致在外磁场中所产生的感生磁场的不均匀性引起的。

叁键：炔氢与烯氢相比，δ值应处于较低场，但事实相反。