第第8章章核磁共振波谱法核磁共振波谱法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy)8.1核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理(PrinciplesofNuclearMagneticResonance)8.2核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪(NuclearMagneticResonanceSpectrometer)8.3核磁共振波谱法的应用核磁共振波谱法的应用(ApplicationsofNMR)8.4其他核的核磁共振波谱其他核的核磁共振波谱(NMRofOtherNuclei)发展历史pp19241924年年PauliPauli W. W.假设假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂入磁场中会产生能级分裂pp19521952年年StandfordStandford大学的大学的BlochBloch和和HarvardHarvard大学的大学的PurcellPurcell独立证实了上述假设。获独立证实了上述假设。获Nobel PrizeNobel Prizepp 1956 1956年，第一台年，第一台NMRNMR仪器仪器FT-NMRFT-NMRpp 1991 1991年，年，Ernst Ernst 对高分辨核磁共振方法发展（获对高分辨核磁共振方法发展（获Nobel Nobel PrizePrize）pp 20022002年年 （生物大分子的核磁分析）（生物大分子的核磁分析）Nobel Prizesn n19521952年年诺贝尔诺贝尔诺贝尔诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的布洛赫（坦福大学的布洛赫（Felix BlochFelix Bloch，1905190519831983）和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀）和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔（塞尔（Edward PurcellEdward Purcell，1912199719121997），以表），以表彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。的发现。n n19911991年年R.R. R.R. 恩斯特（瑞士人）恩斯特（瑞士人）发明了傅里叶变换发明了傅里叶变换核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振分光法和二维分光法和二维核磁共核磁共核磁共核磁共振振振振技术技术 n n20022002年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 授予瑞士科学家库尔特授予瑞士科学家库尔特 维特里希，发明了利用核磁共振技术测定溶液中维特里希，发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法生物大分子三维结构的方法 n n选择生物大分子中的质子选择生物大分子中的质子( (氢原子核氢原子核) )作为测量对象，作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。构图。 应用之 医学 磁共振成像（磁共振成像（MRIMRI）& &计算机断层摄影技计算机断层摄影技术（术（CTCT）l l三维空间多层面多方位的三维空间多层面多方位的三维空间多层面多方位的三维空间多层面多方位的对人体内的病变及人体结对人体内的病变及人体结对人体内的病变及人体结对人体内的病变及人体结构进行研究构进行研究构进行研究构进行研究ll 1 1H-MRSH-MRS（质子核磁共（质子核磁共（质子核磁共（质子核磁共振波谱振波谱振波谱振波谱 ）用于检测体内多）用于检测体内多）用于检测体内多）用于检测体内多种微量代谢物种微量代谢物种微量代谢物种微量代谢物 应用之 环保控制柴油车尾气污染控制柴油车尾气污染 l l 安装环保引擎增效器安装环保引擎增效器安装环保引擎增效器安装环保引擎增效器 “所有物质都存在内部振所有物质都存在内部振所有物质都存在内部振所有物质都存在内部振动，包括在燃油中碳氢键动，包括在燃油中碳氢键动，包括在燃油中碳氢键动，包括在燃油中碳氢键” ” l l 节油和控制尾气污染节油和控制尾气污染节油和控制尾气污染节油和控制尾气污染 应用之 地质n n核磁共振测井核磁共振测井 利用弛豫时间可以计算重要的石油测井参数 应用之 合成 1H NMR 13C NMR n n判断和鉴定有机合成物结构、构象，研究结构与判断和鉴定有机合成物结构、构象，研究结构与性质的关系，给出合成物的谱峰归属及结构表征性质的关系，给出合成物的谱峰归属及结构表征n n利用谱峰的峰面积定量分析所测定基团的含量利用谱峰的峰面积定量分析所测定基团的含量n n利用化学位移差值研究电荷分布以及与定位效应利用化学位移差值研究电荷分布以及与定位效应的关系的关系n n进行有机合成过程分析和过程变化分析进行有机合成过程分析和过程变化分析n n药物分析与产品分析以及中间体质量控制药物分析与产品分析以及中间体质量控制原子核不是一个质点而有电荷分布原子核不是一个质点而有电荷分布有自旋角动量和磁矩有自旋角动量和磁矩原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象振跃迁的现象原子核是自然界安排在物质内部的极小探原子核是自然界安排在物质内部的极小探针针81核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理(一）自旋核在磁场中的行为一）自旋核在磁场中的行为1能级分裂能级分裂1)量子力学模型量子力学模型假设一个核围绕经核心指定轴进行自旋，假设一个核围绕经核心指定轴进行自旋，其自旋角动量为其自旋角动量为p，而自旋角动量的状态数，而自旋角动量的状态数由该核的自旋量子数由该核的自旋量子数I决定，共有决定，共有2I+1个、个、取值为取值为I、I一一1、一、一I在无外磁场存在无外磁场存在时各状态的能量相同。在时各状态的能量相同。质量数质量数原子序数原子序数自旋量子数自旋量子数I偶数偶数偶数偶数0偶数偶数奇数奇数1，2，3.奇数奇数奇数或偶数奇数或偶数1/2；3/2；5/2.自旋量子数（自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：表征：讨论讨论: (1) I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（32）等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。 (2) I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少； (3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。(2)经典力学模型经典力学模型经典力学模型认为，对于一个具有非零自旋量子数的核由于经典力学模型认为，对于一个具有非零自旋量子数的核由于核带正电荷，所以在其旋转时会产生磁场。当这个自旋核置于核带正电荷，所以在其旋转时会产生磁场。当这个自旋核置于磁场中时，核自旋产生的磁场与外加磁场相互作用，就会产生磁场中时，核自旋产生的磁场与外加磁场相互作用，就会产生回旋，称为进动回旋，称为进动(procession)。进动的频率与自旋质点角速度。进动的频率与自旋质点角速度及外加磁场的关系可以用及外加磁场的关系可以用Larmor方程表示即方程表示即2能级分布与弛豫过程若用足够强的辐射照射质子，则较低能态的过量核减若用足够强的辐射照射质子，则较低能态的过量核减少会带来信号减弱甚至消失，这种现象称为少会带来信号减弱甚至消失，这种现象称为饱饱和和(saturated)。但若较高能态的核能够及时返回到。但若较高能态的核能够及时返回到低能态则可以保持信号稳定这种由高能态回复到低能态则可以保持信号稳定这种由高能态回复到低能态的过程称为低能态的过程称为弛豫弛豫(relaxation)。驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程由激发态恢复到平衡态的过程 n n自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率1/T1/T1 1，T T1 1为自旋晶格驰豫时间。为自旋晶格驰豫时间。 n n自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变，平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变，速率速率1/T1/T2 2，T T2 2为自旋自旋时间。为自旋自旋时间。 n n驰豫时间与谱线宽度的关系驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫即谱线宽度与驰豫时间成反比。时间成反比。 n n饱和：高能级的核不能回到低能级，则饱和：高能级的核不能回到低能级，则NMRNMR信号信号消失的现象。消失的现象。 (二二)核磁共振中环境因素的影晌核磁共振中环境因素的影晌1化学位移化学位移屏蔽效应化学位移的根源化学位移的根源 磁场中所有自旋核产生感应磁场，方向与外加磁场相反或相同，使原子核的实受磁场降低或升高，即屏蔽效应。 H核=HO（1-） 其中H核表示氢核实际所受的磁场，为屏蔽常数分类：顺磁屏蔽，抗磁屏蔽化学位移的表示 ：单位单位ppmppm 标准：四甲基硅（TMS），=0，（如以表示，=10，=10+）用用TMS作标准是由下列几个原因：作标准是由下列几个原因：(i)TMS中中12个氢核处子完全相同的化学环境中，它们的个氢核处子完全相同的化学环境中，它们的共振条件完全一致，因此只有一个尖峰。共振条件完全一致，因此只有一个尖峰。(ii)IMS中质子的屏蔽常数要比大多数其他化合物中质子中质子的屏蔽常数要比大多数其他化合物中质子的大，只在图谱中远离其他大多数待研究峰的高磁场的大，只在图谱中远离其他大多数待研究峰的高磁场(低低频频)区有区有个尖峰。个尖峰。(iii)TMS是化学惰性的，易溶于大多数有机溶剂中且易是化学惰性的，易溶于大多数有机溶剂中且易于用蒸馏法从样品中除去于用蒸馏法从样品中除去(bp=27).在含水介质中要改用在含水介质中要改用3三甲基硅丙烷磺酸钠三甲基硅丙烷磺酸钠而在较高温度环境中使用六甲基二硅醚而在较高温度环境中使用六甲基二硅醚常见的各种常见的各种常见的各种常见的各种1 1H H的化学位移如下：的化学位移如下：的化学位移如下：的化学位移如下： 2影响化学位移的各种因素影响化学位移的各种因素(1)诱导效应诱导效应由于电负性基团如卤素、硝基、氰基等存在，使与之由于电负性基团如卤素、硝基、氰基等存在，使与之相接的核外电子云密度下降从而产生去屏蔽作用，使相接的核外电子云密度下降从而产生去屏蔽作用，使共振信号向低场移动。在没有其他因素影响的情况下共振信号向低场移动。在没有其他因素影响的情况下屏蔽作用将随可以导致氢核外电子云密度下降的元素的屏蔽作用将随可以导致氢核外电子云密度下降的元素的电负性大小及个数而相应发生变化电负性大小及个数而相应发生变化(2)共轭效应共轭效应与诱导效应一样共轭效应亦可使电子云密与诱导效应一样共轭效应亦可使电子云密度发生变化，从而使化学位移向高场或低场度发生变化，从而使化学位移向高场或低场变化。变化。由于邻对位氧原子的存在，右图中双氢黄酮的芳环氢ab的化学位移为6.15ppm通常芳环氢化学位移大于7ppm。(3)磁各向异性效应磁各向异性效应如果在外场的作用下、一个基团中的电子环如果在外场的作用下、一个基团中的电子环流取决于它相对于磁场的取向，则该基团具有磁各向异性效应。流取决于它相对于磁场的取向，则该基团具有磁各向异性效应。而电子环流将会产生一个次级磁场而电子环流将会产生一个次级磁场(右手定则右手定则)这个附加磁场与这个附加磁场与外加磁场共同作用，使相应质子的化学位移发生变化。外加磁场共同作用，使相应质子的化学位移发生变化。叁键 ：键轴向为屏蔽区，其它为去屏蔽区。键轴向为屏蔽区，其它为去屏蔽区。 羰基平面上下各有一个锥形的屏蔽区，其它方向（尤其平面上下各有一个锥形的屏蔽区，其它方向（尤其是平面内）为去屏蔽区。是平面内）为去屏蔽区。单键 (4)氢链氢链当分子形成氢键时氢键中质子的信号当分子形成氢键时氢键中质子的信号明显地移向低磁场，使化学位移变大。一般认为是明显地移向低磁场，使化学位移变大。一般认为是由于形成氢键时，质子周围的电于云密度降低所致。由于形成氢键时，质子周围的电于云密度降低所致。对于分子间形成的氢键，化学位移的改变与溶剂的对于分子间形成的氢键，化学位移的改变与溶剂的性质及浓度有关。性质及浓度有关。绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场。绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场。绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场。绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场。如如下下面面化化合合物物4个个羟羟基基的的均均可可以以形形成成氢氢键键，按按照照氢氢键键由由弱弱到到强强的的顺顺序，逐步增大。序，逐步增大。乙醇的羟基随浓度增加，分子间氢键增强，化学位移增大乙醇的羟基随浓度增加，分子间氢键增强，化学位移增大 溶剂效应 ：溶剂不同使化学位移改变的效应溶剂不同使化学位移改变的效应 3自旋偶合及自旋分裂自旋偶合及自旋分裂在磁场中有两个自旋取向，而这些自旋取向会产在磁场中有两个自旋取向，而这些自旋取向会产生局部磁场而对邻近核产生干扰。两种核的自旋生局部磁场而对邻近核产生干扰。两种核的自旋之间产生的相互干扰称为自旋之间产生的相互干扰称为自旋自旋偶合，简称自旋偶合，简称为自旋偶合。相互干扰的大小用偶合常数表示。为自旋偶合。相互干扰的大小用偶合常数表示。由自旋偶合所引起的谱线分裂的现象称为自旋由自旋偶合所引起的谱线分裂的现象称为自旋自旋分裂，简称自旋分裂。自旋分裂，简称自旋分裂。一级自旋-自旋裂分规则 当当I=1/2时，自旋裂分峰数目服从时，自旋裂分峰数目服从n+1规则。规则。1. n+1规规则则：当当某某基基团团上上的的氢氢有有n个个相相邻邻的的氢氢时时，它它将将显显示示n+1个个峰峰，各各峰峰的的高高度度比基本为二项式的各项系数比比基本为二项式的各项系数比偶合常数偶合常数偶合常数偶合常数 偶合常数偶合常数反映两核之间自旋偶合作用大小的量度，反映两核之间自旋偶合作用大小的量度，用用J J表示。表示。 J J常常等于两裂分峰之间的裂距，一般在常常等于两裂分峰之间的裂距，一般在20Hz20Hz以下。以下。 偶合常数也是重要的结构信息。例如：偶合常数也是重要的结构信息。例如： 偶合常数的特点： J与H0无关。不同H0作用下或不同场强的仪器测得的J值相同。 两组相互干扰的核J值相同。 例如，CH2ClCHCl2中三重峰间裂距等于二重峰间裂距。 在复杂体系中，J裂距！解析图谱时，需进行繁杂的计算以求得和J。 较复杂图谱的简化较复杂图谱的简化(i)增加磁场增加磁场(ii)同位素取代同位素取代(iii)自旋去耦自旋去耦(iv)化学位移试剂化学位移试剂4化学交换的影响化学交换的影响(1)质子交换质子交换(2)构象改变构象改变(3)受阻旋转受阻旋转82核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪按工作方式，可将高分辨核磁共振波谱仪分为两按工作方式，可将高分辨核磁共振波谱仪分为两大类：连续波核磁共振波谱仪及脉冲博里叶变换核大类：连续波核磁共振波谱仪及脉冲博里叶变换核磁共波振谱仪。磁共波振谱仪。扫场法：扫场法：固定射频磁场频率，让固定射频磁场频率，让Bz连续变化。连续变化。扫频法：扫频法：磁场磁场Bz固定，让射频场频率连续变化。固定，让射频场频率连续变化。(一一) 连续波核磁共振波谱仪连续波核磁共振波谱仪1永久磁铁永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2 射频振荡器射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。3 射频信号接受器射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4样品管样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转, 磁场作用均匀。(二二)傅里叶变换傅里叶变换NMR谱仪谱仪采用在恒定的磁场中，在整个频率范国内施加具采用在恒定的磁场中，在整个频率范国内施加具有一定能量的脉冲，使自旋取向发生改变并跃迁有一定能量的脉冲，使自旋取向发生改变并跃迁至高能态。高能态的核经一段时间后又重新返回至高能态。高能态的核经一段时间后又重新返回低能态通过收集这个过程产生的感应电流，即低能态通过收集这个过程产生的感应电流，即可获得时间域上的波谱图。可获得时间域上的波谱图。83核磁共振波谱法的应用核磁共振波谱法的应用(一一)化合物鉴定化合物鉴定1H-NMR的谱图解析的谱图解析解析步骤解析步骤谱图中有几组峰？几种氢？谱图中有几组峰？几种氢？各种氢核的个数？各种氢核的个数？各峰的归属？各峰的归属？常见结构的化学位移大致范围常见结构的化学位移大致范围解析实例解析实例解析实例解析实例 例例1 1：C C3 3HH7 7ClCl的的的的NMRNMR。 例例2 2：下列谱图是否：下列谱图是否 的的NMRNMR？ 所以，该图是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。3.9(单峰单峰) -OCH3 6.77.3 苯环氢苯环氢苯氢与氧原子相连的甲基氢例例3 3：下图与：下图与A A、B B、C C哪个化合物的结构符合？哪个化合物的结构符合？ 例例4 4：芳香酮：芳香酮C C8 8H H7 7ClOClO的的的的NMRNMR谱谱谱谱。 (连在羰基上)例例5 5：指出：指出C C6 6H H5 5CHCH2 2CHCH2 2OCOCHOCOCH3 3的的的的NMRNMR谱图谱图谱图谱图中各峰的归中各峰的归属。属。 (苯氢)(与氧原子相连的亚甲基氢)(与羰基相连的甲基氢)(二二)定量分析定量分析核磁共振光核磁共振光谱广泛用于化合物的结构分析，而其在谱广泛用于化合物的结构分析，而其在化合物的定量分析中的应用则是比较新的内容，日化合物的定量分析中的应用则是比较新的内容，日益受到重视。益受到重视。1定量参数：峰面积或峰高。2定量的特点：1）对于确定的核（质子），其信号强度与产生该信号的核（质子）的数目成正比，而与核的化学性质无关。2）利用内标法或相对比较法分析混合物中某一化合物时，无需该化合物的纯品作为对照标准。3）峰很窄，远小于各化合物之间的化学位移的差值，因而混合物中不同组分的信号之间很少发生明显的重叠。4）方法简单快速、准确、专属性高，不破坏被测样品，可选择性的测定混合药物或药物制剂中的组分乃至药物的立体异构体。3测定方法：选择一个合适的峰作为测量峰。（1）内标法（绝对测量法） 内标法为NMR定量分析最常用的方法，它与GC的内标法相似，在样品溶液中，直接加入一定量内标物质后，NMR光谱测定，将样品指定基团上的质子引起的共振峰面积进行比较，当样品与内标均经精密称重时，则样品的绝对重量（Wu）可由下式求得：WuAuEuAuEu-=-Wu=Ws-WsAsEsAsEsWu百分含量百分含量=-100%W84其他核的核磁共振波谱其他核的核磁共振波谱提供的是分于骨架信息化学位移范围达提供的是分于骨架信息化学位移范围达200，与质子与质子NMR相比要宽得多同核耦合及自旋相比要宽得多同核耦合及自旋自自旋分裂会发生，但观测不出有效地降低了图谱旋分裂会发生，但观测不出有效地降低了图谱的复杂性的复杂性1313C-NMRC-NMR的化学位移的化学位移的化学位移的化学位移 内标：内标：内标：内标：TMSTMS。以其中的以其中的以其中的以其中的1313C C核的化学位移为标准。核的化学位移为标准。核的化学位移为标准。核的化学位移为标准。变化范围：变化范围：变化范围：变化范围：0 0250ppm250ppm。各种常见的各种常见的各种常见的各种常见的1313C C核的化学位移如下：核的化学位移如下：核的化学位移如下：核的化学位移如下： 1313C-NMRC-NMR的谱图的谱图的谱图的谱图 采采采采取取取取不不不不同同同同的的的的去去去去偶偶偶偶技技技技术术术术，可可可可得得得得到到到到不不不不同同同同的的的的1313C-NMRC-NMR图图图图谱谱谱谱。常常常常见见见见的的的的有有有有宽宽宽宽带带带带去去去去偶偶偶偶谱谱谱谱、偏偏偏偏共共共共振振振振去去去去偶偶偶偶谱谱谱谱、DEPTDEPT谱等。谱等。谱等。谱等。下图是下图是下图是下图是2,2,4-2,2,4-三甲基三甲基三甲基三甲基-1,3-1,3-戊二醇的戊二醇的戊二醇的戊二醇的1313CC的宽带去偶谱：的宽带去偶谱：的宽带去偶谱：的宽带去偶谱： (四四)电子自旋共振波谱法电子自旋共振波谱法 ESR广泛地应用于研究经过自由基过程的化广泛地应用于研究经过自由基过程的化学、光化学和电化学反应还可以用于研究学、光化学和电化学反应还可以用于研究过渡金属的配合物，定量测定带有未成对电子过渡金属的配合物，定量测定带有未成对电子的金属离子等。目前一个最重要的应用是自旋的金属离子等。目前一个最重要的应用是自旋标记标记(spinLable)技术，将一带有未成对电技术，将一带有未成对电子的小分子选择性地附在大分子的某一待定位子的小分子选择性地附在大分子的某一待定位置用于研究生物化学中蛋白质和细胞膜等体置用于研究生物化学中蛋白质和细胞膜等体系的动态和静态信息。系的动态和静态信息。美国Varian核磁共振波谱仪 产地：产地：美国 AVANCE系列核磁共振波谱仪系列核磁共振波谱仪产地：瑞士、德国产地：瑞士、德国 minispec磁共振分析仪磁共振分析仪产地：德国产地：德国 AVANCE 900兆核磁共振波谱仪兆核磁共振波谱仪 产地：德国产地：德国 INCA一体化核磁共振波谱仪一体化核磁共振波谱仪产地：瑞士产地：瑞士 MQA7005台式核磁共振波谱仪（台式核磁共振波谱仪（NMR）产地：英国产地：英国