核磁共振波谱波谱分析课程课件.pptx

1、核磁共振波谱核磁共振波谱Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy几个物理量几个物理量P：自旋角动量m：磁距 m=rP r：磁旋比，对同一原子核而言，为常数，r越大表明其磁性越强，越易检测P h/2 P普朗克常数普朗克常数前言核磁共振技术发展简介 第一节 NMR基本原理 第二节 核磁共振氢谱 第三节 图谱解析前言前言用传统的化学方法解析结构，方法繁琐，用量 大，耗时长 如：鸦片中吗啡的结构确定，用了150年 时间，直到20世纪50年代。现代波谱学发展为结构解析提供强有力的手段 四大光谱：UV、IR、NMR、MSUV：是否含有发色团、助色团IR：具有何种官能团

2、MS：分子量，结构碎片NMR：结构解析的主要手段 解决立体构型问题的：CD、ORD、X-射线 单晶衍射ONHOHO吗啡morphine核磁共振技术发展简介核磁共振技术发展简介技术发展技术发展 1946年，美国斯坦福大学年，美国斯坦福大学F.Bloch和哈佛大学和哈佛大学EM Pucell几几 乎同时观测了石蜡中质子的信号乎同时观测了石蜡中质子的信号 1951年年,Arnold 发现乙醇的发现乙醇的NMR信号及与结构的关系信号及与结构的关系 1953年年,Varian公司试制了第一台公司试制了第一台NMR仪器仪器30MHz(CW-30MHz)1970年年，PFT-NMR发展成熟发展成熟 1980

3、年后年后，2D-NMR技术发展成熟技术发展成熟 近年来，近年来，3D，多维，多维NMR发展成功，可用于发展成功，可用于DNA、多肽、蛋、多肽、蛋 白的结构解析，但尚未达到常规使用的阶段白的结构解析，但尚未达到常规使用的阶段NMR现象发现于1945年，发展迅速，已成为当代研究物质 结构最有力的工具。核磁共振技术发展简介核磁共振技术发展简介Nobel Prize:1943O.Stern-测定质子磁距测定质子磁距 1944I.I.Rabi-测定原子核磁距的共振方法测定原子核磁距的共振方法 1952F.Bloch and E.M.Pucell(美国美国)-核磁共振现象核磁共振现象 1991R.R.Er

4、nst(英国英国)-傅立叶变换核磁共振傅立叶变换核磁共振 2002K.WTHRICH(瑞士瑞士)-核磁共振技术测定溶液中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第一第一节节 NMRNMR基本原理基本原理NMRNMR信号是如何产生的？信号是如何产生的？半数以上的原子核具有自旋，其中的质子、中子与电子一 样具有自旋运动,旋转时能形成环电流，产生一个小磁场，产生磁矩。原子核的自旋运动，可用自旋量子数原子核的自旋运动，可用自旋量子数(I)表征表征I-取决于质量数和原子序数取决于质量数和原子序数NMR主要研究对象主要研究对象:I=1/2 的核的核，如，如1H,13C,15N

5、,19F,31P质量数质量数原子序数原子序数INMR信号信号电荷分布电荷分布偶数偶数偶数偶数0无无均匀均匀偶数偶数奇数奇数1,2,3,有有不均匀不均匀奇数奇数奇数或偶数奇数或偶数1/23/2,5/2,有有 有有均匀均匀 不不均匀均匀一、原子核的磁一、原子核的磁距距 (核磁核磁)原子序数原子序数-一个原子核内质子的数量元素周期表2、原子核的进动、原子核的进动当核磁矩与外加磁场指向成一夹角时，则在外加磁场的作用下，核 磁矩将围绕外加磁场进行进动，称为拉莫尔进动(lamor procession)进动频率：w=H0g/2p二、原子核的进动二、原子核的进动Ho o 自旋核形成的核磁矩可看成是个小磁针，

6、没有磁场时，排列混乱。自旋核形成的核磁矩可看成是个小磁针，没有磁场时，排列混乱。当置于外加磁场下，磁矩沿外加磁场方向当置于外加磁场下，磁矩沿外加磁场方向被迫有序分布，产生能级有序分布，产生能级 差异差异二、原子核的进动二、原子核的进动高能态，不稳定 取向与H0相反低能态，较稳定 取向与H0相同二、原子核的进动二、原子核的进动自旋取自旋取向向m-磁量子数磁量子数自旋核在外加磁场H0作用下，发生自旋取向，取向是量子化的当置于外加磁场当置于外加磁场H0中时，相对于外磁中时，相对于外磁 场，可以有（场，可以有（2I+1）种取向，氢核）种取向，氢核I=1/2，故有两种取向（两个能级）：故有两种取向（两个

7、能级）：与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2;与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2;能级的跃迁只能发生在相邻能级上E=hH0g/2能级能级差越大，差越大，吸吸收能收能量量越多，越多，越越灵敏。灵敏。在不在不同磁场下同磁场下的的能级能级差差异，随异，随磁磁场大场大小小而改而改变：变：H0，NMR分辨率提高分辨率提高二、原子核的进动二、原子核的进动在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高 能级跃迁，需要吸收能量（由射频振荡线圈产生电 磁波所提供）三、核的跃迁与电磁辐三、核的跃迁与电磁辐射射 (共振共振)跃迁实质：m=1/2进动锥面翻转到 m=-1/2进动锥面的过程。三、核的跃迁与电磁辐三、核的

8、跃迁与电磁辐射射(共振共振)在静磁场中，具有核磁矩的原子存在不同能级，运 用某一特定频率的电磁波来照射被测样品，并使供 给的能量满足于能级之间的能量差，原子核即可进 行能级之间的跃迁，这就是核磁共振。综上所述，共振条件如综上所述，共振条件如下下：(1)磁性原子核-磁矩(2)外磁场-能级裂分;(3)照射频率=自旋核的进动频率在1.4092特斯拉的磁场，各种核的共振频率为：1H13C19F31P60.000 MHZ15.086 MHZ56.444 MHZ24.288 MHZ对于1H 核，不同的频率对应的磁场强度：射频 磁场强度400.9400601.40921002.35002004.700030

9、07.100050011.7500三、核的跃迁与电磁辐三、核的跃迁与电磁辐射射 (共振共振)B02 0扫频 固定磁场强度，改变射电频率对样品进行扫描 扫场 固定射电频率，改变磁场强度对样品进行扫描核磁共振仪的工作方式核磁共振仪的工作方式 对于同一种核，磁旋比为定值，B0变，射频频率变；氢核（1H）：1.409 T2.305 T共振频率 共振频率60 MHz 100 MHz 不同原子核，磁旋比不同，可以在不同的频率范围内分别得到 不同原子核的核磁共振谱；氢核（1H）：4.690 T碳核（13C)：4.690 T共振频率 共振频率200MHz50MHz现代核磁共振仪 脉冲傅立叶变换核磁共振仪(Pu

10、lsed Fourier Transform NMR Spectrometers-PFT NMR)固定磁场，由超导磁铁产生 脉冲方波 自由感应衰减信号（FID信号）经傅立叶变换得到NMR图谱核磁共振仪的工作方式核磁共振仪的工作方式NSBoB1DetectorFrequency GeneratorRecorderMagnet核磁共振仪的原理图核磁共振仪的原理图核磁共振仪的原理图核磁共振仪的原理图屏蔽效应屏蔽效应 H核在分子中不是完全裸露的，而核在分子中不是完全裸露的，而 是被价电子所包围的。因此，在外是被价电子所包围的。因此，在外 加磁场作用下，由于核外电子在垂加磁场作用下，由于核外电子在垂 直

11、于外加磁场的平面绕核旋转，从直于外加磁场的平面绕核旋转，从 而产生与外加磁场方向相反的感生而产生与外加磁场方向相反的感生 磁场磁场H。这样。这样，H核实际感受到的核实际感受到的 磁场强度为：磁场强度为：NMR的实现：的实现：HN=hu/2p(1-s)sHN，即，即NMR信号出现在高磁信号出现在高磁 场场四、屏蔽效应及其影响下的核四、屏蔽效应及其影响下的核能能级跃迁级跃迁H 实 H0 H H 0 H 0 H 0(1 )为屏蔽常数为屏蔽常数1、Boltzmann分布分布当一群当一群数数目很大目很大的的I=1/2 原子核在原子核在恒恒定的外定的外磁磁场中，场中，这些核有两种取向这些核有两种取向：m=

12、+1/2m=-1/2热平衡时，两种取热平衡时，两种取向向的原子核的原子核分分布服布服从从Boltzmann 分布分布，五、核的宏观磁化量五、核的宏观磁化量1、Boltzmann分布分布对对1H核而言，核而言，N+1/2N-1/2五、核的宏观磁化量五、核的宏观磁化量=1.000009N+1/2-低能态核数目低能态核数目N-1/2-高能态核数目高能态核数目1百万个质子中两者数目差别百万个质子中两者数目差别为为10个个低能态的核数目略多于高能态低能态的核数目略多于高能态的的核核-跃跃迁迁存存在可能在可能 两种能态分布相差甚微，跃迁两种能态分布相差甚微，跃迁几几率很率很少少灵灵敏敏度度很很低低2、驰豫

13、、驰豫高能态的原子核通过非辐射形高能态的原子核通过非辐射形式式放出放出能能量量而而回到回到低低能能 态的过程态的过程自旋一晶格驰豫（纵向驰豫）高能态的原子核将能量以热能形式传递给周围的 环境而回到低能态，自旋一自旋驰豫（横向驰豫）核自旋之间进行的内部内能量交换，高能态的将 能量传给低能态的核，使高能态核变成低能态，低能 态变成高能态。五、核的宏观磁化量五、核的宏观磁化量3、脉冲技术、脉冲技术PFT-NMR的工作方式的工作方式原理：原理：1个脉冲覆盖了核磁共振所有的频率范围，在短时间内完个脉冲覆盖了核磁共振所有的频率范围，在短时间内完 成共振，大大缩短测试时间成共振，大大缩短测试时间FT*=tp

14、五、核的宏观磁化量五、核的宏观磁化量4、傅立叶变、傅立叶变换换 Fourier Transform五、核的宏观磁化量五、核的宏观磁化量1、NMR的灵敏度的灵敏度n-自旋核数目，与天然丰度、样品量、分子量相关自旋核数目，与天然丰度、样品量、分子量相关13C天然丰度天然丰度：1.107%1H天然丰度天然丰度：99.985%r-磁旋比磁旋比,与自旋核有关的常数与自旋核有关的常数13C=6.7281041H=26.753104rad/s rad/s13C-NMR灵敏度为灵敏度为1H-NMR的的1/5800六、提六、提高高NMRNMR灵敏灵敏度度的方法的方法nH 2r3 I(I 1)S/N 0T2、增大、增大NMR灵敏度灵敏度的的方法方法加大加大H0适当增加测试温适当增加测试温度度T信号累加信号累加：PFT-NMR，增加增加扫扫描描次次数数 加大样品量：尤其对于高分子加大样品量：尤其对于高分子量量样品样品六、提六、提高高NMRNMR灵敏灵敏度度的方法的方法高低磁高低磁场场NMRNMR图谱的差别图谱的差别