核磁共振波谱法

第5章核磁共振波谱法

(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR )

8.1 NMR简介

8.2 NMR基本原理

一. 原子核能级的分裂及其描述

二. 能级分布与弛豫过程

三. 化学位移与自旋-自旋分裂

8.3 NMR仪器及组成

一. 仪器分类

二. 仪器组成

8.4 核磁共振谱法的应用

8.1 NMR简介

1. 一般认识

NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(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(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25×10-3J)，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。

2. 发展历史

1924年：Pauli 预言了NMR 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）。

8.2 NMR 基本原理

一. 原子核能级的分裂及其描述

1. 原子核之量子力学模型

带电原子核自旋自旋磁场磁矩μ(沿自旋轴方向)

磁矩μ的大小与磁场方向的角动量P 有关：（γ为磁旋比）每种核有其固定γ值（如，H 核为2.68×108T -1s -1)。其中，

其中h 为Planck 常数(6.624×10-27erg.sec)；m 为磁量子数，其大小由自旋量子数I 决定，m 共有2I+1个取值，即角动量P 有2I+1 个状态！或者说有2I+1 个核磁矩。

P γμ

=I)-2,...-I 1,-I I,m (2h m ，2h m P ===其中因此π

γμπ

必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。

对氢核来说，I=1/2，其m值只能有2×1/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示H 核在磁场中，自旋轴只有两种取向：

与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低

与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高

两个能级的能量分别为：

两式相减：又因为，所以，即，B 0 的单位为特斯拉(T,Kgs -2A -1),1T=104 Gauss 也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产

生吸收。00002/1B 4h B 2h m PB B E π

γπγγμ====+00002/1B 4h B 2h m PB B E π

γπγγμ?===?=?00B 2h B 2E πγμ?==0

h E ν?=00h B 2h νπ

γ=00B 2π

γν=

2. 原子核之经典力学模型

当带正电荷的、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：

此式与量子力学模型导出的式子完全相同。ν0 称为进动频率。在磁场中的进动核有两个相反方向的取向，可通过吸收或发射能量而发生翻转。

可见，无论从何种模型看，核在磁场中都将发生分裂，可以吸收一定频率的辐射而发生能级跃迁。

00000B 2B 2π

γνγπν?

===或

3. 几点说明

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 或P=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，P≠0，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，P≠0，可以用于NMR 分析，如1H，13C。

二. 能级分布与弛豫过程(Relaxation Process)

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B 0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 ！

当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等——饱和——从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同——体系净吸收为0——共振信号消失！

幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！

)kT 2hB exp(e e N N 0kT h kT E j

i 0πγν??===??

例2：许多现代NMR 仪器所使用的磁场强度为4.69T 。请问在此磁场中，氢核可吸收多大频率的辐射？

MHz 200s 1000.22)T 69.4)(s T 1068.2(2B 1811800=×=×==???π

π

γν例1：计算在25o C 时，样品在4.69T 磁场中，其处于高、低磁能级原子核的相对个数。

999967

.0e e

e N /N 51233411801028.3)K 273)(JK 1038.1(2)

T 69.4)(s J 1063.6)(s T 1068.2(()kT

2hB (0j ====??????×?×?××??ππγ

2. 弛豫

何为弛豫？

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。

据Heisenberg 测不准原理，激发能量?E 与体系处于激发态的平均时间(寿命)成反比，与谱线变宽?ν成正比，即：

式中，?ν为谱线宽度，它与弛豫时间?t 成反比。可见，弛豫决定于处于高能级核寿命。弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫。

τ

?ν?ν??τ??π

τ??1，，h E h E 4h E ≈=≈??≥?因此而

纵向弛豫τ

：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

1

骨架(晶格)中的其它核，从而使自己返回到低能态的现象。

最大---谱线变宽小---弛豫最少发生；

a)固体样品---分子运动困难---τ

1

下降---谱线仍变宽---部分弛豫;

b)晶体或高粘度液体---分子运动较易---τ

1

c)气体或受热固体---分子运动容易---τ

较小---谱线变宽大---弛豫明显。

1

增加，纵向弛豫越少发生，谱线窄。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，τ

1

：又称自旋-自旋弛豫。当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率横向弛豫τ

2

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。

最小—谱线变宽最大(宽谱)—

a) 固体样品—结合紧密—自旋核间能量交换容易—τ

2

纵向弛豫容易。

上升—谱线变宽

b) 受热固体或液体—结合不很紧密—自旋核间能量交换较易—τ

2

较小—纵向弛豫较易；

c) 气体—自旋核间能量交换不易—τ

最大—谱线变宽最小—横向弛豫最难发生。

2

下降，越多纵向弛豫发生—谱线宽。综述：样品流动性降低(从气态到固态)，τ

2

在相同状态样品中，两种弛豫发生的作用刚好相反，只是在液态样品中，二者的弛豫时间τ1 和τ2 大致相当，在0.5-50s 之间。两种弛豫过程中，时间短者控制弛豫过程。

对于固体样品：τ1大而τ2小，此时弛豫由时间短的控制，因此谱线很宽！因为液体和气体样品的τ1和τ2均为1秒左右，能给出尖锐的谱峰，因此，在NMR 分析中，需将样品配制成液体！

思考：

a)在NMR 测量时，要消除氧杂质，为什么？

因为O 为顺磁性物质，其波动磁场会使τ1减小，使谱峰变宽。

b) 在NMR 测量时，要求将样品高速旋转，为什么？

现代食品检测技术第一部分——食品的光谱分析——核磁共振波普分析三. 化学位移与自旋-自旋分裂(Chemical Shift and Spin-spin Splitting)

1. 化学位移

现象：大多数有机物都含有氢原子(1H 核)，从前述公式可见：在B 0一定的磁场中，若分子中的所有1H 都是一样的性质，即γH 都相等，则共振频率ν0一致，这时只将出现一个吸收峰，这对NMR 来说，将毫无意义。事实上，质子的共振频率不仅与B 0有关，而且与核的磁矩或γ有关，而磁矩或γ与质子在化合物中所处的化学环境有关。

换句话说，处于不同化合物中的质子或同一化合物中不同位置的质子，其共振吸收频率会稍有不同，或者说产生了化学位移！通过测量或比较质子的化学位移——了解分子结构——这使NMR 方法的存在有了意义。

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。

00B 2π

γν=O C C H H H O H 3C CH 3CH 2CH 2CH 3CH 3

~600 Hz

B

2. 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B 0的的作用下

产生次级磁场，该原子核受到了屏蔽：

B 为核实际受到的磁场，σ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：由于不同核化学位移相差不大，有时会发生共振吸收频率漂移，因

此，实际工作中，化学位移不能直接精确测定，一般以相对值表示。具体做法：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νx 和νs ，以下式来表示化学位移δ：

δ无量纲，对于给定的质子峰，其值与射频辐射无关。

00)1(B B B B σσ?=?=)ppm (106s

s x ×?=νννδ

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σ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。Si CH 3

CH 3

H 3C 3

3. 影响化学位移的因素

从前式可知，凡是影响屏蔽常数σ（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。

1）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)---σ下降---产生共振所需磁场强度小---吸收峰向低场移动；

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 2H 4 比：

a)图：氧孤对电子与C 2H 4双键形成p-π共轭，—CH 2上质子电子云密度增加，移向高场。b)图：羰基双键与C 2H 4 π-π共轭，—CH 2上质子电子云密度降低，移向低场。

000B )1(B B B σσ?=?=C Cl

H H H C C H

H H O CH3C C H H H CH3

C O

现代食品检测技术第一部分——食品的光谱分析——核磁共振波普分析3）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。

图1：C 2H 4 中π电子云分布于σ键所在平面上下方，感应磁场将空间分成屏蔽区（+）和去屏蔽区（-），

由于质子位于去屏蔽区，与C 2H 6（δ=0.85）相比移向低场(δ=5.28)。

图2：C 2H 2 中三键π电子云分布围绕C-C 键呈对称圆筒状分布，质子处于屏蔽区，其共振信号位于高场（δ=1.8）。

图3：苯分子与C 2H 4 的情况相同，即苯的质子移向低场（δ=7.27）；对于其它苯系物，若质子处于苯环

屏蔽区，则移向高场；醛基质子处于去屏蔽区，且受O 电负性影响，故移向更低场（δ=7.27）。

4）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。

5）自旋耦合与自旋分裂现象：CH 3CH 2OH 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，—CH 2

和CH 2中的质子出现了更多的峰，这

表明它们发生了分裂。如右图。

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。该种耦合使原有的谱线发生分裂的现象称之为自旋-自旋分裂。

耦合能力大小以自旋耦合常数n J 表示（n 为两H 氢间的键数）。必须注意：偶合常数与化学位移都用?ν表示。但与化学位移不同的是，偶合常数n J 或自旋分裂程度的大小与场强无关。因此可以通过改变B 0，看?ν是否变化来判断是何种位移。

C C

Cl Cl H b1

H a Cl H B 0H a B 增加(低场)B 减小(高场)B 不变(不变)H b

B 增加(低场)B 减小(高场)三重峰1:1:2双重峰1:1