核磁共振波谱法剖析

核磁共振波谱法

一、概述

早在1924年Pauli就预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可以发生能级的分裂。1946年美国科学家布洛赫(Bloch，斯坦福大学)和珀塞尔（Purcell，哈佛大学）分别发现在射频区（频率0.1～100MHz,波长1～1000m）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核(或称磁性核或自旋核)相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生核自旋能级的共振跃迁,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR)，他们也因此分享了1952年的诺贝尔物理奖。所产生的波谱，叫核磁共振（波）谱。通过研究核磁共振波谱获得相关信息的方法，称为核磁共振波谱法。

NMR和红外光谱、紫外—可见光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后发生能级上的跃迁，但引起核磁共振的电磁波能量很低,不会引起振动或转动能级跃迁,更不会引起电子能级跃迁。.

1949年，Kight第一次发现了化学环境对核磁共振信号的影响，并发现了信号与化合物结构有一定的关系。而1951年Arnold等人也发现了乙醇分子由三组峰组成，共振吸收频率随不同基团而异，揭开了核磁共振与化学结构的关系。

1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1956年，曾在Block实验室工作的Varian制造出第一台高分辩率的仪器，从此，核磁共振波谱法成了化学家研究化合物的有力工具，并逐步扩大其应用领域。七十年代以后，由于科学技术的发展，科学仪器的精密化、自动化，核磁共振波谱法得到迅速发展，在许多领域中已得到广泛应用，特别在有机化学、生物化学领域中的研究和应用发挥着巨大的作用。八十年代以来，又不断出现新仪器，如高强磁场的超导核磁共振波谱仪，脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪，大大提高灵敏度和分辨率，使灵敏度小的原子核能被测定；计算机技术的应用和多脉冲激发方法的采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。瑞士科学家恩斯特R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel化学奖（对核磁共振光谱高分辩方法发展作出重大贡献）。。瑞士科学家库尔特·维特里希因

“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”而获得2002年诺贝尔化学奖（一半奖金）。

产生核磁共振波谱的必要条件有三条：

·原子核必须具有核磁性质，即必须是磁性核 (或称自旋核)，有些原子核不具有核磁性质，它就不能产生核磁共振波谱。

·需要有外加磁场，磁性核在外磁场作用下发生核自旋能级的分裂，产生不同能量的核自旋能级，才能吸收能级发生能级的跃迁。

·只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收，即，这就是核磁共振波谱的选择性。由于核磁能级的能量差很小，所以共振吸收的电磁辐射波长较长，处于射频辐射光区。

核磁共振波谱法的特点：

·核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一，因为它把有机化合物最常见的组成元素氢(氢谱)或碳(碳谱)等作为“生色团”来使用的，因此它可能确定几乎所有常见官能团的环境，有的是其它光谱或分析法所不能判断的环境，NMR法谱图的直观性强，特别是碳谱能直接反映出分子的骨架，谱图解释较为容易。

·有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外，还有碳谱，氟谱，磷谱等)，因此，扩大了应用范围，各种谱之间还可以互相印证。

·可以进行定量测定，因而也可以用于了解化学反应的进程，研究反应机理，还可以求得某些化学过程的动力和热力学的参数。

·该法的缺点是：有的灵敏度比较低，但现代高级，精密的仪器可以使灵敏度极大的提高；实际上不能用于固体的测定，仪器比较昂贵，工作环境要求比较苛刻，因而影响了应用的普及性。

二、基本原理

（一）核的自旋运动

上面已述，1924年Pauli预言，某些原子核具有自旋和磁矩的性质，尔后被证实了，除了一些原子核中质子数和中子数均为偶数的核以外，其它核都具有自旋性质，

即核绕着某一个轴自身作旋转运动,称为核的自旋运动。

原子核是质子和中子的组合体。质子带有正电荷，核的自旋引起电荷运动，它等价于一个环形导体中的电流，因而会产生磁场，用右手定则可判断磁场的方向。

因此自旋核是一个磁偶极子，具有核磁矩。原子核中的质子、中子等都有质量，质量的自旋就产生角动量矩，、的取向是平行的，之间的关系为:

式中为核的磁旋比，是原子核的一种属性，一定核就具有特定的值。

如:的/特·秒，的/特·秒，等等。

角动量矩可表示为:

式中h为普朗克常数，I为核的自旋量子数，可以取0，，1，……

I＞0，P＞0，原子核有自旋角动量和自旋现象；I=0，P=0，原子核没有自旋现象。

量子力学理论及实验均证明，I的取值与原子的质量数及该元素在周期中的原子序数（也是核中的质子数）有关，某些元素I的取值如表12-1所示。

（二）自旋核在磁场中的行为

若将自旋核置于外磁场中，由于磁偶极子与外磁场的相互作用，核磁矩矢量方向(自旋轴方向)就会有一定的取向，核磁矩与外磁场方向有一定的夹角，亦就是，在外

磁场的作用下，具有磁矩的核子就具有一定的能量E，其能量与其取向角度有关。

根据经典的电磁理论，其能量为：

式中

——称为核磁子，常数，焦耳/高斯；

——以核磁子为单位表示的核的磁矩，对于一定的核，数值一定 (如的为2.793核磁子单位，的为0.702磁磁子单位)； θ——与的夹角，θ＝0时，，同向，能量最低；

——外磁场强度，高斯

在经典力学中θ是连续的，因此能量E 也是连续的。

而量子力学的原理证明，在外磁中，核磁矩的取向不是任意连续的，它只能有(2I ＋1)种取向，即自旋核在外磁场中分裂为(2I ＋1)个能级，这些能级称为塞曼能级，如:，，则(2I ＋1)＝2，表明在外磁场中分裂为2个能级。每个取向用磁量

子数m 表示，所以m 有(2I ＋1)个数值，m 的取值为I ，I －1，……－I 。所以

的取值为和。 能量E 表示为:

一般来说，自旋量子数为I 的核，其相邻两能级之差为

0H E I

μβ∆= 归纳之：在外磁场Ho 的作用下，具有的核磁子发生了能量的分裂，能级分裂的数目取决于核的自旋电子数I ，为(2I+1)，每个能级用磁量子数m 表示，m 的取值

为I ，I －1, …，－I 。每个能级的能量为。对于，

。

（三）核磁共振

量子力学模型上面已述，根据量子力学原理，核自旋能级的跃迁是吸收射频辐射的能量引起的，所以，则