1、第九章 核磁共振波譜法 在外磁場作用下，某些有磁矩的原子核能產(chǎn)生核自旋能級分裂。當用一定頻率的電磁輻射照射分子時，如果其能量大小剛好等于某原子核相鄰兩個核自旋能級的能量差，則原子核將從低自旋能級躍遷到高自旋能級，這種現(xiàn)象稱為核磁共振nuclear magnetic resonance）。第一節(jié) 概述 以核磁共振信號強度對照射頻率或磁場強度作圖，所得圖譜即為核磁共振波譜nuclear magnetic resonance spectrum，NMR）。利用核磁共振波譜對物質(zhì)進行定性、定量及結(jié)構(gòu)分析的方法稱為核磁共振波譜法。 自旋量子數(shù)I0的原子核有自旋現(xiàn)象。其中I1/2的核，核電荷呈球形均勻分布于

2、核表面，如1H、13C、15N、19F、31P等，它們的核磁共振現(xiàn)象較為簡單，是核磁共振研究的主要對象。目前研究和應用最多的是1H和13C的核磁共振波譜。下面以1H即質(zhì)子為例介紹核磁共振的基本原理。第二節(jié) 基本原理 原子核由于自旋而具有磁性，質(zhì)子自旋時產(chǎn)生一個微小磁場，就像一個小磁鐵一樣。在外加磁場的作用下，它將有兩種排列方式：一種是其磁場方向與外加磁場方向相同，另一種是其磁場方向與外加磁場方向相反。這兩種排列方式分別相應于它的低能級和高能級。當質(zhì)子吸收能量后，就會從低能級躍遷到高能級，這種能量的吸收和其它吸收光譜一樣也是量子化的。兩個能級的能量差為02BrhE磁感應強度磁旋比B0的單位為T特

3、斯拉，Tesla），的單位為T-1s-1。每種核都有其特定值，質(zhì)子的為2.68108。 用電磁波照射處于外磁場中的質(zhì)子，當電磁波的能量E = hv0恰好等于兩能級的能量差時，自旋核就會吸收能量從低能級躍遷至高能級，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。這時 002Brhhv 質(zhì)子發(fā)生核磁共振吸收電磁波的頻率，即共振頻率為 002Brv 例如，在外磁場B0 = 4.69 T的超導磁體中，質(zhì)子的共振頻率為MHz 2003.142T 69. 4sT 1068. 221180Bv無線電波區(qū)射頻去）由式 可知，要獲得NMR譜，可有兩種方式：一種是固定磁感應強度B0，連續(xù)改變電磁波頻率v0進行掃描達到共振條件，稱為掃頻；

4、另一種是固定電磁波頻率v0，連續(xù)改變磁感應強度B0進行掃描達到共振條件，稱為掃場。002Brv 核磁共振波譜儀的種類和型號很多，但儀器的結(jié)構(gòu)和組成基本相同，一般由強磁場、磁場掃描發(fā)生器、射頻振蕩器、探頭、射頻接受器和記錄處理系統(tǒng)等組成。其工作原理如下第三節(jié) 核磁共振儀 將裝有試樣的樣品管插入處于兩磁極的探頭中央。樣品溶液應為不粘滯液體，固體樣品可用非質(zhì)子溶劑如CCl4、CS2或氘代溶劑如D2O、CDCl3溶解配成溶液。測定時，利用高速氣流使樣品管均勻快速旋轉(zhuǎn)，使樣品感受的磁場均勻。繞在磁鐵兩極上的掃描線圈，在磁場掃描發(fā)生器的控制下，可在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變磁場強度。射頻振蕩器產(chǎn)生一定頻率的電磁波

5、，以用來激發(fā)核。固定射頻振蕩器產(chǎn)生的電磁波頻率，連續(xù)改變磁場強度進行掃描，當射頻振蕩器發(fā)射的電磁波頻率v0與磁感應強度B0之間的關系符合共振關系時，被測物分子中的質(zhì)子就吸收能量而發(fā)生核磁共振，產(chǎn)生的共振吸收信號和掃場的磁場強度通過射頻接受器送到記錄處理系統(tǒng)，即可獲得核磁共振波譜圖。 右圖為乙醇的核磁共振波譜圖，從圖上可以得到三方面的信息，即化學位移、積分線以及自旋耦合情況，這些信息對分子結(jié)構(gòu)分析非常重要。第四節(jié) 核磁共振波譜 1. 化學位移 如果分子中所有質(zhì)子的共振頻率都相同，則根據(jù)共振式，核磁共振譜圖上就只有一個吸收峰，它對分子結(jié)構(gòu)的分析毫無價值。但實際情況并非如此，從乙醇的核磁共振波譜可見

6、，圖譜上有三個吸收峰，即出現(xiàn)了三種不同質(zhì)子的核磁共振信號。這是因為質(zhì)子在分子中的位置及環(huán)境不同，其周圍的電子云密度不同的緣故。當質(zhì)子自旋時，其周圍的電子云也隨之轉(zhuǎn)動，在外加磁場作用下發(fā)生環(huán)流，產(chǎn)生一個與外加磁場方向相反的小感應磁場，這時質(zhì)子實際“覺得到的磁場B比孤立質(zhì)子也稱裸核理論所需外加磁感應強度B0稍有降低百萬分之幾），這種現(xiàn)象稱為屏蔽效應。由于屏蔽效應的存在，核磁共振的條件應為)1 (200Brv式中， 稱為屏蔽常數(shù)。從式可知，質(zhì)子周圍電子云密度越大，屏蔽作用越大， 越大，質(zhì)子對外界磁場的實際“覺得越小，要使核外有電子云的核產(chǎn)生核磁共振，外磁場強度必須增大。)1 (200Brv質(zhì)子在分子

7、中所處的化學環(huán)境不同，核外電子云密度不同，受到的屏蔽作用就不同。屏蔽作用強，則共振吸收峰將出現(xiàn)在高場，反之，則出現(xiàn)在低場。這種由于質(zhì)子周圍化學環(huán)境不同，其核磁共振頻率發(fā)生位移的現(xiàn)象叫化學位移chemical shift）。因為化學位移的數(shù)值極其微小，很難測量其絕對值，并且化學位移的大小與儀器的磁場強度或電磁波頻率有關，磁場強度或電磁波頻率不同，同一化學環(huán)境質(zhì)子的化學位移也不相同。為了便于比較，一般選用一種參考物質(zhì)作標準，采用相對化學位移（簡稱化學位移來表示，其定義為6010BBB樣品標準6010vvv樣品標準式中，v標準、B標準分別為標準物質(zhì)的共振頻率和共振磁感應強度；v樣品、B樣品、分別為樣

8、品的共振頻率和共振磁感應強度；B0和v0為儀器的磁感應強度和電磁波頻率。通常以四甲基硅烷TMS作為標準物質(zhì)，并規(guī)定其 值為0。 影響化學位移的因素主要有相鄰基團的電負性、磁各向異性、雜化效應、氫鍵和溶劑效應等。2. 積分線 乙醇的核磁共振波譜中從左到右呈階梯形的曲線稱為積分線。質(zhì)子的核磁共振吸收信號的強度吸收峰面積與處于某一化學環(huán)境的質(zhì)子數(shù)目有關，這是分析化合物分子結(jié)構(gòu)的又一重要信息。吸收信號的強度用吸收峰面積的積分值表示，而積分線的高度則表示積分值的大小。3. 自旋耦合 乙醇的高分辨NMR和乙醇的低分辨NMR相比，可以看到a處甲基上質(zhì)子的共振吸收峰分裂為三重峰，（b處亞甲基上質(zhì)子的共振吸收峰

9、分裂為四重峰。這種峰的分裂是由于自旋的質(zhì)子之間相互作用引起的。這種作用稱為自旋-自旋耦合spin-spin coupling）。由于自旋耦合使得相鄰核所需的外磁場強度或電磁波頻率發(fā)生更微小的改變，或加強或減弱，在高分辨的NMR譜中會引起共振吸收峰分裂，所以又叫自旋-自旋分裂spin-spin splitting）。 兩個分裂峰之間的距離稱為偶合常數(shù)coupling constant），用J表示，見圖。J值的大小反映了相鄰質(zhì)子之間相互作用的大小。J 值的大小與外磁場強度無關。五、核磁共振波譜的應用五、核磁共振波譜的應用 核磁共振波譜法是研究分子結(jié)構(gòu)核磁共振波譜法是研究分子結(jié)構(gòu)的重要工具之一，在化

10、學、生物、醫(yī)的重要工具之一，在化學、生物、醫(yī)藥衛(wèi)生和臨床等領域應用廣泛。藥衛(wèi)生和臨床等領域應用廣泛。1. 在分子結(jié)構(gòu)研究方面的應用 核磁共振波譜是研究分子結(jié)構(gòu)的重要工具之一，可用來研究分子的立體結(jié)構(gòu)構(gòu)型和構(gòu)象）、互變異構(gòu)、反應機理等。綜合核磁共振波譜圖中的各種信息，可以對物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)進行推斷。從化學位移可以推斷各種質(zhì)子的化學環(huán)境，如鄰近基團的電子效應及空間效應等。從峰的分裂情況和耦合常數(shù)可以推斷鄰近質(zhì)子的數(shù)目和種類。從各組吸收峰的相對積分面積可推斷各類質(zhì)子的比例或個數(shù)。2. 在定量分析方面的應用 核磁共振波譜中峰的積分線高度與相應的質(zhì)子數(shù)成正比，不僅可用于分子結(jié)構(gòu)分析，而且還可用于定量分析。核磁共振波譜定量的最大優(yōu)點是不需要引進任何校正因子，且不需要化合物的純樣品就可直接測出其濃度。例如英國藥典1988年版中規(guī)定慶大霉素用NMR法測定。更為重要的是，核磁共振在測定混合物中各組份的含量時更顯出其優(yōu)越性，尤其是一些平衡體系中各組分的定量，如酮式和烯醇式共存體系中各組分的定量。但由于儀器價格昂貴等缺點，該法不是常用的定量方法。3. 在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的應用 由于核磁共振可深入物體內(nèi)部，且具有不破壞樣品的特點，因此在原位、在體、實時、無損、活體分析方面有廣泛的應用前景。如活性酶的結(jié)構(gòu)、病變組織與正常組織的鑒別、藥物與受體之間的作用機制等，尤其是以1