核磁共振 (物理现象结构分析手段)

核磁共振是磁矩不为零的原子核,在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂,共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支,其共振频率在射频波段,相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。核磁共振应用:核磁共振成像(MRI)检查已经成为一种常见的影像检查方式,核磁共振成像作为一种新型的影像检查技术,不会对人体健康有影响,但六类人群不适宜进行核磁共振检查:即使安装心脏起搏器的人、有或疑有眼球内金属异物的人、动脉瘤银夹结扎术的人、体内金属异物存留或金属假体的人、有生命危险的危重病人、幽闭恐惧症患者等。不能把监护仪器、抢救器材等带进核磁共振检查室。另外,怀孕不到3个月的孕妇,最好也不要做核磁共振检查。

中文名
核磁共振
外文名
Nuclear magnetic resonance
应    用
医学检查
类    属
物理学

1核磁共振

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发现病变

核磁共振成像是一种利用核磁共振原理的最新医学影像新技术,对脑、甲状腺、肝、胆、脾、肾、胰、肾上腺、子宫、卵巢、前列腺等实质器官以及心脏和大血管有绝佳的诊断功能。与其他辅助检查手段相比,核磁共振具有成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像更清晰等优点,可帮助医生“看见”不易察觉的早期病变,目前已经成为肿瘤、心脏病及脑血管疾病早期筛查的利器。

据了解,由于金属会对外加磁场产生干扰,患者进行核磁共振检查前,必须把身体上的金属物全部拿掉。不能佩戴如手表、金属项链、假牙、金属纽扣、金属避孕环等磁性物品进行核磁共振检查。此外,戴心脏起搏器,体内有顺磁性金属植入物,如金属夹、支架、钢板和螺钉等,都不能进行磁共振成像检查。进行上腹部(如肝、胰、肾、肾上腺等)磁共振检查时必须空腹,但检查前可饮足量水,有利于胃与肝、脾的界限更清晰。

发现肿瘤

核磁共振对颅脑、脊髓等疾病是目前最有效的影像诊断方法,不仅可以早期发现肿瘤、脑梗塞、脑出血、脑脓肿、脑囊虫症及先天性脑血管畸形,还能确定脑积水的种类及原因等。而针对危害中国女性生命健康的第一大妇科疾患—乳腺癌,通过核磁共振精准筛查,可以帮助发现乳腺癌早期病灶;而针对“高血压、高血脂、高血糖”等三高人群,可以通过对头部及心脏等部位的核磁检查,在身体健康尚未发出红灯警讯前,早期发现心脏病、脑梗等高风险疾病隐患。此外,核磁共振还可进行腹部及盆腔的检查,如肝脏、胆囊、胰腺、子宫等均可进行检查,腹部大血管及四肢血管成像可以明确诊断真性、假性动脉瘤,夹层动脉瘤及四肢血管的各种病变。核磁共振对各类关节组织病变诊断非常精细,对骨髓、骨的无菌性坏死十分敏感。

据了解,北京大学深圳医院医学影像科是深圳市医学重点专科,广东省临床医学影像学重点专科。该院医学影像科目前拥有世界上先进的3台磁共振(MR)扫描仪,分别是1台3.0T磁共振扫描仪、2台1.5T磁共振扫描仪。针对超声定位不准的局限,该科目前采用前列腺虚拟活检术,对前列腺癌早期诊断和鉴别。

对人无害

由于核磁共振是磁场成像,没有放射性,所以对人体无害,是非常安全的。据了解,目前世界上既没有任何关于使用核磁共振检查引起危害的报道,也没有发现患者因进行核磁共振检查引起基因突变或染色体畸变发生率增高的现象。虽然核磁共振在筛查早期病变有着独到之处,但任何检查都是有限度的,比如有些病人不适合核磁共振,就不要过度检查。他呼吁,任何患者都应遵医嘱进行检查,不要以为影像检查越贵越好,只有适合自己的检查才是最好的。

如今使用的核磁共振仪有连续波(continal wave,CW)及脉冲傅里叶(PFT)变换两种形式。连续波核磁共 振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器、放大器及记录仪等组成(见下图)。磁铁用来产生磁 场,主要有三种:永久磁铁,电磁铁[磁感应强度可高达24000 Gs(2.4 T)],超导磁铁[磁感应强度可高达190000 Gs(19 T)]。

核磁共振仪示意图核磁共振仪示意图

核磁共振波谱仪的分辨率多用频率表示(也称“兆数”)其定义是在仪器磁场下激发氢原子所需的电磁波频率。如一台磁场强度为9.4T的超导核磁中,氢原子的激发频率为400MHz,则该仪器为“400兆”的仪器。频率高的仪器,分辨率好,灵敏度高,图谱简单易于分析。磁铁上 备有扫描线圈,用它来保证磁铁产生的磁场均匀,并能在一个较窄的范围内连续精确变化。射频 发射器用来产生固定频率的电磁辐射波检测器和放大器用来检测和放大共振信号。记录仪将 共振信号绘制成共振图谱。

CW-NMR价格低廉,温度,易操作,但是灵敏度差。因此需要样品量大,且只能测定如1H/19F/31P之类天然丰度很高的核,对诸如13C之类低丰度的核则无法测定。

20世纪70年代中期出现了脉冲傅里叶核磁共振仪,它的出现使13C核磁共振的研究得以迅速开展。

脉冲变换傅里叶核磁共振波谱仪(pulse Fourier transform-NMR)与连续波仪器不同,它增设了脉冲程序控制器和数据采集处理系统,利用一个强而短(1~50μs)的脉冲将所有待测核同时激发,在脉冲终止时及时打开接收系统,采集自由感应衰减信号(FID),待被激发的核通过弛豫过程返回平衡态时再进行下一个脉冲的激发。得到的FID信号是时域函数,是若干频率的信号的叠加,在计算机中经过傅里叶变换转变为频域函数才能被人们识别。PFT-NMR在测试时常进行多次采样,而后将所得的总FID信号进行傅里叶变换,以提高灵敏度和信噪比(进行n次累加,信噪比提高n^0.5倍)。

PFT-NMR灵敏度很高,可以用于低丰度核,测试时间短(扫一次一到几秒),还可以测定核的弛豫时间,使得利用核磁共振测定反应动态成为现实。

2基本原理

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核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核,自旋运动的情况不同,它们可 以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系,大致分为三种情况,如下表。

分类
质量数
原子序数
自旋量子数I
NMR信号
I
偶数
偶数
0
II
偶数
奇数
1,2,3,…(I为整数)
III
奇数
奇数或偶数
0.5,1.5,2.5,…(I为半整数)

I值为零的原子核可以看做是一种非自旋的球体,I为1/2的原子核可以看做是一种电荷分 布均匀的自旋球体,1H,13C,15N,19F,31P的I均为1/2,它们的原子核皆为电荷分布均匀的自旋 球体。I大于1/2的原子核可以看做是一种电荷分布不均匀的自旋椭球体。

原子核在无外磁场中的运动情况如下图,微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的(方向量子化),自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下只可能有2I+ l个取向,每一个取向都可以 用一个自旋磁盘子数m来表示,m与I之间的关系是

m=I,I-1,I-2…-I

原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态,I值为1/2的核在外磁场作用下只有两种取向,各相当于m=1/2 和m=-1/2,这两种状态之间的能量差ΔE值为

一个核要从低能态跃迁到高能态,必须吸收ΔE的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射,当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时,处于低能态的自旋核 吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。当频率为ν射的射频照射自旋体系时,由于该射频的能量E射=hν射,因此核磁共振要求的条件为

目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振称为质子磁共振 (Proton Magnetic Resonance),简称 PMR,也表示为1H-NMR。13C核磁共振(Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance)简称 CMR,也表示为13C-NMR。

在外磁场的作用下,有较多1H倾向于与外磁场取顺向的排列,即处于低能态的核数目比 处于高能态的核数目

多,但由于两个能级之间 能差很小,前者比后者只占微弱的优势1H-NMR的讯号正是依靠这些微弱过剩的低能态核吸收射频电磁波的辐射能跃迁到高级而产生的。如高能态核无法返回到低能态,那么随着跃迁的不断进行,这种微弱的优势将进一步减弱直到消失,此时处于低能态的1H核数目与处于高能态核数目逐渐趋于相等,与此同步,PMR的 讯号也会逐渐减弱直到最后消失。上述这种现象称为饱和。

1H核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态,这种过程称为弛豫(relaxation),正是 因为各种机制的弛豫,使得在正常测试情况下不会出现饱和现象。弛豫的方式有两种,处于高能态的核通过交替磁场将能量转移给周围的分子,即体系往环境释放能量,本身返回低能态,这个 过程称为自旋晶格弛豫。其速率用1/T1表示,T1称为自旋晶格弛豫时间。自旋晶格弛豫降低了磁性核的总体能量,又称为纵向弛豫。两个处在一定距离内,进动频率相同、进动取向不同的 核互相作用,交换能量,改变进动方向的过程称为自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示,T2称为自旋-自旋弛豫时间。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的总体能量,又称为横向弛豫。

天然丰富的12C的I值为零,没有核磁共振信号。13C的I值为1/2,有核磁共振信号。通常 说的碳谱就是13C核磁共振谱。由于13C与1H的自旋量子数相同,所以13C的核磁共振原理与1H相同。但13C核的γ值仅约为1H核的1/4,而检出灵敏度正比于γ3,因此即使是丰度100%的13C 核,其检出灵敏度也仅为1H核的1/64,再加上13C的丰度仅为1.1%,所以,其检出灵敏度仅约 为1H核的1/6000。这说明不同原子核在同一磁场中被检出的灵敏度差别很大,13C的天然丰度 只有12C的1.108%。由于被检灵敏度小,丰度又低,因此检测13C比检测1H在技术上有更多的困难。下表是几个自旋量子数为1/2的原子核的天然丰度和相对灵敏度。

几个自旋核的天然度
元素核
天然丰度/%
1H
99.9844
13C
1.108
15N
0.365
19F
100
31P
100

3化学位移

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氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息:化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这些信 息,可以推测质子在碳胳上的位置。

根据前面讨论的基本原理,在某一照射频率下,只能在某一磁感应强度下发生核磁共振。例如:照射频率为60 MHz,磁感应强度是 14.092 Gs(14.092×10^-4 T),100 MHz—23.486 Gs(23.486×10^-4 T),200 MHz—46.973 Gs(46.973×10^-4 T)。600 MHz—140.920 Gs(140.920×10^-4 T)。但实验证明:当1H在分子中所处化学环境(化学环境是指1H的核外电子以及与1H 邻近的其它原子核的核外电子的运动情况)不同时,即使在相同照射频率下,也将在不同的共振磁场下显示吸收峰。下图是乙酸乙酯的核磁共振图谱,图谱表明:乙酸乙酯中的8个氢,由 于分别处在a,b,c三种不同的化学环境中,因此在三个不同的共振磁场下显示吸收峰。同种核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁感应强度下显示吸收峰,这称为化学位移(chemical shift)。

起因

化学位移是怎样产生的?分子中磁性核不是完全裸露的,质子被价电子包围着。这些电子 在外界磁场的作用下发生循环的流动,会产生一个感应的磁场,感应磁场应与外界磁场相反(楞次定律),所以,质子实际上感受到的有效磁感应强度应是外磁场感应强度减去感应磁场强度。即

因在相同频率电磁辐射波的照射下,不同化学环境的质子受的屏蔽效应各不相同,因此它们发生 核磁共振所需的外磁场B0也各不相同,即发生了化学位移。

对1H化学位移产生主要影响的是局部屏蔽效应和远程屏蔽效应。核外成键电子的电子云 密度对该核产生的屏蔽作用称为局部屏蔽效应。分子中其它原子和基团的核外电子对所研究的 原子核产生的屏蔽作用称为远程屏蔽效应。远程屏蔽效应是各向异性的。

表示方法

化学位移的差别约为百万分之十,要精确测定其数值十分困难。现采用相对数值表示法,即选用一个标准物质,以该标准物的共振吸收峰所处位置为零点,其它吸收峰的化学位移值根据这 些吸收峰的位置与零点的距离来确定。最常用的标准物质是四甲基硅(CH3)4Si简称TMS。选TMS为标准物是因为:TMS中的四个甲基对称分布,因此所有氢都处在相 同的化学环境中,它们只有一个锐利的吸收峰。另外,TMS的屏蔽效应很高,共振吸收在高场出现,而且吸收峰的位置处在一般有机物中的质子不发生吸收的区域内。现规定化学位移用δ来 表示,四甲基硅吸收峰的δ值为零,其峰右边的δ值为负,左边的δ值为正。测定时,可把标准物与样品放在一起配成溶液,这称为内标准法。也可将标准物用毛细管封闭后放人样品溶液中进 行测定,这称为外标准法。此外,还可以利用溶剂峰来确定待测样品各个峰的化学位移。

影响因素

化学位移取决于核外电子云密度,因此影响电子云密度的各种因素都对化学位移有影响,影 响最大的是电负性和各向异性效应。

电负性对化学位移的影响可概述为:电负性大的原子(或基团)吸电子能力强,1H核附近的吸电子基团使质子峰向低场移(左移),给电子基闭使质子峰向高场移(右移)。这是因为吸电子基团降低了氢核周围的电子云密度,屏蔽效应也就随之降低,所以质子的化学位 移向低场移动。给电子基团增加了氢核周围的电子云密度,屏蔽效应也就随之增加,所以质子的 化学位移向高场移动。下面是一些实例。

实例一:
电负性
C 2.6
N 3.0
O 3.5
δ
C—CH3(0.77~1.88)
N—CH3(2.12~3.10)
O—CH3(3.24~4.02)
实例二:
电负性
Cl 3.1
Br 2.9
I 2.6
δ
CH3—Cl(3.05)
CH2—Cl2(5.30)
CH—Cl3(7.27)
CH3—Br(2.68)
CH3—I(2.16)

电负性对化学位移的影响是通过化学键起作用的,它产生的屏蔽效应属于局部屏蔽效应。

当分子中某些基团的电子云排布不呈球形对称时,它对邻近的1H核产 生一个各向异性的磁场,从而使某些空间位置上的核受屏蔽,而另一些空间位置上的核去屏蔽, 这一现象称为各向异性效应(anisotropic effect)。

除电负性和各向异性的影响外,氢键、溶剂效应、van der Waals效应也对化学位移有影响。氢键对羟基质子化学位移的影响与氢键的强弱及氢键的电子给予体的性质有关,在大多数情况 下,氢键产生去屏蔽效应,使1H的δ值移向低场。有时同一种样品使用不同的溶剂也会使化学位移值发生变化,这称为溶剂效应。活泼氢的溶剂效应比较明显。

当取代基与共振核之间的距离小于van der Waals半径时,取代基周围的电子云与共振核周围的电子云就互相排 斥,结果使共振核周围的电子云密度降低,使质子受到的屏蔽效应明显下降,质子峰向低场移动,这称为van der Waals效应。氢键的影响、溶剂效应、van der Waals效应在剖析NMR图谱时很有用。

苯环上的氢若被推电子基取代,由于P-π共轭,使苯环电子云密度增大,质子峰向高场位移。而当有拉电子取代基则反之。对于双键等体系也有类似的效果。

4质子化学位移

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由于不同类型的质子化学位移不同,因此化学位移值对于分辨各类质子是重要的,而确定质子类型对于阐明分子结构是十分有意义的。下表列出了一些特征质子的化学位移,表中黑体字的H是要研究的质子。

特征质子的化学位移
质子的类型
化学位移
质子的类型
化学位移
RCH3
0.9
ArOH
4.5-4.7(分子内缔合10.5~16)
R2CH2
1.3
R3CH
1.5
R2C=CR—OH
15~19(分子内缔合)
0.22
RCH2OH
3.4~4
R2C=CH2
4.5~5.9
ROCH3
3.5~4
R2C=CRH
5.3
RCHO
9~10
R2C=CR—CH3
1.7
RCOCR2—H
2~2.7
RC≡CH
7~3.5
HCR2COOH
2~2.6
ArCR2—H
2.2~3
R2CHCOOR
2~2.2
RCH2F
4~4.5
RCOOCH3
3.7~4
RCH2Cl
3~4
RC≡CCOCH3
2~3
RCH2Br
3.5~4
RNH2或R2NH
0.5~5(峰不尖锐,常呈馒头形)
RCH2I
3.2~4
ROH
0.5~5.5(温度、溶剂
、浓度改变时影响很大)
RCONRH或ArCONRH
5~9.4

烷烃

甲烷氢的化学位移值为0.23,其它开链烷烃中,一级质子在高场δ≈0.91处出现,二级质子移向低场在δ≈1.33处出现,三级质子移向更低场在δ≈1.5处出现。例如:

烷烃
CH4
CH3—CH3
CH3—CH2—CH3
(CH3)3CH
δ
0.23
0.86
0.86
0.91
1.33
0.91
0.86
1.50

甲基峰一般具有比较明显的特征,亚甲基峰和次甲基峰没有明显的特征,而且常呈很复杂的峰形,不易辨认。当分子中引人其它官能团后,甲基、次甲基及亚甲基的化学位移会发生变化,但其δ值极少超出0.7~4-5这一范围。

环烷烃能以不同构象形式存在,未被取代的环烷烃处在一确定的构象中时,由于碳碳单键的 各向异性屏蔽作用,不同氢的δ值略有差异。例如,在环己烷的椅型构象中,由于C-I上的平伏键氢处于C⑵ — C⑶键及C⑸ — C⑹键的去屏蔽区,而C-I上的直立键氢不处在去屏蔽区,(图环己烷的各向异性屏蔽效应)。所以平伏键氢比直立键氢的化学位移略高0.2~0.5。在低温(-100℃)构象固定时,NMR谱图上可以清晰地看出两个吸收峰,一个代表直立键氢,一个代表平伏键氢。但在常温下,由于构象的迅速转换(图环己烷构象的转换),一般只看到一个吸收峰(见右图)。

其它未取代的环烷烃在常温下也只有一个吸收峰。环丙烷的δ值为0.22,环丁烷的δ值为1.96,别的环烷烃的δ值在1.5左右。取代环烷烃中,环上不同的氢有不同的化学位移,它们的图谱有时呈比较复杂的峰形,不易辨认。

烯烃

烯氢是与双键碳相连的氢,由于碳碳双键的各向异性效应,烯氢与简单烷烃的氢相比δ值均向低场移动3~4乙烯氢的化学位移约为5.25,不与芳基共轭的取代烯氢的化学位移约在 4.5~6.5范围内变化,与芳基共轭时δ值将增大。乙烯基对甲基、亚甲基、次甲基的化学位移也 有影响。例如:

化合物
CH4
CH3—CH=CH2
CH3—CH3
CH3—CH2—CH=CH2
(CH3)2CH2
(CH3)2CH—CH=CH2
δ
0.23
1.71
0.86
0.86
1.00
2.00
1.33
1.73

从上面的数据可以看出,同碳上有乙烯基的氢δ值约在1.59~2.14之间,变化较大,邻碳上有乙烯基的氢,δ值变化较小。

芳烃

由于受π电子环流的去屏蔽作用,芳氢的化学位移移向低场,苯上氢的δ=7.27。萘上的质 子受两个芳环的影响δ值更大,α质子的δ为7.81,β质子的δ为7.46。一般芳环上质子的在δ值在6.3~8.5范围内,杂环芳香质子的δ值在6.0~9.0范围内。

卤代烃

由于卤素电负性较强,因此使直接相连的碳和邻近碳上质子所受屏蔽降低,质子的化学位移向低场方向移动,影响按F,Cl,Br,I的次序依次下降。与卤素直接相连的碳原子上的质子化学位移一般在δ=2.16~4.4之间,相邻碳上质子所受影响减小,δ=1.25~1.55之间,相隔一个碳原子时,影响更小,δ= 1.03~1.08之间。

羧酸衍生物

酯中烷基上的质子RCOOCH2R的化学位移δH=3.7~4。酰胺中氮上的质子RCONHR 的化学位移,一般在δ= 5~9.4之间,往往不能给出一个尖锐的峰。

乙酸乙酯的核磁共振氢谱乙酸乙酯的核磁共振氢谱

羰基或氮基附近α碳上的质子具有类似的化学位移= 2~3,例如,CH3COClδH=2.67,CH3COOCH3δH=2.03, RCH2COOCH3δH=2.13,CH3CONH2δH= 2.08,RCH2CONH2δH=2.23,CH3CNδH=1.98,RCH2CNδH=2.30。

其他

醇的核磁共振谱的特点参见后文。醚α-H的化学位移约在3.54附近。

酚羟基氢的核磁共振的δ值很不固定,受温度、浓度、溶剂的影响很大,只能列出它的大致范 围。一般酚羟基氢的δ值在4~8范围内,发生分子内缔合的酚羟基氢的δ值在10.5~16范 围内。

羧酸H的化学位移在2~2.6之间。羧酸中羧基的质子由于受两个氧的吸电子作用,屏 蔽大大降低,化学位移在低场。R2CHCOOHδH=10~12。

胺中,氮上质子一般不容易鉴定,由于氢键程度不同,改变很大,有时N— H和C一H质子 的化学位移非常接近,所以不容易辨认。一般情况在α-HδH=2.7~3.1,β-Hδ=1.1~1.71。N-Hδ=0.5~5,RNH2,R2NH的δ值的大致范围在0.4~3.5,ArNH2,ArzNH,ArNHR的δ值的大 致范围在2.9~4.8之间。

5碳化学位移

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13C的化学位移亦以四甲基硅为内标,规定δTMS = 0,其左边值大于0,右边值小干0。与1H的化学位移相比,影响13C的化学位移的因素更多,但自旋核周围的电子屏蔽是重要因素之一, 因此对碳核周围的电子云密度有影响的任何因素都会影响它的化学位移。碳原子是有机分子的骨架,氢原子处于它的外围,因此分子间碳核的互相作用对δc的影响较小,而分子本身的结构及 分子内碳核间的相互作用对δc影响较大。碳的杂化方式、分子内及分子间的氢键、各种电子效 应、构象、构型及测定时溶剂的种类、溶液的浓度、体系的酸碱性等都会对δc产生影响。如今已 经有了一些计算δc的近似方法,可以对一些化合物的δc作出定性的或半定量的估算,但更加完 善的理论还有待于进一步的探讨研究。下表是根据大量实验数据归纳出来的某些基团中C的化学位移,表中黑体字的碳是要研究的对象。

一些特征碳的化学位移
碳的类型
化学位移
碳的类型
化学位移
CH4
-2.68
醚的α(三级)
70~85
直链烷烃
0~70
醚的α(二级)
60~75
四级C
35~70
醚的α(一级)
40~70
三级C
30~60
醚的α(甲基碳)
40~60
二级C
25~45
RCOOH RCOOR
160~185
一级C
0~30
RCOCl RCONH2
160-180
CH2=CH2
123.3
酰亚胺的羰基
165~180
100~150
酸酐的羰基
150-175
CH≡CH
71.9
取代尿素的羰基
150~175
65~90
胺的α(三级)
65~75
环丙烷的环
— 2.8
胺的α(二级)
50~70
(CH2)n 4~7
22~27
胺的α(一级)
40~60
苯环上的
128.5
胺的α(甲基碳)
20~45
芳烃,取代芳烃中的芳
120~160
氰基上的
110~126
芳香杂环上的
115~140
异氰基上的
155~165
-CHO
175~205
R2C=N-OH
145~165
C=C-CHO
175~195
RNCO
118~132
α-卤代醛的羰基
170~190
硫醚的α(三级)
55~70
R2C=O(包括环酮)的羰基
200~220
硫醚的α(二级)
40~55
不饱和酮和芳酮的羰基
180~210
硫醚的α(一级)
25~45
α-卤代酮的羰基
160~200
硫醚的α(甲基碳)
10~30

6偶合常数

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自旋偶合的量度称为自旋的偶合常数(coupling constant),用符号J表示,J值的大小表示 了偶合作用的强弱J的左上方常标以数字,它表示两个偶合核之间相隔键的数目,J的右下方 则标以其它信息。就其本质来看,偶合常数是质子自旋 裂分时的两个核磁共振能之差,它可以通过共振吸收的位置差别来体现,这在图谱上就是裂分峰 之间的距离。

偶合常数的大小与两个作用核之间的相对位置有关,随着相隔键数目的增加会很快减弱,一 般来讲,两个质子相隔少于或等于三个单键时可以发生偶合裂分,相隔三个以上单键时,偶合常 数趋于零。例如在丁酮中,Ha与Hb之间相隔三个单键,因此它们之间可以发生偶合裂分,而 Ha与Hb或Hb与Hc之间相隔三个以上的单键,它们之间的偶合作用极弱,也即偶合常数趋于零。但中间插人双键或三键的两个质子,可以发生远程偶合。

化学位移随外磁场的改变而改变。偶合常数与化学位移不同,它不随外磁场的改变而改变。因为自旋偶合产生于磁核之间的相互作用,是通过成键电子来传递的,并不涉及外磁场。因此, 当由化学位移形成的峰与偶合裂分峰不易区别时,可通过改变外磁场的方法来予以区别。

两张图谱分别是低分辨核磁共振仪和高分辨核磁共振仪所作的乙醛 (CH3CHO)的PMR图谱。对比这两张图谱可以发现,用低分辨核磁共振仪作的图谱,乙醛只有 两个单峰。在高分辨图谱中,得到的是二组峰,它们分别是二重峰、四重峰。乙醛在低分辨图谱 和高分辨图谱中峰数不等是因为在分子中,不仅核外的电子会对质子的共振吸收产生影响,邻近 质子之间也会因互相之间的作用影响对方的核磁共振吸收。并引起谱线增多。这种原子核之间的相互作用称为自旋-自旋偶合(spin-spin coupling),简称自旋偶合(spin coupling)。因自旋偶合而引起的谱线增多的现象称为自旋-自旋裂分,简称自旋裂分。

谱线裂分是怎样产生的?在外磁场的作用下,质子是会自旋的,自旋的质子会产生一个小的磁矩,通过成键价电子的传递,对邻近的质子产生影响。质子的自旋有两种取向,假如外界磁场感应强度为自旋时与外磁场取顺向排列的质子,使受它作用的邻近质子感受到的总磁感应 强度为B0+B',自旋时与外磁场取逆向排列的质子,使邻近的质子感受到的总磁感应强度为B0-B',因此当发生核磁共振时,一个质子发出的信号就分裂成了两个,这就是自旋裂分。一般只有相隔三个化学键之内的不等价的质子间才会发生自旋裂分的现象。

在分子中,具有相同化学位移的核称为化学位移等价的核。分子中两相同原子处于相同的 化学环境时称为化学等价(chemical equivalence),化学等价的质子必然具有相同的化学位移,例 如CH2Cl2中的两个1H是化学等价的,它们的化学位移也是相同的。但具有相同化学位移的质 子未必都是化学等价的。判别分子中的质子是否化学等价,对于识谱是十分重要的,通常判别的依据是:分子中的质子,如果可通过对称操作或快速机制互换,它们是化学等价的。通过对称轴 旋转而能互换的质子叫等位质子(homotopic proton)。

等位质子在 任何环境中都是化学等价的。通过镜面对称操作能互换的质子叫对映异位质子(enantiotopic Pmton)。一组化学位移等价(chemical shift equivalence)的核,如对组外任何其它核的偶合常数彼此之间 也都相同,那么这组核就称为磁等价(magnetic equivalence)核或磁全同核。显然,磁等价的核一定是化学等价的,而化学等价的核不一定是磁等价的。

在判别分子中的质子是否化学等价时,下面几种情况要予以注意。

⑴与不对称碳原子相连的CH2上的两个质子是化学不等价的。不对称碳原子的这种影响可以延伸到更 远的质子上。

⑵在烯烃中,若双键上的一个碳连有两个相同的基团,另一个双键碳连有两个氢,则这两 个氢是化学等价的,与带有某些双键性质的单键相连的两 个质子,在单键旋转受阻的情况下,也能用同样的方法来判别它们的化学等价性。

⑶有些质子在某些条件下是化学不等价的,在另一些条件下是化学等价的。例如环己烷 上的CH2,当分子的构象固定时,两个质子是化学不等价的,当构象迅速转换时,两个质子是化学等价的。只有化学不等价的质子才能显示出自旋偶合。

7曲线和峰面积

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核磁共振谱中,共振峰下面的面积与产生峰的质子数成正比,因此峰面积比即为不同类型质 子数目的相对比值,若知道整个分子中的质子数,即可从峰面积的比例关系算出各组磁等价质子 的具体数目。核磁共振仪用电子积分仪来测量峰的面积,在谱图上从低场到髙场用连续阶梯积 分曲线来表示。积分曲线的总髙度与分子中的总质子数目成正比,各个峰的阶梯曲线髙度与该 峰面积成正比,即与产生该吸收峰的质子数成正比。各个峰面积的相对 积分值也可以在谱图上直接用数字显示出来,如果将含一个质子的峰的面积指定为1,则图谱上 的数字与质子的数目相符。

8图谱的剖析

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1H核磁共振图谱提供了积分曲线、化学位移、峰形及偶合常数等信息。图谱的剖析就是合 理地分析这些信息,正确地推导出与图谱相对应的化合物的结构。通常采用如下步骤。

⑴标识杂质峰在1H-NMR谱中,经常会出现与化合物无关的杂质峰,在剖析图谱前,应 先将它们标出。最常见的杂质峰是溶剂峰,样品中未除尽的溶剂及测定用的氘代溶剂中夹杂的 非氘代溶剂都会产生溶剂峰。为了便于识别它们,下表列出了最常用溶剂的化学位移。

常用溶剂的化学位移
常用溶剂
化学位移
常用溶剂
化学位移
环己烷
1.40
丙酮
2.05
7.20
乙酸
2.05 8.50(COOH)*
氯仿
7.27
四氢呋喃
(α)3.60(β)1.75
乙腈
1.95
二氧六环
3.55
1,2-二氯乙烷
3.69
二甲亚砜
2.50
4.7
N,N-二甲基甲酰胺
2.77,2.95,7.5(CHO)*
甲醇
3.35 4.8*
硅胶杂质
1.27
乙醚
1.16 3.36
吡啶
(α)8.50(β)6.98(γ)7.35
*数值随测定条件而有变化。

还有两个需要标识的峰是旋转边峰和13C同位素边峰。在1H-NMR测定时,旋转的样品管 会产生不均匀的磁场,导致在主峰两侧产生对称的小峰,这一对小峰称为旋转边峰,旋转边峰与 主峰的距离随样品管旋转速度的改变而改变。在调节合适的仪器中旋转边峰可消除。13C与1H 能发生偶合并产生裂分峰,这对裂分峰称为13C同位素边峰。由于13C的大然丰度仅为1.1%,只有在浓度很大或图谱放大时才会发现13C同位素边峰。

⑵根据积分曲线计算各组峰的相应质子数,若图谱中已直接标出质子数,则此步骤可省。

⑶根据峰的化学位移确定它们的归属。

⑷根据峰的形状和偶合常数确定基团之间的互相关系。

⑸采用重水交换的方法识别活泼氢由于一OH,一NH2,一COOH上的活泼氢能与D2O发生交换。而使活泼氢的信号消失,因此对比重水交换前后的图谱可以基本判别分子中是否含有活泼氢。

⑹综合各种分析,推断分子结构并对结论进行核对。

9图谱的简化

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一级图谱比较简单,可以直接根据上面所述几个方面来进行剖析,但解剖的顺序可以根据实 际情况灵活掌握。高级图谱的谱线一般都很复杂,难以直接剖析,为了便于解剖,最好在剖析前, 先采用合理的方法简化图谱a简化图谱常用的方法请参阅有关专著。

13C的核磁共振原理与1H的核磁共振原理相同,因此13C与直接相连的氢核也会发生偶合作用。由于有机分子大都存在碳氢键,从而使裂分谱线彼此交叠,谱图变得复杂而难以辨认,只有通过去偶处理,才能使谱图变得清晰可辨。最常用的去偶法是质子(噪声)去偶法。该法采用双照射法,照射场(H2)的功率包括所有处于各种化学环境中氢的共振频率,因此能将13C与所有氧核的偶合作用消除,使只含C、H、O、N的普通有机化合物的13C-NMR谱图中,13C的信号都变成单峰,即所有不等性的13C核都有自己的独立信号。因此,该法能识别分子中不等性的碳核。下图是丙酮的13C谱。(a)是偶合谱,(b)是质子去偶谱。在偶合谱中,羰基碳(δ=206.7)与六个氢发生二键偶合,裂分成七重峰,α碳(δ=30.7)与三个氢发生一键偶合,裂分成四重峰。在质子去偶谱中,羰基碳和α碳的裂分峰均变成了单峰。丙酮有两个相同的α碳和一个羰基碳,α碳的峰强度较羰基碳的峰强度大。质子(噪声)去偶碳谱就是通常说的碳谱,又称为宽带去偶碳谱,用13C{H}表示。其它去偶的方 式还很多,有兴趣的读者请参阅有关专著。

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标签: 中国电子学会

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  • 更新时间:2017-08-06
  • 创建者:lilei
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