核磁共振波譜法(Nuclear Magnetic Resonance,簡寫為NMR)與紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、質譜被人們稱為“四譜",是對各種有機和無機物的成分、結構進行定性分析的強有力的工具之一,亦可進行定量分析。
核磁共振(NMR,Nuclear Magnetic Resonance)是基于原子尺度的量子磁物理性質。具有奇數(shù)質子或中子的核子,具有內在的性質:核自旋,自旋角動量。核自旋產生磁矩。NMR觀測原子的方法,是將樣品置于外加強大的磁場下,現(xiàn)代的儀器通常采用低溫超導磁鐵。核自旋本身的磁場,在外加磁場下重新排列,大多數(shù)核自旋會處于低能態(tài)。我們額外施加電磁場來干涉低能態(tài)的核自旋轉向高能態(tài),再回到平衡態(tài)便會釋放出射頻,這就是NMR訊號。利用這樣的過程,我們可以進行分子科學的研究,如分子結構,動態(tài)等。
分類:核磁測試可分為固體、液體核磁;測試元素有碳譜(13C)、氫譜(1H)
其中氫譜的優(yōu)點主要表現(xiàn)在(1)靈敏度高;(2)得到的信號較多,除了化學位移和積分值,還有偶合常數(shù)和峰型. 缺點也很明顯,那就是化學位移窄(0~15 ppm),很多化合物都含有氫原子,所以說如果待測物是混合物,甲基亞甲基上的氫信號容易重疊,所以一般對目標化合物的純度有要求。
碳譜則相反,靈敏度大打折扣,但專屬性好,化學位移寬,0~200 ppm。總結下來各有千秋!
除了運用在醫(yī)學成像檢查方面,在分析化學和有機分子的結構研究及材料表征中運用最多。
1. 有機化合物結構鑒定
一般根據(jù)化學位移鑒定基團;由耦合分裂峰數(shù)、偶合常數(shù)確定基團聯(lián)結關系;根據(jù)各H峰積分面積定出各基團質子比。核磁共振譜可用于化學動力學方面的研究,如分子內旋轉,化學交換等,因為它們都影響核外化學環(huán)境的狀況,從而譜圖上都應有所反映。
2. 高分子材料的NMR成像技術
核磁共振成像技術已成功地用來探測材料內部的缺陷或損傷,研究擠塑或發(fā)泡材料,粘合劑作用,孔狀材料中孔徑分布等??梢员挥脕砀倪M加工條件,提高制品的質量。
3. 多組分材料分析
材料的組分比較多時,每種組分的 NMR 參數(shù)獨立存在,研究聚合物之間的相容性,兩個聚合物之間的相同性良好時,共混物的馳豫時間應為相同的,但相容性比較差時,則不同,利用固體 NMR 技術測定聚合物共混物的馳豫時間,判定其相容性,了解材料的結構穩(wěn)定性及性能優(yōu)異性。
此外,在研究聚合物還用于研究聚合反應機理、高聚物序列結構、未知高分子的定性鑒別、機械及物理性能分析等等。
樣品量
不同場強需要的樣品量不同,如300兆核磁、分子量是幾百的樣品,測氫譜大約需要2mg以上的樣品,測碳譜大約需要10mg以上。600兆核磁測氫譜大約需要幾百微克。
氘代試劑的選擇
因為測試時溶劑中的氫也會出峰,溶劑的量遠遠大于樣品的量,溶劑峰會掩蓋樣品峰,所以用氘取代溶劑中的氫,氘的共振峰頻率和氫差別很大,氫譜中不會出現(xiàn)氘的峰,減少了溶劑的干擾。在譜圖中出現(xiàn)的溶劑峰是氘的取代不wan全的殘留氫的峰。另外,在測試時需要用氘峰進行鎖場。
由于氘代溶劑的品種不是很多,要根據(jù)樣品的極性選擇極性相似的溶劑,氘代溶劑的極性從小到大是這樣排列的:苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亞砜、吡啶、甲醇、水。還要注意溶劑峰的化學位移,最好不要遮擋樣品峰。
是否必須加TMS
測試樣品加TMS(四甲基硅烷)是作為定化學位移的標尺,也可以不加TMS而用溶劑峰作標尺。
1. 解析核磁共振氫譜
一般先確定孤立甲基及類型,以孤立甲基峰面積的積分高度,計算出氫分布;其次是解析低場共振吸收峰(如醛基氫、羰基氫等),因這些氫易辨認,根據(jù)化學位移,確定歸屬;最后解析譜圖上的高級偶合部分,根據(jù)偶合常數(shù)、峰分裂情況及峰型推測取代位置、結構異構、立體異構等二級結構信息。
2. 解析核磁共振碳譜
一般先查看全去偶碳譜上譜線數(shù)與分子式中所含碳數(shù)是否相同?數(shù)目相同說明每個碳的化學環(huán)境都不同,分子無對稱性;數(shù)目不相同(少)說明有碳的化學環(huán)境相同,分子有對稱性;然后由偏共振譜,確定與碳偶合的氫數(shù);最后由各碳的化學位移,確定碳的歸屬。
3. 結合應用碳譜和氫譜
C譜和H譜可互相補充。H譜不能測定不含氫的官能團,如羰基和氰基等;對于含碳較多的有機物,如甾體化合物,常因烷氫的化學環(huán)境相似,而無法區(qū)別,這是氫譜的弱點;而碳譜彌補了氫譜的不足,它能給出各種含碳官能團的信息,幾乎可分辨每一個碳核,能給出豐富的碳骨架信息。但是普通碳譜的峰高常不與碳數(shù)成正比是其缺點,而氫譜峰面積的積分高度與氫數(shù)成正比,因此二者可互為補充。
1.元素周期表中所有元素都可以測出核磁共振譜嗎?
不是。首先,被測的原子核的自旋量子數(shù)要不為零;其次,自旋量子數(shù)最好為1/2(自旋量子數(shù)大于1的原子核有電四極矩,峰很復雜);第三,被測的元素(或其同位素)的自然豐度比較高(自然豐度低,靈敏度太低,測不出信號)。
2. 怎么在H譜中更好的顯示活潑氫?
與O、S、N相連的氫是活潑氫,想要看到活潑氫一定選擇氘代氯仿或DMSO做溶劑。在DMSO中活潑氫的出峰位置要比CDCl3中偏低場些?;顫姎溆捎谑軞滏I、濃度、溫度等因素的影響,化學位移值會在一定范圍內變化,有時分子內的氫鍵的作用會使峰型變得尖銳。
3. 怎么做重水交換?
為了確定活潑氫,要做重水交換。方法是:測完樣品的氫譜后,向樣品管中滴幾滴重水(不宜加入過多,一般1-2滴即可),振搖一下,再測氫譜,譜中的活潑氫就消失了。醛氫和酰胺類的氨基氫交換得很慢,需要長時間放置再測譜或者用電吹風加熱一下,放置一會再進行檢測。此時會發(fā)現(xiàn)譜圖中水峰信號增強,在CDCl3中此時的HDO峰會在4.8ppm的位置。此外,甲醇和三氟醋酸都有重水交換作用,看不到活潑氫的峰。
4. 解析合成化合物的譜、植物中提取化合物的譜和未知化合物的譜,思路有什么不同?
合成化合物的結果是已知的,只要用譜和結構對照就可以知道化合物和預定的結構是否一致。對于植物中提取化合物的譜,首先應看是哪一類化合物,然后用已知的文獻數(shù)據(jù)對照,看是否為已知物,如果文獻中沒有這個數(shù)據(jù)則繼續(xù)測DEPT譜和二維譜,推出結構。對于一個全未知的化合物,除測核磁共振外,還要結合質譜、紅外、紫外和元素分析,一步步推測結構。
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