波谱分析之H-NMR核磁篇

《波谱分析之H-NMR核磁篇》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、11第4章H核磁共振(H-NMR)核磁共振NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,简称NMR。11H核磁共振(H-NMR)在化学中的应用己有五十年了。NMR的理论基础是量子光学和核磁感应理论。1H核磁共振分析能够提供三种结构信息：化学位移δ、偶合常数J和各113种核的信号强度比。通过分析这些信息，可以了解特定原子(如H、C等)的化学环境、原子个数、邻接基团的种类及分子的空间构型。NMR在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应用日趋广泛。NMR己经成为现代结构分析中十分重要的手

2、段。NMR可以提供多种结构信息，不破坏样品，应用很广泛。NMR也可以作定量分析，但误差较大，不能用于痕量分析。4.1NMR的基本原理NMR的基本原理有核磁感应和量子光学能量吸收的观点两种解释。4.1.1原子核的自旋原子核有自旋现象，自旋时将产生磁矩μ。按自旋量子数的不同，可以将核分成几类：121632一类是自旋量子数I=0，这类核没有核磁矩，μ=0。如C、O、S等。这类核不能用NMR测出。另一类是自旋量子数I不等于0，这类核有核磁矩，μ≠0。这类核又可分为两种情况。一种情况是I=1/2，这类核可以看作是电荷均

3、匀分布的旋转11315192931球体。这类核是NMR测试的主要对象，如H、C、N、F、Si、P。另一种情况是I≥1，可以把它们看作是绕主轴旋转的椭球体。它们的电荷分布不均匀，有电四极矩存在，NMR信号复杂。两个大小相等方向相反的电偶极矩相隔一个很小的距离排列着，就构成了电四极矩。有些原子核就相当于227一个点电荷加一个电四极矩的作用。我们说这种核具有电四极矩，如H、Al、17O等。核的自旋量子数、原子序数、质量数之间的关系如下表所示：表4-1核的自旋与核磁共振质量数原子序自旋量子数自旋形状NMR原子核数信号

4、121628偶偶0非自旋球体无C、O、Si、3032Si、S11315奇奇或偶1/2自旋球体有H、C、N、192931F、Si、P111733奇奇或偶3/2、5/2、自旋椭球体有B、O、S、7/2Λ3579127Cl、Br、I21014偶奇1、2、3Λ自旋椭球体有H、B、N等6111315192931自旋量子数是1/2的核，如H、C、N、F、Si、P等是NMR测试的主要对象。若将原子核置于外加磁场中，则核可以有不同的自旋取向。自旋量子数为I的核，共有2I+1个自旋取向。每个自旋取向用磁量子数m表示，则m=I,

5、I-1,I-2,0ΛΛ-I。以I=1的核为例，则其共有2I+1=2×1+1=3个自旋取向，即m=1,0,-l。核由自旋产生的角动量不是任意数值，而是由自旋量子数决定的。根据量子力学理论，原子核的总角动量P的值为：hP=I(I+1)=ηI(I+1)2π式中h为普朗克常数；η=h/2π，η为角动量的单位。自旋不为零的原子核都有磁矩，其数值用μ表示：μ=γPγ叫旋磁比，它是核磁矩与自旋角动量之比γ=μ/P。4.1.2核磁共振:1B0氢原子(H)原子核自旋量子数I=1/2，所以磁量子数m1有两个值，m=+1/2、m=

6、-1/2。也就是说，H在外加磁场B0m=+1/2中，其核有两个自旋取向，m=1/2时，自旋取向与外加磁场θ一致，能量较低；m=-1/2时，自旋取向与外加磁场方向相反，θ能量较高。m=-1/2核磁矩与磁场的相互作用能为E。E=-μZH0=-γηmB01核磁矩μ在Z轴上的投影μZ，其值为：μZ=γPZ=γηm4-1H的自旋取向当m=-1/2时，E(-1/2)=-γη(-1/2)B0当m=+1/2时，E(+1/2)=-γη(+1/2)B0由量子力学的选律可知，只有Δm=±1的跃迁才是允许的。所以相邻两能级之间发生跃

7、迁的能量差为：ΔE=E(-1/2)-E(+1/2)=γηH0Bo上式表明ΔE与外加磁场B0的强度有关，ΔE随外加磁场B0的增大而增大。在磁场中的氢核的核磁矩方向与外加磁场成一定的角度θ，核一方面在绕自旋轴自旋，同时又由于自旋轴与外加磁场成一定的角度θ，所以自旋的核受到一θ个外力矩的作用，使得氢核在自旋的同时还绕顺磁场方向的一个假想轴回旋进动，叫拉莫尔（Larmor）进动。见图4-2。回旋频率υ1与外加磁场成正比：γυ1=B0图4-2原子核的自旋2π式中：γ一旋磁比，B0一外加磁场1由于在磁场中具有核磁矩的H有

8、二个不同能级，若在H0的垂直方向用电磁62波照射，核可以吸收能量从低能级跃迁到高能级。吸收的电磁波的能量等于ΔE：γhυ2=ΔE=γηB0=hB02πγ吸收的电磁波的频率为：υ2=B02π核也就是说，当υ1=υ2时，核会吸收射频的能量，由低能级跃迁到高能级，这种现象叫核磁共振。磁共振的基本关系式为：γυ=B02π同一种核，γ为一常数；磁场B0强度增大，共振频率υ也增大。不同的核41γ不同，共振频率也