十七、核磁共振波谱法

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1、十七、核磁共振波谱法教学目的：介绍核磁共振分析基本原理和特点；教学内容：1.核磁共振波谱法的概念；2.核磁共振波谱法的基本原理（原子核的自旋和磁距、核磁共振的产生及相关表达式和意义、饱和与驰誉）；3.有机化合物的结构与质子核磁共振波谱（化学位移、自旋偶合与裂分、一级图谱与复杂图谱、化学交换、共振吸收强度）；4.有机化合物的结构与质子核磁共振波谱；5.核磁共振波谱仪；6.核磁共振波谱法的基本应用教学重点：1．较牢固掌握核磁共振产生的条件及基本原理；2．较深入离解化学位移地概念、产生原因、表达式及影响因素；3．掌握某些常见基团的质子化学位移；4．一般了解复

2、杂图谱的概念、自旋体系的分类及复杂图谱的简化教学难点：1．核磁共振产生的条件及基本原理、表达式的意义；2．影响化学位移地各种因素；3．自旋偶合、裂分的机理；4．一级图谱的裂分规律及应用；5．图谱解析及结构分析第一节核磁共振基本原理原子核的自旋；若原子核存在自旋，产生核磁矩；自旋角动量；核磁矩I：自旋量子数；h：普朗克常数；核磁子b=eh/2Mc自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：质量数原子序数自旋量子数I偶数偶数0偶数奇数1，2，3….奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2…讨论:1．I=0的原子核O(16)；C（12）

3、；S（22）等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。2．I=1或I>0的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=5/2：17O，127I这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；3．Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P5原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。二、核磁共振现象自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当

4、置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向：　　氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;两种取向不完全与外磁场平行，q＝54°24’和125°36’相互作用,产生进动(拉莫进动)进动频率n0；角速度w0；w0=2pn0=gH0g磁旋比；H0外磁场强度；两种进动取向不同的氢核之间的能级差：DE=mH0（m磁矩）核磁共振条件在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。对于氢核，能

5、级差：DE=mH0（m磁矩）产生共振需吸收的能量：DE=mH0=hn0由拉莫进动方程：w0=2pn0=gH0;共振条件：n0=gH0/(2p)共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值n0/H0=g/(2p)讨论:共振条件：n0=gH0/(2p)（1）对于同一种核，磁旋比g为定值，H0变，射频频率n变。（2）不同原子核，磁旋比g不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率n不同。（3）固定H0，改变n（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定n，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（

6、1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分，如右图所示。5由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。四、核磁共振波谱仪1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。3．射频信号接受器（检测器）：

7、当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。第二节核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：n0=gH0/(2p)产生单一的吸收峰；实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：H=（1-s）H0s：屏蔽常数。s越大，屏蔽效应越大。n0=[g/(2p)]（1-s）H0由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（

8、相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。化学位移：n0=[g/(2p)]（1-s）H0由于屏蔽作用