仪器分析 第十三章 核磁共振波谱分析

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1、*第十三章核磁共振波谱分析(NMR)13.2核磁共振波谱仪13.1核磁共振原理13.3化学位移和核磁共振图谱13.4自旋偶合及自旋分裂13.5一级图谱的解析13.713C核磁共振谱13.6高级图谱和简化图谱的方法作　业附　录本章学习要求了解核磁共振波谱的基本概念和特点；掌握核磁共振产生的条件和基本原理；理解化学位移产生的原因及影响因素、化学等同和磁等同的概念；掌握某些常见基团的1H核的化学位移，自旋偶合、偶合裂分的机理及偶合常数；掌握简单1HNMR图谱的解析。*利用核磁共振光谱进行结构测定、定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法(NMR)。将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它

2、们会吸收能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振。*13.1核磁共振原理一、核的自旋大多数原子核都围绕着某个轴自身作旋转运动，这种自身旋转运动称为核的自旋运动。各种不同的原子核，自旋的情况不同，原子核自旋的情况可用自旋量子数I表示。若原子核存在自旋，产生核磁矩：核磁矩：自旋角动量：自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。实践证明，核自旋量子数I与核的质量数、质子数和中子数有关。质量数为偶数原子序数为偶数自旋量子数为0无自旋12C6，32S16，16O8质量数为偶数原子序数为奇数自旋量子数为1，2，3有自旋14N7质量数为奇数原子序数为奇或偶数自旋量子数为1/2，3/2，5/

3、2有自旋1H113C619F931P15*二、核磁共振现象当原子核置于外磁场B0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：(1)I=0的原子核16O；12C；22S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，31P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，H、C也是有机化合物的主要组成元素。I=1/2的核自旋能级裂分与B0的

4、关系1H核在磁场中，由低能级E1向高能级E2跃迁，所需能量为△E=E2－E1=B0－(－B0)=2B0△E与核磁矩及外磁场强度成正比，B0越大，能级分裂越大，△E越大无磁场B0外加磁场E1=－B0E2=B0△E=2B0m=-1/2m=+1/2*进动有频率0，产生角速度0；0=20=B0当具有磁矩的核在外磁场的作用下，核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，此时原子核的运动状态除自旋外，还附加一个以外磁场方向为轴线的回旋，它一面自旋，一面围绕着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称进动或拉摩尔进动。0＝进动频率＝光子频率磁旋比*在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级

5、跃迁，需要吸收能量——由射频振荡线圈产生的电磁波提供。对于氢核：E=2μB0产生共振需吸收的能量：E=B0=h0根据拉摩尔进动方程：0=20=B0;共振所需电磁波频率：核发生核磁共振吸收射频的频率——共振频率。*共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)有外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值(0/B0)为/(2)处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态，这种现象叫做核磁共振现象。（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说，磁矩μ为一定值，为常数，所以发生共振时，照射频率的大小取决于外磁场强度的大小。外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也相应增加；反之，则减

6、小。讨论：例：外磁场B0=4.69T（特斯拉）1H的共振频率为若外磁场B0=2.35T则=100MHz(2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身磁矩μ的大小，大的核，发生共振所需的照射频率也大；反之，则小。1H的共振频率为:（γ＝2.68）例：13C的共振频率为:（γ＝0.675）*（3）固定B0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振。固定，改变B0（扫场），不同原子核在不同场强处发生共振。扫场方式应用较多。三、核自旋能级分布和驰豫(一)核自旋能级分布1H核在磁场作用下，被分裂为m=+1/2和m=-1/2两个能级，处在低能态核和处于

7、高能态核的分布服从波尔兹曼分布定律：提高外磁场强度，降低工作温度，可减少N(-1/2)/N(+1/2)值，提高观察NMR信号的灵敏度。当B0=1.409T，温度为300K时，高能态和低能态的1H核数之比为处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一，而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。=0.99999若以合适的射频照射处于磁场的核，核吸收能量后，由低能态跃迁到高能态，其净效应是吸收，产生共振信号。若高能