核磁共振氢谱和碳谱

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1、核磁共振（nuclearmagneticresonanceNMR）是利用物质分子或原子中核的磁性,当它们处在特定的外磁场下能吸收一定能量的电磁波,记录这种吸收现象所获得的波谱,就是磁共振谱。由于这种吸收与核所处的环境有关，所以吸收的特征能反映分子结构的信息，因此核磁共振波谱是研究分子结构强有力的工具。本章重点介绍核磁共振的原理、仪器和应用，主要是1H谱。由于核磁共振主要是利用物质的磁性，所以本章首先介绍物质的磁性。2021/7/12021/7/1自旋轴称为磁旋比，每种核都有特定值对于1H1核，其值为2.6751910

2、8T-1s-1;Ⅰ为自旋量子数。第四章核磁共振氢谱§4.1核磁共振基本原理4.1.1原子核的磁矩原子核是带电粒子，通过对原子光谱精细结构研究，发现了核的自旋运动，若原子核存在自旋，就会产生核磁矩。2021/7/11、核自旋分类（用核自旋量子数Ⅰ来描述）(1)I=0的原子核:16O8；12C6；32S16无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或正整数的原子核:2H1，14N7原子的核电荷分布呈现一个椭圆体分布，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少(3)I=1/2:1H1，13C6，19F9，31P15I=

3、3/2：11B5，35Cl17，79Br35，I=5/2：17O8，127I2021/7/1这类原子的核电荷分布呈现球体分布，核电荷分布均匀,并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，对应的核磁共振波谱图简单明了。自旋量子数I=1/2原子核是核磁共振研究的主要内容。例如1H核可看作核电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，除了产生核磁矩还会产生一感应磁场，类似于一小磁体。右手法则自旋轴2021/7/12、原子核自旋能级分裂（1）核磁矩的取向：当核置于外磁场H0中时，相对于外磁场，原子核到底有多少种取向？通常用m（磁量子数）表示,取

4、值范围为I，I-1，…，-I共（2I+1）种取向。核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的，是量子化的。这种现象称为核磁矩的空间量子化。2021/7/1H0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz2021/7/1（2）核磁矩在外加磁场（Z轴）上的分量μz取决于角动量在该轴上的分量（Pz），且Pz的取值与m有关，只能取不连续的数值。由μz=γ×Pz知，2021/7/1（3）核能级分裂：若无外磁场，由于核的无序排列，不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁场作用下，

5、核磁矩按一定方向排列，对1H核磁矩有两种取向，即m=1/2,是顺磁场,能量低；m=-1/2，逆磁场，能量高。从而产生了能级的分裂现象。每一种核磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。2021/7/1由核能级分裂现象说明，高场强（外磁场强度大）的仪器比低场强仪器测得的核磁共振信号清晰。2021/7/14.1.2原子核的磁共振吸收1、原子核的进动当带正电荷的、且具有自旋量子数的核绕自旋轴旋转时则会产生磁场，当这个自旋核置于外磁场中时，该核的自旋磁场与外加磁场相互作用，使自旋轴与外磁场保持一夹角θ的回旋(摇头旋转），这种回旋

6、称为核的进动。进动频率o与外加磁场关系可用Larmor方程表示：ω(角速度)=2πo=γHO2021/7/1回旋轴2021/7/12、核磁共振吸收条件在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生电磁波的能量（h）等于核能级差△E就会有NMR（核自旋发生倒转）。2021/7/1共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场，能级裂分;(3)照射频率与进动频率相等(4)2021/7/1（1）对同一种核,为定值,H0变则射频频率变。1H：1.409T共振频率为60MHz2

7、.3488T共振频率为100MHz（2）不同原子核,不同产生共振条件不同,需要磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同核在不同频率处发生共振产生吸收。也可固定，改变H0（扫场）不同核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。2021/7/1例：计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。例：计算1H共振频率为500MHz所需要的Ho。4.1.3原子核磁能级上粒子的分布不同能级上分布核数目可由Boltzmann定律计算：2021/7/1磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比Ni、N

8、j分别为高能级（激发态）和低能级（基态）核的数目，两能级上核数目相差1.610-5；核磁信号就是靠所多出的低能级核的净吸收而产生的。2021/7/1磁核在各能级上的玻尔兹曼分布是热运态平衡。当低能级的磁核吸收了射频辐射后，被激发至高能级，同时给出共振吸收信号。但随着实验的进行，只占微弱多数的低能级磁核越来越少，最后高、低能级上的