核磁共振波谱原理及应用 2014

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1、核磁共振谱波谱原理及应用实验室与设备管理处现代分析方法研究中心秦海娟1一、核磁共振波谱的意义二、磁共振波谱的基本原理三、核磁共振波谱仪器的基本组成四、核磁共振波谱主要信息五、核磁共振波谱实验六、一维氢谱七、核磁共振氢谱解析八、核磁共振波谱的应用目录2第一节核磁共振波的意义有机波谱中的四大谱：紫外吸收光谱－－分子中官能团红外光谱－－分子中化学键核磁共振波谱－－分子中的原子质谱－－分子量3核磁共振或简称NMR是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法。核磁共振与紫外、红外吸收光谱一样都是微观粒子

2、吸收电磁波后在不同能级上的跃迁。紫外和红外吸收光谱是分子分别吸收波长为200~400nm和2.5~25μm的辐射后，分别引起分子中电子的跃迁和原子振动能级的跃迁。而核磁共振波谱中是用波长很长（约106~109μm，在射频区）、频率为兆赫数量级、能量很低的电磁波照射分子，这时不会引起分子的振动或转动能级的跃迁，更不会引起电子能级的跃迁。但这种电磁波能与处在强磁场中的磁性原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁，从而产生吸收信号。这种原子核对射频电磁波辐射的吸收就称为核磁共振波谱。

3、4HCHHmmm(10-6m)nm(10-9m)A(10-10m)核磁共振研究的材料称为样品。样品可以处于液态，固态。众所周知,宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成，原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成。核磁共振研究的对象是原子核。一滴水大约由1022分子组成。5第二节核磁共振波的基本原理原子核是微观粒子，它的许多特性是量子化的，不能用经典概念来解释。凡是质量数和原子序数之一是奇数的核，I均不为零，亦即有自旋现象；只有质量数和原子序数均为偶数的核的I才为零，亦即没有自旋现象

4、，不会产生核磁共振吸收，这类核在核磁共振研究上是没有意义的。6吸收（或发射）光谱，检测分子中某种原子核对射频的吸收。只有自旋量子数（I）不为零的核才有NMR信号质量数和原子序数都为偶数I=0(12C,16O)质量数为偶数，原子序数为奇数I=整数(14N,2H,10B)质量数为奇数I=半整数(1H,13C,15N,31P)I=1或I>1的原子核，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；I=1/2的原子核，原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自

5、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（1H，13C，15N，19F，31P）原子核的自旋态是量子化的:m=I,(I-1),(I-2),…,-Im为磁量子数.7对于1H,13C,15N,31P（生物相关的核）:m=1/2,-1/2这表明这些核只有两种状态（能级）.原子核另一个重要的参数是磁矩（m）:m=gIh/2p磁矩是一个矢量，它给出了“原子核磁体”的方向和大小（强度）h为普朗克常数g为旋磁比,不同的原子核具有不同的旋磁比，是磁性核的一个特征常数不同的原子核具

6、有不同的磁矩8在基态下核自旋是无序的，彼此之间没有能量差。它们的能态是简并的:由于原子核具有核磁矩，当外加一个强磁场时（Ho），核磁矩的取向会与外磁场平行或反平行:取向与外磁场平行核的数目总是比取向反平行的核稍多。Ho=gh/4p磁场的作用（对I=½）9m=gIh/2p当外加一个磁场时，取向与外磁场（Ho）平行和反平行的核之间会有能量差:每个能级都有不同的布居数（N）,布居数的差别与能量差有关遵守Boltzmman分布:Na/Nb=eDE/kT400MHz（Ho=9.5T）下的1H，能量差为3.8x

7、10-5Kcal/molNa/Nb=1.000064与UV或IR相比，布居数的差别很小。------检测灵敏度低Ho=0Ho>0DE=hnab能量和布居数10原子核的能量（对于一个核自旋）与核磁矩和外加磁场的大小成正比:E=-m.HoE(up)=ghHo/4p---E(down)=-ghHo/4pDE=ghHo/2p这个能量的差就是每个核可以吸收的能量（与信号的强度和灵敏度直接相关）:磁体的磁场越强（大的Ho），NMR谱仪的灵敏度就越高。具有较大g值的核，吸收或发射的能量就越大，也就越灵敏。灵敏度

8、与m、Na-Nb及“线圈的磁通量”都成正比，这三者都与g成正比，所以灵敏度与g3成正比。如果考虑同位素的天然丰度,13C(~1%)的灵敏度要比1H低上6400倍。g13C=6,728rad/Gg1H=26,753rad/G仅仅是g的原因，1H的灵敏度就大约是13C的64倍能量和灵敏度11能量与频率是相关的，我们可以作一些简单的数学变换：DE=hnn=gHo/2pDE=ghHo/2p对于1H来说，在通常的磁体中(2.35-18.6T),其共振的频率在100-800MHz