核磁共振谱书

《核磁共振谱书》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、第十八章核磁共振波谱分析核磁共振即NuclearmagneticResonanceSpectroscopy,简称NMR。核磁共振波谱自1946年问世以来，经过50多年的连续波核磁共振（CW-NMR）、傅立叶变换核磁共振（FT-NMR）及近年发展的二维（2D-NMR）、三维（3D-NMR）乃至四维核磁共振（4D-NMR），差谱技术、极化转移、波谱编辑技术及固体核磁共振技术。核磁共振谱仪由原来的永磁、电磁铁的质子（1H）共振频率为50MHz、60MHz、80MHz、90MHz等核磁共振谱仪，发展到目前的300MHz、500MH

2、z、800MHz乃至900MHz及以上的超导核磁共振谱仪。核磁共振检测由原来的质子（1H）发展到现在的13C、14/15N、19F、31P等多种核，从简单的小分子化合物目前的肽、蛋白质等生物大分子。今天核磁共振已成为鉴定有机化合物结构及研究化学动力学等及为重要的方法。在有机化学、生物化学、物理化学、无机化学等领域及多种工业部门得到广泛的应用。18.1基本原理核磁共振的研究对象是具有磁矩的原子核。原子核是带正电的粒子，其自旋运动会产生磁矩。原子核的自旋运动与自旋量子数I有关。I=0的原子核没有自旋运动，不会产生磁矩，而I≠0

3、的原子核有自旋运动，会产生磁矩。原子核可按I的数值分为以下三类：a)中子数、质子数均为偶数，则I=0，如12C、16O、32S等。b)中子数、质子数其一为偶数，另一为奇数，则I为半整数，如：；、、、、、、、、、等；；、、、、、、、、等；；、、、等；、等。c)中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如、、等I=1；，I=2；，I=3。由上述可知，只有b)、c)类原子核具有核磁共振现象。氢原子（）原子核的，所以磁量子数m有两个值：、。也就是说，在外加磁场中，其核有两个自旋取向，时，自旋取向与外加磁场方向一致，能量较低；时，自旋取向

4、与外加磁场方向相反，能量较高。核的自旋角动量P在z轴上的投影只能取一些不连续的数值.式中为普郎克常数,；m=I；I-1,…，-I+1,-I。与此相应，原子核磁矩在z轴上的投影：式中称为磁旋比（Magnetogyricratio）,有时也称作磁旋比（Gyromagneticratio）.磁矩有磁场的相互作用能（2-3）式中为静磁感应强度。当时（2-4）当时（2-5）原子核不同能级间的能量差为（2-6）在静磁场中，如运用某一特定的电磁波来照射样品，并使其电磁波满足，核可以进行能级间的跃迁，这就是核磁共振。当然，跃迁时必须满足选

5、律，即。所以产生核磁共振的条件为：（2-7）（2-8）式中ν为电磁波频率，其相应圆周率为（2-9）同一种核，为一常数，如；磁感应强度增大，共振频率也增大。不同核不同，共振频率也不同。如时，共振频率为100Mz，为40.5Mz。核的弛豫当电磁波量子的能量等于样品分子核的某能级差△E时核可以吸收电磁波量子，从低能态跃迁到高能态，同样核也能从高能态回到低能态，释放出该频率的电磁波量子。按照波尔兹曼分布，低能态的粒子数略多于高能态的粒子数，而发生上述两种过程的几率是相同的，在核磁共振波谱中△E非常小，自发辐射的几率实际为零。固此若

6、要在一定时间间隔内持续检测到核磁共振信号，必须有某种过程存在，它使高能态的原子核能回到低能态，以保持低能态的布居数始终略大于高能态布居数，这个过程是弛豫（relaxation）过程，它是产生核磁共振信号的必要条件。若无有效的弛豫过程，高低能态核的布居数很快达到相等，此时不再有核磁共振吸收信号，这种现象叫做饱和（saturation）。需要指出的是，两能态核的布居数之差是很小的，按波尔兹曼定律来描述：Ni∝（2-10）式中Ni为第i个能级的核数目；Ei为第i个能级的能量；K为波尔兹曼常数，k=1.38×J／KT为绝对温度；e

7、为自然对数底数。或达到热平衡时，两能态的粒子数比值为：式中为高能态核的数目；为低能态核的数目；为高低能态的能量差；其余符号意义与式（2-10）相同。以为例，若外加磁场=1.4092tesla(相当于60MHz核磁共振谱仪所用的磁感强度)，温度T=300K时，低、高两能级能氢核数目之比仅为1.0000099。故此，在核磁共振中，若无有效的弛豫过程，饱和现象是容易发生的。纵向弛豫（longitudinalrelaxation）（自旋—晶格弛豫）核磁矩体系在外加磁场之前，其宏观磁化矢量（macroscopicmagnetisat

8、ionvector）M为单位体积内N个原子核磁矩的矢量和。，按照量子力学说法，其具有（2I+1）能级简并。当加上外磁场后，就有（2I+1）个不同能量的能级产生。对于而言，在中被分裂为两个能级（高能级和低能级）。核在两能级圆锥作拉莫尔进动，其宏观磁化量，方向与同向，记作，（如图）。受X轴上射频脉冲的作用下