核磁共振氢谱

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1、第四章核磁共振氢谱法概述核磁共振基本原理核磁共振波谱仪与实验方法核磁共振与化学位移各类质子的化学位移自旋偶合与自旋裂分核磁共振氢谱的解析第一节概述核磁共振谱是研究具有自旋性质的原子核在静磁场中与电磁波相互作用的一门学科。第二节核磁共振基本原理原子核的自旋核磁共振现象核磁共振条件核磁共振波谱仪与实验技术一、原子核的自旋若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：I：自旋量子数；h：普朗克常数；γ：磁旋比旋磁比自旋量子数（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

2、奇数1，2，3….奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2….核磁矩：P=h[I(I+1)]1/2/2π≈Ih/2π表常见核的核磁共振数据核天然丰度%自旋量子数I磁矩μ/μ0磁旋比共振频率/MHzγ/107rad·s-1·T-1（H0=2.3488T）1H99.9851/24.8372426.7519100.0002H0.01511.212664.106615.35111B80.423/23.47088.584332.08913C1.1081/21.21666.728325.14512C98.9000无共振14N99

3、.6310.570991.93387.22816O99.76000无共振17O0.0375/2-2.2407-3.627913.56119F1001/24.553225.18194.09431P1001/21.960210.84140.480原子核的磁矩原子核是一带正电荷的粒子，那么，对于具有自旋现象的原子核来说，它的自旋过程，就象一电流流过一个线圈一样，就会产生一磁场。图讨论:(1)I=0的原子核O(16)；C（12）；S（32）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，1

4、4NI=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，31P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。当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1

5、）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;m=-1/2m=+1/2H0m=-1/2m=+1/2无H0有H0简并E0图氢核的能级图氯原子核自旋量子数I=3/2，所以在外磁场中有（23/2+1=4）四种取向，即四个能级：图氯原子核能级图从图可知，能级间的能量差（△E）与外磁场强度（H0）成正比，也与磁旋比（µ/P)γ有关，其关系如下：△E=E-1/2–E+1/2=2µE光=h=△E=γhH0/2π故：=

6、γH0/2π(核磁共振现象)两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’和125°36’相互作用,产生进动(拉莫进动)进动频率0；角速度0；0=20=H0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：E=H0（磁矩）三、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，能级差：E=H0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=H0=h0由拉莫进动方程：0=20=H0;共振条件：0=H0/(

7、2)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0/H0=/(2)讨论:共振条件：0=H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（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

8、（GS）=10-4T（特拉斯）讨论:在1950年，Proctor等研究发现：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。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、饱和与弛豫1、饱和核在外磁场中，高、低能态的分布情况，可用玻尔兹曼分配定律算出。例如H0=1.4092GS,T=300K时: