分析化学 第十四章 核磁共振波谱法.ppt123

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1、第十四章核磁共振波谱法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)某些原子核在磁场中产生能量裂分，形成能级，当用无线电波范围内的电磁辐射对样品进行照射，可以使不同结构环境中的原子核实现共振跃迁，记录发生共振跃迁时信号的位置和强度就得到核磁共振波谱。概述⒈什么是核磁共振（NMR）⒉常用核磁共振谱:①测定氢核的核磁共振氢谱[简称氢谱(1HNMR)]。②测定碳-13核的核磁共振碳谱[简称碳谱(13CNMR)]。其中最常用的是氢谱，从氢谱中可以通过信号的位置判别不同类型的氢

2、原子；也可通过信号的裂分及偶合常数来判别氢所处的化学环境；还可通过信号强度(峰面积或积分曲线)了解各组氢间的相对比例。在碳谱中可以将弛豫时间用于结构归属的指定、构象的测定以及观察体系的运动状况。核磁共振还可以测定质子在空间的相对距离。⒊核磁共振与红外光谱比较，可获得更多的分子结构信息(如羟基)。⒋原则上凡是自旋量子数I不为零的原子核都可测得核磁共振信号。迄今为止，可用于测定结构的有1H,13C,31P,15N,17O,29Si,27Al,19F等。⒌核磁共振是有机化学结构分析中最有用的一个工具。广泛应用在化学

3、学科、生命学科及医学学科。发展历史1924年：Pauli预言了NMR的基本理论，即有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：Varian开始商用仪器开发，同年制作了第一台高分辨NMR仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。1970年：Fourier(pilsed)-NMR开始市场化。N

4、MR与IR、UV-VIS区别UV-VISIRNMR跃迁本质价电子跃迁振-转能级跃迁原子核磁能级跃迁图谱表示形式A—λT—νI—δ应用有机化合物鉴定、鉴别定量(主要)有机化合物定性(主要)(基团鉴定)1HNMR质子结构1HNMR的表示形式第一节核磁共振波谱法的基本原理一.原子核能级的分裂及其描述1.原子核之量子力学模型带电原子核自旋→自旋磁场→磁矩(沿自旋轴方向)磁矩的大小与磁场方向的角动量P有关：其中为磁旋比每种核有其固定值（如，H核为2.68×108T-1s-1)。其中h为Planck常数(6.62

5、410-27erg.sec)；m为磁量子数，其大小由自旋量子数I决定，m共有2I+1个取值，即角动量P有2I+1个取向，或者说有2I+1个核磁矩。每种取向代表一种磁能级，用m表示，其值为：I，I-1，I-2，…，-I。对氢核来说，I=1/2，其m值只能是+1/2和-1/2，即表示它在外加磁场中，自旋轴只能有两种取向：与外磁场方向相同，m=+1/2，磁能级能量较低；与外磁场方向相反，m=-1/2，磁能级能量较高。当氢核吸收了射频能量，核磁矩的取向逆转，即从低能级跃迁到高能级。质子的高能级与低能级之间的能量差为

6、：由此可见，外磁场H0越强，能级分裂ΔE越大，跃迁时产生的吸收信号越明显，仪器分辨率越高。实验证明，核自旋量子数（I）与核的质量数、质子数和中子数有关，如下表。各种核的自旋量子数及核磁性质量数（A）质子数（Z）中子数（N）自旋量子数（I）核磁性实例偶数偶数偶数0无12C,16O,32S偶数奇数奇数1,2,3,…有2H,10B,14N奇数奇或偶或奇偶1/2,3/2,5/2有1H,13C,17O19F,31P,33S讨论:1．I=0的原子核16O，12C，32S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。2．I=1或I

7、>0的原子核I=1：2H，14NI=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。在外磁场中的核，由于本身

8、自旋而产生磁场，它要与外加磁场相互作用，结果使核除了自旋以外，还同时存在一个以外磁场方向为轴线的回旋运动，这种运动方式犹如急速旋转的陀螺减速到一定程度，它的旋转轴与重力场方向有一夹角时，就一边自旋，一边围绕重力场方向作摇头圆周运动，该运动形式被称作Larmor进动。Larmor进动的能量取决于磁矩在磁场方向的分量及磁场强度。核进动的频率为：说明：质子的γ=2.67519×108T-1，①核一定时，H