第13章 核磁共振波谱分析

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1、13.1核磁共振原理13.2核磁共振波谱仪13.3化学位移和核磁共振图谱13.4自旋偶合及自旋裂分13.5一级谱图的解析第13章核磁共振波谱分析(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)13.6高级谱图和简化谱图的方法13.713C核磁共振谱红外光谱可获得化合物分子中的基团信息，但缺乏分子骨架结构信息。核磁共振波谱也是一种光谱（能量低，无线电波）主要研究的对象是：1H；13C。提供质子、碳骨架结构信息。磁性原子核处于强磁场中时，核自旋能级裂分，无线电波照射时，产生核磁共振现象，据此建立的分析方法称为核磁共振波谱法。简称NMR

2、。射频辐射——原子核(强磁场下能级分裂)——吸收──能级跃迁──NMR布洛赫首先测定了水中质子的共振吸收，珀塞尔第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。两人获得了1952年的诺贝尔奖。1950年，奈特发现乙醇中的质子显示三个独立的峰，分别对应于CH3、CH2和OH基团中的质子。与紫外、红外比较共同点都是吸收光谱不同点：紫外-可见红外核磁共振吸收能量紫外可见光200~780nm红外光780nm~1000m无线电波1~100m(波长最长，能量最小)跃迁类型电子能级跃迁振动能级跃迁自旋原子核能级跃迁NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到

3、了广泛的应用。1、原子核的自旋自旋的原子核，产生核磁矩：自旋角动量：核磁子为磁矩单位；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。核磁矩：13.1核磁共振原理磁矩的方向可用右手定则确定讨论:(1)I=0的原子核：16O；12C；22S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或I>1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，并像陀螺

4、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。2、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。当置于外磁场B0中时，相对于外磁场，有(2I+1)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。其实，两种取向不完全与外磁场平行或相反，＝54°24’和125°36’。这样，在外磁场下,核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，产生进动(拉莫进动)：进动频率0；

5、角速度0。0=20=B0磁旋比；B0外磁场强度。两种进动取向不同的氢核产生能级裂分，能级差为E△E=E2－E1=B0－(－B0)=2B0△E与核磁矩及外磁场强度成正比，B0越大，能级分裂越大，△E越大无磁场B0外加磁场E1=－B0E2=B0△E=2B0m=-1/2m=+1/2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。由射频振荡线圈产生电磁波供给。对于氢核，能级差：E=2B0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=2B0=h00=光子频率=进动频率由拉莫进动方程：0=20=B0;共振条件：

6、0=B0/(2)讨论:0=B0/(2)对于同一种核，磁旋比为定值；不同原子核，磁旋比不同。见表13-2。（1）不同原子核：固定B0，改变（扫频），在不同频率处发生共振。也可固定，改变B0（扫场），在不同磁场处发生共振。扫场方式应用较多。（2）相同原子核呢？后来的研究发现：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。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。能级分布与弛豫过程不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与

7、分配比：两能级上核数目差：1.610-5；有净吸收。处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一，而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。若高能态核不能通过有效途径释放能量回到低能态，低能态的核数越来越少，一定时间后，低能态的核数目等于高能态的核数目，这时不再吸收，核磁共振信号消失，这种现象为“饱和”。激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去，使核从高能态回到原来的低能态，这一过程为弛豫过程。弛豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。弛豫过程高能态核低能态核自发辐射的概率近似为零通过一些非辐射途径回到弛豫过程有两种：①自旋-晶