第4章NMR part 1.ppt

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1、NuclearMagneticResonanceSpectroscopy(核磁共振谱)Chapter4NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequencyRadiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。在有机化合物结构鉴定中要求掌握的是1HNMR（氢谱）和13CNMR的应用。（测定有机化合物的结构，氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）与UV-vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。1924年,Pauli提出原子核磁性

2、质的慨念;1939年,Rabi观察到核磁共振现象,人类首次;1945年,美Bloch测到水中H,Purcell观察到石蜡中H;(1952年同获诺贝尔奖)1950年,发现化学位移;1953年,最早的核磁共振(1HNMR)仪问世;1970年,付里叶变换技术引入,13CNMR。让处于外磁场（Ho）中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射（射），当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。4.1.核磁共振的基本原理原子核能级的分裂及描述原子核的自旋及分类原子核具有质量并带电荷，同时存在自旋现象，自旋量子数用I表

3、示。自旋量子数（I）不为零的核都具有自旋现象和磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：质量数电荷数自旋量子数I偶数偶数016O8；12C8；32S16偶数奇数1，2，3…2H1，14N7奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2…1H1，13C6，19F917O8(1)I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）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，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

4、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。带电原子核自旋磁场磁矩(沿自旋轴方向)原子核的量子力学模型1H1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1H：=26.752；13C：=6.728，单位：107rad.T-1.S-1其中h为Planck常数(6.624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，或者说，角动量P有2I+1个状态！或者说有2I+1个核磁矩。自旋核的取向

5、在没有外电场时，自旋核的取向是任意的。在强磁场中，原子核发生能级分裂，当吸收外来电磁辐射时，将发生核能级的跃迁----产生所谓的射频辐射─原子核(能级分裂)-----吸收──能级跃迁EB射频核磁共振（NMR）现象E=–μBEB当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，氢核有两种取向(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＝－1/2E=–μB0也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。又因为，所以，原子核的经典力学模型当带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与

6、外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为拉莫进动，如下图。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用拉莫（Larmor）方程表示：此式与量子力学模型导出的式子完全相同。0称为进动频率。进动频率是很重要的，外磁场越强，进动频率越高，这可以用拉莫方程解释。质子有进动频率，这个频率是由拉莫方程计算出来的。当在B0垂直的方向上加一个射频场时，如果射频频率和质子的进动频率相等，0=，质子会从射频中吸收一部分能量，发生核磁共振。I=0的原子核没有自旋现象。I=整数，该类核有自旋，但NMR复杂，通常不用于NMR分析。如2H，14N等。I=半整数，可以用于NMR分析，特别是I=1/2的

7、核如1H，13C。经典力学和量子力学模型都说明：并非所有的核都有自旋，在外加磁场中发生能级分裂！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）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;能级分布与弛豫过程核能级分布在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的