核磁共振波谱法.ppt

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1、核磁共振波谱法NuclearMagneticResonanceSpectroscopy本章学习要点了解引起核磁共振的能量跃迁类型以及能量、回旋频率、磁场强度、振动频率之间的相互关系。了解发生核磁共振的必要条件以及怎样鉴别共振；了解什么因素决定着核的屏蔽作用以及这些因素将怎样影响化学位移；了解自旋—自旋偶合以及相邻核之间的相互作用；了解样的各向异性效应，氢核之间的快速交换以及氢键缔合等因素对化学位移的影响。在决定分子结构图式时，能够利用化学位移及偶合常数；能够辨认并计算因自旋—自旋干扰产生的裂分图像类型，并会测定

2、各种化学位移及偶合常数的数值。1基本原理1.1原子核的自旋自旋量子数I>0的原子核有自旋现象和自旋角动量。当I=½时，核电荷呈球形分布于核表面，它们的核磁共振现象较为简单，属于这一类的主要原子核有1H1、15N7、13C6、19F9、31P15。其中研究最多、应用最多的是1H和13C核磁共振谱。SpinquantumnumberforvariousnucleiNumberofprotonsNumberofNeutronsSpinQuantumNumber(I)ExamplesEvenEven012C,16O,3

3、2SOddEven1/21H,19F,31P""3/211B,35Cl,79Br,127IEvenOdd1/213C""5/217OOddOdd12H,14N自旋量子数自旋量子数I与原子的质量数A及原子序数Z有关。自旋角动量一些原子核有自旋现象，因而具有自旋角动量。由于核是带电粒子，故在自旋同时将产生磁矩。核磁矩与角动量都是矢量，磁矩的方向可用右手定则确定。核的自旋角动量P是量子化的，不能任意取数，并可用核的自旋量子数I表示。核磁矩(核磁子0)反映自旋核产生的磁场强度10=5.049×10-31焦耳/高斯

4、磁旋比对于给定的原子核，,r,p等为定值。H=2.7927orH=2.67519×104磁量子数若将自旋核放入场强为H0的磁场中，由于磁矩与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同的取向。按照量子力学原理，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量子数m描述之。M可取下列数值：m=I,I-1,I-2……-I1.2自旋核在磁场中的取向与能量自旋取向数按照量子理论，磁性核在外加磁场中的自旋取向不是任意的，并可按下式计算：自旋取向数=2I+1I=1/2自旋取向数=2½,-½I=1自旋取向数=31,0,-1I=2自

5、旋取向数=5-2,-1,0,1,2每一种取向即为一种不同能量的状态。不同自旋取向的能级差每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态。对于具有自旋量子数I和磁量子数m的核，量子能级的能量可用下式确定：H0——外加磁场强度，高斯（G）；μ——核的磁矩，质子的磁矩为2.7927μ0。1H在外磁场中只有m=+1/2及m=-1/2两种取向，其能量分别为：E-1/2=-μH0和E+1/2=μH0。上式表明，氢核由低能级向高能级跃迁时需要的能量△E与外加磁场强度（H0）及氢核磁矩（μ）成正比。显然，随着外加磁场强度增加

6、，则发生核的能级跃时需要的能量也相应增大；反之，则减小。同理I=1/2的不同原子核因磁矩不同，故即使在同一外加磁场强度下，发生核跃迁时需要的能量也是不同的。例如氟核磁矩<氢核磁矩，故在同一外加磁场强度下，发生核跃迁时，氢核需要的能量将要高于氟核。一般来说，自旋量子数为I的核，其相邻两能级之差为：1.3核磁共振的产生如果核的自旋是在一个均匀磁场H0中进行，而磁场指向又与核磁矩成一夹角（θ）时，则外加磁场将产生一个力矩作用于原子核，迫使核取向于外加磁场。结果核磁矩将围绕外加磁场进行回旋（或进动）。因此，自旋核在磁场

7、中存在两种运动方式。这种现象与一个自旋的陀螺在与地球重力场的重力线倾斜时作回旋的情况相似。回旋频率的大小将取决于外加磁场的强度（H0）及核“磁”的性质。NMR基本方程若原子吸收了与进动频率相同的射频，即可发生能级的跃迁，从而产生NMR。即有：上式即为NMR基本方程。有Larmor方程2为原子核进动的角速度。例当H0=14092G时，而当=100MHz时，核磁共振如果以射频照射处于外磁场H0中的核，且射频频率ν恰好满足下列关系时：hν=ΔE处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态。这种现象称为核磁共振现

8、象。此时能量即由电磁辐射向核转移。1.4饱和及驰豫1）饱和在一个体系的平衡状态下，有N＋(m=1/2)/N-(m=-1/2)=1.00000099即处于高能态的略少于低能态的原子核。当旋加外磁场时，由于跃迁，低能态的核变为高能态的，合两种核达到一种新的饱和状态。弛豫若以合适的射频照射处于磁场的核，核吸收外界能量后，由低能态跃迁至高能态，其净效应是吸收，产生共振信号。由于核外被电子云运动