材料研究方法与实验_3核磁共振.pdf

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1、核磁共振波谱法NuclearMagneticResonance(NMR)经典的物理和化学测试•合成：假设完成了一个反应并得到了一种未知化合物；•纯化：色谱法、蒸馏或重结晶等手段纯化；•测定物理性质：熔点、沸点等，并与已知化合物比较，但仍不能确定该分子的结构；•元素分析：揭示未知物的大致化学组成；•化学分析：确认未知物的官能团，但仍不能给出分子的明确结构。•例CHO，与金属钠的反应表明该分子中有羟基，但不716能给出明确的结构。事实上它有多个同分异构体：CH3CH2CH3CH3(CH2)5CH2OH

2、CH3CCH2CH2CH2OHCH3CCH2CH2OHCH3CH3……•有机化学研究的目的之一是了解分子结构细节如何影响分子的化学反应性能；•如何知道分子的详细结构？•怎样确定新生成的产物或从反应混合物中分离得到的产物正是我们所需要的呢？•核磁共振波谱学（NMR）可以确认分子中存在某些特定的原子核，计算出它们的相对数量，描述它们与其他原子之间的连接……核磁共振的历史•1945，E.M.Purcell和F.Block发现NMR现象，获52年Nobel物理学奖•1946，N.Bloembergen建立

3、驰豫理论，获81年Nobel物理学奖•1950，发现化学位移和偶合现象(a)ThefirstNMRspectrumofethanol,takenatStanfordUniversityin1951.CourtesyVarianAssociates,IncDetailofthechemicalcharacteristicsrepresentedby(a),thelowresolutionNMRspectrumattop.Modern,highresolutionspectrum•50’，出现商品NM

4、R仪•1953，A.W.Overhauser发现了NOE效应•1961，WaughCotton等开始研究高分子溶液•70’，R.R.Ernst创立FT-NMR，获91年Nobel化学奖•1975，固体NMR技术•80’，MRI成像技术：质子密度成像，投影重建成像，驰豫时间成像，化学位移成像等•90’，多种仪器的联用技术：LC-NMR、LC-MS-NMR、SFC-NMRMRI1NMR的基本原理1.1原子核的自旋与磁矩1.2原子核在静磁场中的行为1.3核磁共振现象和条件1.4核自旋态在各能级上的分布1

5、.5宏观磁化强度矢量1.6弛豫过程1.7环境效应对核磁共振频率的影响1.1原子核的自旋与磁矩¾原子核的自旋自旋量子数I各种核的自旋量子数质量数质子数中子数自旋量子数I例子偶数奇数奇数奇数偶数奇数奇数2H,6Li,14N,58Co,10B…n＝1,2,3,…偶数偶数偶数12C,16O,32S…0例：为什么碳谱不用丰度为99％的12C，而氮谱不用丰度为99％的14N？I12C＝0,I14N＝1I＞1/2的原子核表面电荷分布不均匀，存在电四极矩例：下列哪些核能产生NMR：部分核的NMR活性和天然丰度核N

6、MR活性天然丰度/%核NMR活性天然丰度/%1H99.98516O非活性99.7592H(D)0.01517O活性0.037活性2H(H)018O非活性0.20412C非活性98.8919F10013C1.1131P100活性14N99.6335Cl75.53活性15N0.3737Cl24.47自旋角动量Ph：普朗克常数I：自旋量子数¾原子核的磁矩μ（可以把I≠0的原子核看作是在溶液或空间自由漂浮的微小磁体）μPP：自旋角动量=γγ：磁旋比某些核的磁旋比γ1NMR的基本原理1.1原子核的自旋与磁矩

7、1.2原子核在静磁场中的行为1.3核磁共振现象和条件1.4核自旋态在各能级上的分布1.5宏观磁化强度矢量1.6弛豫过程1.7环境效应对核磁共振频率的影响¾原子核在磁场中的拉莫尔进动原子核在外加磁场中拉莫尔的频率：ω=⋅γB00γγ：磁旋比ν=B02πB0：外加磁场强度¾自旋核在磁场中的自旋取向磁量子数m＝I，I－1，…，－II：自旋量子数¾原子核在磁场中的能级分裂m：磁量子数，I，I－1，…，－Iγ：磁旋比h：普朗克常数B：外加磁场强度0相邻两能级的能量差相邻两能级的能量差相邻能级能量差直接取决于

8、外加磁场强度1NMR的基本原理1.1原子核的自旋与磁矩1.2原子核在静磁场中的行为1NMR的基本原理1.1原子核的自旋与磁矩1.2原子核在静磁场中的行为1.3核磁共振现象和条件1.4核自旋态在各能级上的分布1.5宏观磁化强度矢量1.6弛豫过程1.7环境效应对核磁共振频率的影响1.3核磁共振现象和条件¾核磁共振的条件（量子力学的观点）γν=B02π拉莫尔方程¾NMR条件的讨论γν=B02π1.扫频法、扫场法和脉冲法2.原子核种类不同，NMR共振频率也不同3.对于同一种原子核，核磁共振