第三章核磁共振氢谱.ppt

第三章 核磁共振波谱 3.1. 核磁基础 3.2 核磁共振氢谱 3.3 核磁共振碳谱 3.4 波谱解析 本章主要内容 1.基本原理:自旋,核磁矩,空间量子化,进动, 核跃迁 2.化学位移:屏蔽效应,定义,影响因素,计算 3.自旋与自旋系统:分裂,命名,一级,二级谱简介 4.核磁共振氢谱解析方法与示例 5.核磁共振碳铺简介:PFT-NMR原理,常用碳谱的类型和特征,碳谱的解析大致程序 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）与紫外-可见、红外吸收光谱一样，本质上都是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上的跃迁。 紫外和红外吸收光谱是分子吸收了波长为200～400nm和2.5～25μm的辐射后，分别引起分子中电子能级和分子振转能级的跃迁。 核磁共振波谱是用波长很长（约1～100 m）、频率很小（兆赫数量级，射频区）、能量很低的射频电磁波照射分子，这时不会引起分子的振动或转动能级跃迁，更不会引起电子能级的跃迁，但这种电磁波能与处在强磁场中的磁性原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁场中发生核磁能级的共振跃迁，而产生吸收信号。这种原子核对射频电磁波辐射的吸收就称为核磁共振。 1946年哈佛大学的Purcell及斯坦福大学的Bloch所领导的实验室几乎同时观察到核磁共振现象，因此他们分享了1952年的诺贝尔物理奖。而自二十世纪50年代出现第一台核磁共振商品仪器以来，核磁共振波谱法在仪器、实验方法、理论和应用等方面取得了飞跃式的进步。所应用的领域也已从物理、化学逐步扩展到生物、制药、医学等多个学科，在科研、生产和医疗中的地位也越来越重要。 1.1　原子核的自旋 核磁共振的研究对象是具有自旋的原子核。1924年Pauli预言，某些原子核具有自旋的性质，尔后被证实除了一些原子核中质子数和中子数均为偶数的核以外，其它核都可以绕着某一个轴作自身旋转运动，即核的自旋运动 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= ? 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。 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。 自旋量子数不为零的原子核都有磁矩，核磁矩的方向服从右手法则（如图7-2所示），其大小与自旋角动量成正比。 为核的磁旋比。是原子核的一种属性，不同核有其特征的值。 例：H原子?H=2.68×108T-1·S-1(特[斯拉]-1 ·秒-1) C13核的?C =6.73×107 T-1·S-1 二、核自旋能级和核磁共振 (一)核自旋能级 把自旋核放在场强为B0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,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示 m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核只有两种取向 I=1的核在B0中有三种取向 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能E, 即各能级的能量为 E=－?ZB0 I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系 由式 E = －?ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △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 (二)核磁共振 如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的核，且射频频率?恰好满足下列关系时： h ? =ΔE ΔE=2? B0 （核磁共振条件式） （1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说,，因磁矩为一定值，?—为常数，所以发生共振时，照射频率的大小取决于外磁场强度的大小。外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也相应增加；反之，则减小。 例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） 1H 的共振频率为 (2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身磁矩的大小, ?大的核，发生共振所需的照射频率也大；反之，则小。例：13C的共振频率为: 原子核之经典力学模型 当带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动(Procession)，如下图。进动频率与自旋核角速度及外加磁