3.5-核磁共振波谱NMR.ppt

核磁共振波谱 核磁共振基本原理 NMR简介 将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振 利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR 在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振吸收谱，重点介绍一维核磁共振氢谱的原理及应用 NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)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。 在强磁场中，原子核发生自旋能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25?10-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4-900MHz)时，将发生核自旋能级的跃迁----产生所谓NMR现象。 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自旋能级对射频辐射的吸收。 共同点都是吸收光谱 NMR谱所能提供的主要信息 吸收峰的数目 多重峰的数目 化学位移 耦合常数J 吸收峰的面积（比） 需指出的是：化学位移、自旋耦合（包括多重峰的数目及强度比，J值）及吸收峰峰面积是NMR进行定性及结构分析的依据，吸收峰的峰面积也是进行定量分析的基础。 原子核的磁性质 实验证明，大多数原子核都围绕某个轴自身做旋转运动称自旋运动。有机械旋转，就有角动量产生。 I：自旋量子数； 若原子核存在自旋，产生核磁矩： h：普朗克常数； 自旋角动量： 核磁子β=eh/2M c； 核磁矩： 自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征： 自旋核在磁场中的行为 无外磁场时,原子核的取向是任意的,但有外磁场存在时,原子核就会对外磁场方向发生自旋取向.按照量子力学理论,核的自旋取向数为:自旋取向数=2I+1 原子核在磁场中的每一种取向都代表了原子核的某一特定能级,并可用一个磁量子数m来表示,m取值为I,I-1,…-I，共2I＋1个。也就是说，无外磁场存在时，原子核只有一个兼并的能级，但有外磁场作用时，原先兼并的能级就要分裂为2I+1个。 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; 即在外磁场作用下，氢核的能级分裂为两个。 根据电磁理论，原子核在磁场中具有的势能：E=－hmrH0/2 π 较低能级（ｍ＝＋1/2) E1/2=－hmrH0/4 π 较高能级（m＝-1/2）E1/2=hmrH0/4 π两个能级间的能量差ΔE=hr H0/2 π 从上式可以看出：自旋量子数I=1／2的原子核由低能级向高能级跃迁时需要的能量与外加磁场强度成正比。 弛豫过程 原子核在静磁场中的进动及能量 自旋量子数不为零的原子核，在外加静磁场H0中，除了自旋外还将绕H0运动，类似于陀螺的运动，称这种运动为进动。 化学位移 由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要更大的外磁场强度(相对于裸露的氢核)来抵消屏蔽用作用的影响。 在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同(结构中不同位置)共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。 影响化学位移的因素 化学位移是由于核外电子云的抗磁性屏蔽效应引起的，因此凡是能改变核外电子云密度的因素，均可影响化学位移。常见的影响因素有诱导效应、共轭效应、磁的各向异性效应以及溶剂和氢键效应。每种磁核的 ““化学位移””就是该磁核在分子中化学环境的反映。化学位移的大小与核的磁屏蔽影响直接关联。 化学位移定义为核屏蔽与外加磁场之比。化学位移是原子核与其所处环境的函数。通常是通过相对参照物来测量的。对1 H NMR，该参照物常是Si(CH3)4. 化学位移的标准物质 核磁共振测量化学位移选用的标准物质是四甲基硅烷 [(CH3)4Si ,TMS], 它具有下列优点： TMS分子中有12个氢核,所处的化学环境完全相同，在谱图上是一个尖峰。 TMS的氢核所受的屏蔽效应比大多数化合物中氢核大，共振频率最小，吸收峰在磁场强度高场 TMS对大多数有机化合物氢核吸收峰不产生干扰。规定TMS氢核的? =0，其它氢核的?一般在TMS的一侧。 TMS具有化学惰性。 TMS 易溶于大多数有机溶剂中。采用TMS标准,测量化学位移，对于给定核磁共振吸收峰，不管使用多少MHz的仪器, ?值都是相同的。大多数质子峰的 ?在1—12之