第十四章 核磁共振波谱法与质谱简介PPT.ppt

1 第十四章 核磁共振波谱法和质谱法简介 ◆学习目的 ◆知识要求 ◆能力要求 2 学习目的 通过学习核磁共振波谱法和质谱法了解核磁共振波谱法和质谱法产生的原理和在分析检测中的应用。 3 知识要求 1.了解核磁共振波谱法和质谱法的各自特点和用途。 2.了解核磁共振波谱和质谱产生的原理。 3.理解共振吸收、化学位移、质谱图等的含义 4 案例导入 在1946年，哈佛大学的Purcell与斯坦福大学的Bloch等人首次发现并证实核磁共振现象，并因此获得1952年诺贝尔奖。 目前NMR波谱是分子科学、材料科学和医学中研究不同物质结构、动态和物性的最有效工具之一。 哈佛大学 教授珀塞尔 斯坦福大学 教授布洛赫 5 第一节 核磁共振波谱法简介 核磁共振（NMR）指原子核放入磁场中，用适宜频率的电磁波照射，吸收能量后，发生原子核能级的跃迁的现象。 核磁共振光谱（NMR spectrum）是核磁共振信号的强度随照射波频率或外磁场磁感强度而改变的曲线。 NMR的研究对象磁性核与电磁波的相互作用 7 第一节 核磁共振波谱法简介 磁性核和非磁性核 磁矩 （一）原子核的自旋 但是，不是所有的原子核都有磁性。 8 第一节 核磁共振波谱法简介 原子核为带电粒子。原子核自旋的特征用自旋量子数I来描述，根据I值的不同，原子核分为三类： ①I=0，它们的质子数和质量数均为偶数，在磁场中不产生核磁共振信号，如12C、16O、32S等。 ②I=整数，它们的质子数为奇数，而质量数为偶数，如2H、14N等。这类核有自旋和核磁距现象，但因较复杂，目前研究得较少。 ③I=半整数，它们是质量数为奇数的核，如1H、13C 、19F、31P和15N等，这类核在磁场中能产生核磁共振信号，且其波谱较简单。其中碳谱（13C—NMR），尤其是氢谱（1H - NMR），是有机物结构分析的强有力工具之一。 9 第一节 核磁共振波谱法简介 （二）原子核的进动与核磁共振 (a)地球重力场中陀螺的进动 (b)磁场中磁性核的进动 磁性核：109种元素所有的核均带电荷，具有有磁性的核具有角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺) 10 第一节 核磁共振波谱法简介 图示：磁性核在外加磁场中的行为 此图说明：无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向； 放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行 11 第一节 核磁共振波谱法简介 图说明： (1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。 (2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差E=h。 12 第一节 核磁共振波谱法简介 N N S S S N N S 用能量等于E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。 NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。 13 第一节 核磁共振波谱法简介 例如：1H核的自旋量子数为1/2。在外加磁场中，它只能有两种取向：一种与外磁场平行，为低能级E1，以磁量子数m=+1/2表征；一种与外磁场逆平行，为高能级E2，以磁量子数m=-1/2表征。两能级之差△E为： 　　　　　　　　 其进动频率为： 　 其意义为，当用一定频率电磁波照射1H核时，若电磁辐射所提供的能量恰好等于其核能级差的能量（△E）时，1H核就吸收电磁辐射的能量，从低能级跃迁至高能级，从而产生核磁共振吸收。可以通过改变照射电磁波的频率υ（扫频），或外磁场的强度H0（扫场）来满足核的共振条件。一般情况下是采用改变外磁场的强度H0，实现核共振。  =  H0 /2 14 第一节 核磁共振波谱法简介 二、波谱图与分子结构 化学位移 原子核在一定强度的磁场中，由于共振吸收的缘故，要吸收一定频率的电磁辐射，并在核磁共振谱中的一定位置上出现吸收峰。由于原子核的性质不同，吸收电磁辐射的频率不同，而出现吸收峰的位置也不同。由于核外电子对原子核有一定的屏蔽作用，因此，原子核受核外电子屏蔽作用的影响，使吸收峰在核磁共振图谱中的位置（峰位）发生移动。 15 第一节 核磁共振波谱法简介 把一种原子核由于受化学环境的影响，其实际观察到的核磁共振频率 与完全没有核外电子时的核磁共振频率的差值，称为化学位移。 化学位移定义 或特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的化学位移，用(ppm)表示。 16 第一节 核磁共振波谱法简介 化学位移的绝对值也