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核磁共振波谱 基本原理:核磁共振波谱(NMR)是吸收光谱的一种形式。用无线电波(10~100m)照射分子,引起的具有磁性的原子核自旋能级的跃迁,即核磁共振。核磁共振波谱是测量原子核对射频辐射(4~600MHz)的吸收,这种吸收只有在高磁场中才能产生。 四大光谱:UV、IR、NMR、MS UV:是否含有发色团、助色团 IR:具有何种官能团 MS:分子量,结构碎片 NMR:结构解析的主要手段 一、原子核的自旋 原子核是带正电荷的粒子,有自旋现象,因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。在自旋时会产生核磁矩。 自旋角动量P: 式中:h为普郎克常数(6.63×10?34J·s); I为自旋量子数,与原子的质量数及原子序数有关。(I=0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, ……)。 不为零的核都具有磁矩 自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系见表: 质量数A 原子序数Z  I  NMR   原子核 偶数   偶    0   无   12C6 O832S16           奇数  奇或偶  ? 有 1H113C619F915N731P15 奇数  奇或偶 3/2,5/2 …  有  17O8,33S16 偶数   奇   1,2,3  有    2H1,14N7 讨论: (1) I=0的原子核 16 O;12 C;22 S等,无自旋,没有磁矩,不产生共振吸收 (2) I=1 或 I 1的原子核,核电荷分布可看作一个椭圆体;I=1:2H,14N, I=3/2:11B,35Cl,79Br,81Br;I=5/2:17O,127I (3)I=1/2的原子核,1H,13C,19F,31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体,是核磁共振研究的主要对象,C,H。 ●凡I值非零的原子核即具有自旋角动量P,也就具有磁矩μ,μ与P之间的关系为:         μ = γ p         式中:γ为旋磁比rad·T?1·s?1,即核磁矩与核的自旋角动量的比值,它是磁核的一个特征值;μ为磁矩,用核磁子表示,1核磁子单位等于5.05×10?27J·T?1; 二、原子核在外磁场中的行为 1.原子核在外磁场中的自旋取向与能级分裂 ●当置于外磁场H0中时,相对于外磁场, 有:自旋取向数=2I+1, 自旋取向 m=I, I-1……,-I —分别代表原子核某个特定的能级状态 ●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 原子核在外加磁场中的自旋取向:m=-1/2, 高能态取向与H0相反; m=+1/2, 低能态取向与H0相同 核动量矩及磁矩的空间量子比: 当空间存在着静磁场,且其磁力线沿z轴方向时,根据量子力学原则,原子核自旋角动量在z轴上的投影只能取一些不连续的数值: 原子核磁矩在z轴上的投影: 磁矩和磁场H0的相互作用能为 能级的跃迁只能发生在相邻能级上,?m=±1 ,?E= 2μ z H0 H0 越大, ⊿E越大 2.原子核的进动 发生自旋取向的原子核,自旋取向与H0成一定的夹角 在H0作用下,核磁距将进行进动,称为拉莫尔进动 (lamor procession)。频率n=(γ/2π)H0,则角速度w = 2pn = gH0,g 磁旋比;H0 外磁场强度 三、核磁共振条件 对于氢核,能级差: DE =2mzH0 (m磁矩) 产生共振需吸收的能量:DE = 2mzH0 = h n0 由拉莫进动方程:w = 2pn =gH0 ; 共振条件: n0 = g H0 / (2p ) 共振条件: (1) 核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分; (3)照射频率与外磁场的比值V0 / H0 = g / (2p ) g 是核的特征常数,不同磁核有不同的g值,因此在同一外磁场中,不同的磁核的共振频率是不同的。例如,当H0 =2.35T时, 1H核 g=2.67×108 T-1S-1 n0 = gH0/(2p) = 100MHz 13C核 g=0.6721×108 T-1S-1 n0 = gH0/(2p) = 25MHz 四、能级分布与弛豫过程 1、 Boltzmann分布 NMR是大量原子核的行为 在一定温度下,处于高、低两能态核的数目会达到一个平衡,即 Boltzmann平衡 在绝对温度0度时,全部核处于低能态 在无磁场时,二种自旋取向的几率几乎相等 T=300K,对1H核而言

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