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核磁共振整理.doc
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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