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第八章核磁共振波谱法
NuclearMagneticResonanceSpectroscopy
8—1概述
8—2基本原理
8—3化学位移的产生与表示
8—4化学位移与分子结构的关系
8—5核磁共振装置
8—6自旋耦合与自旋系统
8—7图谱的简化
8—8核磁共振氢谱的解析
8—9核磁共振碳谱以及二维谱的简介
●1核磁共振波谱法定义(NMRSpectroscopy)
NMR是由处于外磁场中的磁性核受波长10-100m无线电频率区域的电磁波幅射而发生自旋能级跃迁所形成的吸收光谱。
研究某些具有磁性的原子核,在静磁场中由于磁矩和磁场相互作用形成一组分裂的能级,在合适频率的射频作用下,能级间发生跃迁而出现的共振现象。
利用核磁共振波谱进行结构鉴定、定性以及定量分析的方法称为核磁共振波谱法。
Excitedstate
激发态
△E=hv
Groundstate
基态
图8
—1
核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。
●8—2—1原子核的自旋与核磁矩
◆1、自旋角动量p
y:核磁旋比,核的特征常数,它决定核在核磁共振实验中检测的灵敏度,γ值大的核,检测的灵敏度高,共振信号易于被观察。
h:Planck常量,6.6256*10-34J·s
。I:自旋量子数(0,1/2,1,3/2,2,5/2,3……)
**原子核是否有自旋现象是由自旋量子数I来决定的。
◆2、磁矩μ
图8—2
表8—1
代表核种的性质之一
原子核
核自旋量
子数(I)
核磁共振活性
天然丰度/
%
相对灵敏度
磁旋比
γ[107T-1s-1]
1H
1/2
有
99.985
1.00
26.7519
2H
1
有
0.015
9.65*10-3
4.1066
12C
0
无
98.9
13C
1/2
有
1.108
1.59*10-2
6.7283
14N
1
有
99.63
1.01*10-3
1.9338
15N
1/2
有
0.37
1.04*10-3
-2.7126
16O
0
无
99.96
170
5/2
有
0.037
2.91*10-2
-3.6280
19F
1/2
有
100
0.83
25.1815
31P
1/2
有
100
6.63*10-2
10.8394
I与原子核中质子数和中子数有关,质子数与中子数均为偶数
(质量数与质子数均为偶数)的原子核I=0,无自旋现象
●8—2—2原子核的在外磁场中的行为
●1自旋核在外磁场中的取向
磁量子数m(magneticquantumnumber)
◆m=I,I-1,I-2…,-I+1,-I
◆自旋取向数(n=2I+1,决定核的裂分、与峰数有关)
●2核在外磁场(H₀)中的能量
核磁矩与外磁场的相互作用能量E正比于外磁场的强度E=-H₂H₀=-my(h/2π)H₀(m=+I,…,-I)
核自旋角动量在Z轴上的投影P₂
Pz=(h/2π)m
核磁矩μ在Z轴上的投影μ₂
Hz=γPz=γ(h/2π)m
图8—3氢核在外磁场中的取向
m=-1/2
工不
工不
Magnet
—H—
工不
工不
个工
一工
不H
H
木
E=-H₂H₀=-my(h/2π)H₀(m=+I,…,-I)
图8—4氢核在外磁场中的自旋能级分裂
结论:
(1)无外加磁场或磁性核不存在时,无能级分化;
(2)外加磁场强度(H₀)越大,能级分化越大(△E),效果越好;
(3)核磁旋比(y)越大的原子核,能级分化越大,测定灵敏度越高
7.04614.092H₀(T)
图8—5
△E=y(h/2π)H₀
m=-1/2(β)
△E₁
E
●3自旋核在外磁场中的拉莫尔进动
旋进轨道
/777777/
陀螺的进动图8—6
Larmor方程:v=(yl2π)H₀
v:进动频率;H₀:外加磁场
结论:
◆原子核进动的频率由外加磁场强度和原子核本身性质决定
(1)进动频率与外加磁场强度成正比;
(2)不同核在同一外加磁场中的进动频率不同。
自旋轴
自旋质子
H₀
原子核的进动图8—7
表8—1
在核磁共振谱学中若干重要原子核的性质
原子核
核自旋(I)
天然丰度/
%
相对灵敏度
磁旋比
γ[107T-1s-1]
核磁共振频率
MHz
(H₀=2.3487T)
1H
1/2
99.985
1.00
26.7519
100.00
2H
12C
1
0
0.015
98.9
9.65*10-3
4.
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