6核磁共振波谱分析.ppt

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1、核磁共振波谱分析第六章第六章核磁共振波谱分析NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR基本要求：1.理解核磁共振波谱法的基本原理2.理解化学位移产生的原因及影响因素3.理解偶合裂分产生的原因4.了解1H谱和13C谱差别及原因5.了解核磁共振波谱仪主要部件及功能6.掌握利用1H正确解析简单有机化合物结构6.1核磁共振原理6.2化学位移和核磁共振图谱6.3自旋偶合与自旋裂分6.4复杂图谱的简化方法6.5核磁共振图谱的应用6.6核磁共振波谱仪6.713C核磁共振核磁共振波谱产生：在磁场激

2、励下，一些具有磁性的原子核存在着不同的能级，如果此时外加一个能量，使其等于两个能级差，则该核就可能吸收能量（称为共振吸收）从低能级跃迁高能级，吸收能量的数量级相当于频率范围为0.1~100MHz电磁波（波长10~100m无线电波，简称射频）。因此，核磁共振研究磁性原子核对射频能的吸收。1.原子核的自旋有自旋的原子核，具有自旋角动量（P），由于原子核是带正电粒子，自旋时产生磁矩μ，磁矩方向可用右手定则确定，如图6.1核磁共振原理γ—磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比μ—磁矩P—角动量核磁矩μ与角动量P关系：核的自旋角动量都

3、是量子化的，可用自旋量子数I表示，I与P的关系为：h---普朗克常量。I---可以是0,1/2,1,3/2……等当I=0，P=0，原子核没有自旋现象；I>0时，原子核才有自旋角动量和自旋现象质量数A原子序数Z自旋量子数I偶数偶数0偶数奇数1，2，3…….奇数偶数或奇数½，3/2，5/2……由上表可看出：质量数和原子序数均为偶数的核，自旋量子数I=0，无自旋现象。实验证明：自旋量子I与原子的质量（A）及原子序数（Z）有关。原子核分成三种情况I=0，有16O、12C、32S、28Si等无自旋，不产生磁矩。不产生共振吸收谱。

4、②I≥1的原子核，I=3/2：11B、35Cl、79Br、81Br等I=5/2：7O、127I等I=1:2H、14N等这类原子核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，它们的共振吸收常会产生复杂情况，应用得较少。③I=1/2的原子核1H、19F、31P、13C等这些核可当作一个电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁矩形成。这些核特别用于核磁共振实验。1H、19F、31P三种原子在自然界的丰度接近100%，核磁共振容易测之，尤其是1H，是组成有机化合物的主要元素之一。因此，对于1H的NMR谱测定，在有机分析中十

5、分重要。2、自旋核在磁场中的行为若将自旋核放入场强为B0的外加磁场中，磁场与磁矩相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同取向。量子力学可知：自旋量子为I的核在外加磁场中可有2I+1个取向，每种取向对应一个能量(如图)。B0---外加磁场强度γ——磁旋比μ---以核磁子为单位表示的核磁矩对于自旋量子数I和磁量数m的核，量子能级：例：1H在外加磁场中有2I+1＝2种取向一种与外磁场平行，此时能量较低，以磁量子数M=+1/2表征。一种与外磁场逆行，此时能量较高，以磁量子数M=-1/2表征。如图：一般来说：自旋量子数为I=1/2的核

6、,其相邻两能级差为:3、核磁共振射频照射处于磁场B0中核，射频频率v满足下列关系时：hν=ΔE即ν=2μB0/h或ν=γB0/(2π)上式为核磁共振条件低能态的核吸收射频能跃迁至高能态，这种现象称核磁共振现象。对同一种核，共振频率V与外加磁场B0成正比.观察核磁共振吸收的方法有两种一种是扫频法：固定B0，改变V另一种扫场法：V固定，改变B0由核磁共振条件关系式知：①不同原子核γ不同，发生共振条件不同。B0固定时，不同核有不同的V，V固定时，不同核共振磁场强度不同。例题：若外加磁场B0=1T,1H和13C的共振频率为多少

7、?解：对1H：同理可算出：13C为10.71MHz4.驰豫（1）波尔兹曼分布研究许多原子核在磁场中的运动规律。当一群数目很大的I=1/2原子核在恒定的外磁场中，这些核有两种取向即m=+1/2和m=-1/2。在热平衡时，这两种取向的原子核分布服从Boltzmann分布：N+1/2---较低能级(m=+1/2)原子核数目N-1/2---较高能级(m=-1/2)原子核数目k----波尔兹曼系数，1.381×10-23J.K-1T----绝对温度，K对于1H：当B0=1.4092T，T=300K：N+/N-=1.0000096

8、由此可知，在常温下低能态的1H核数比高能级的1H核数多百万分之十左右。核磁共振正是依据这微弱过量的低能态核吸收射频辐射跃迁至高能态而产生核磁共振信号的，所以核磁共振灵敏度低。（2）驰豫过程高能态的原子核通过非辐射形式放出能量而回到低能态的过程叫驰豫过程。①自旋一晶格驰豫（纵向驰豫）高能态的原子核将能量以热能形式传递给周围的粒子而回