有机波谱分析课件第四章+氢谱

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1、化学化工学院:裴强QQ:23403960；Tel:15937681641E-mail:peiqiang_6@163.com第四章氢谱有机结构分析课件学习要求：1、了解1HNMR的发展、仪器组成及1HNMR的基本原理2、掌握1HNMR的特点及实验方法3、掌握1HNMR化学位移与结构的关系4、掌握1HNMR的偶合裂分、偶合常数5、掌握氢谱解析的步骤、熟练运用氢谱解析有机分子结构一二四三五核磁共振谱的基本原理核磁共振仪和实验方法化学位移及其影响因素自旋偶合与偶合常数六自旋系统及图谱分类各类质子的化学位移七谱图解析与化合物结构确定

2、核磁共振技术是哈佛大学的珀塞尔（Purcell）和斯坦福大学的布洛齐（Bloch）于1946年在各自的物理实验室发现，至今已有六十多年的历史。自1950年应用于测定有机化合物的结构以来，经过几十年的研究和实践，发展十分迅速，现已成为测定有机化合物结构不可缺少的重要手段。具有磁矩的原子核在外磁场中将发生能级分裂，核磁矩以不同取向绕外磁场回旋。当另一个垂直于外磁场的射频磁场同时作用于核上，并且其照射磁场的频率等于核在外磁场中的回旋频率时即发生核磁共振，处于低能级的核跃迁到高能级，产生相应的吸收信号。从原则上说，凡是自旋量子数不

3、等于零的原子核（如1H=1/2、13C=1/2、15N=1/2、19F=1/2、31P=1/2、2H=1、3H=1/2、10B=3、14N=3、17O=5/2、35Cl=3/2）都可发生核磁共振。但到目前为止，有实用价值的实际上只有1H和13C。1H叫氢谱，常用1HNMR表示；13C叫碳谱，常用13CNMR表示。第一节核磁共振谱的基本原理一、原子核的磁矩自旋量子数I与质量数、原子序数的关系：讨论：核磁共振和自旋量子数的关系(1)I=0的原子核:16O8、12C6、32S16，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或正

4、整数的原子核:I=1：2H1、14N7这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)I=1/2:1H1，13C6，19F9，31P15I=3/2：11B5，35Cl17，79Br35，I=5/2：17O8原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。当置于外磁场H0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：m为磁量子数，取值范围：I，I-1，…，-I，共（2I+1）种取向。二、自旋核在磁场中的取向和能

5、级自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），有量子数分别为－1/2和＋1/2的两个自旋状态，可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁；这两个自旋状态的能量相等，质子处于这两个自旋状态的概率也相等。氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2；与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2。可以形象的用下图表示：当一个原子核的核磁矩处于磁场H0中，由于核自身的旋转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋同时绕外磁场的方向回旋，这种运动称为Lar

6、mor进动。1H核的两种取向（±1/2）不完全与外磁场平行（＝54°24′和125°36′）。三、核的回旋和核磁共振氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2；与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2。能量差为：Larmor进动方程（0=20=H0）讨论：（1）对于同一种核，磁旋比为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振。也可固定

7、，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。例1计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。例2计算在多大强度的的磁场中，1H的共振频率为500MHz核磁共振条件：在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。能级量子化：射频振荡线圈产生电磁波。产生共振需吸收的能量：E=h0由拉莫进动方程：0=20=H0共振条件：核有自旋（磁性核），外磁场，能级裂分，照射频率与进动频率相等四、能级分布与弛豫过程不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：两能级上核数目差：1.610-5，低能级核的总

8、数Ni仅占极微的优势，能维持产生净吸收现象不至于达到饱和主要靠其它非辐射途径使高能态的核不断回到低能级。高能态的核以非辐射的方式回到低能态自旋取向的过程称为弛豫(relaxtion)。自旋－晶格驰豫：即高能级核将能量转移给周围分子的其它核而变为热运动，使高能级的核数目下降，就全体观测而言，总的能量下降了