《核磁共振波谱分析》PPT课件

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1、第十三章核磁共振波谱分析第一节核磁共振原理一、原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象，因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且磁矩与角动量成正比，即μ=γp式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad·T−1·s−1，即核磁矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比，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；p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示

2、: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。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自旋量子数INMR信号　　　原子核偶数　　　偶数0无12C616O832S16奇数　　奇或偶数½有1H1，13C619F9，15N7，31P15奇数　　奇或偶数3/2,5/2…有17O8，33S16偶数　　　奇数1,2,3有2H1，14N7当I=0时，p=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I＞0时，p≠0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分

3、布，见图1（b）核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是NMR主要的研究对象。I＞1/2的原子核，自旋过程中电荷在核表面非均匀分布图1原子核的自旋形状有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振信号相对简单，已广泛用于有机化合物的结构测定然而，核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰度和旋磁比的立方成正比的，如1H的天然丰度为99.985%，19F和31P的丰度均为100%，因此，它们的共振信号较强，容易测定，而13C的天然丰度只有1.1%，很有用的15N和17O核的丰度也在1%以下，它们的

4、共振信号都很弱，必须在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有用的信息。二、自旋核在外加磁场中的取向数和能级按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取向数不是任意的，可按下式计算：自旋取向数=2I＋1以H核为例，因I=1/2，故在外加磁场中，自旋取向数=2（1/2）＋1=2，即有两个且自旋相反的两个取向，其中一个取向磁矩与外加磁场B0一致；另一取向，磁矩与外加磁场B0相反。两种取向与外加磁场间的夹角经计算分别为54024'（θ1）及125036'（θ2）。图2H核在磁场中的行为应当注意，每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态，并可用磁

5、量子数（m）来表示，它是不连续的量子化能级。m取值可由－I……0……＋I决定。例如：I=1/2，则m=−1/2，0，＋1/2；I=1，则m=－1，0，＋1。在上图中，当自旋取向与外加磁场一致时（m=＋1/2），氢核处于一种低能级状态（E=－μB0）；相反时（m=－1/2），氢核处于一种高能级状态（E=＋μB0）两种取向间的能级差，可用ΔE来表示：ΔE=E2－E1=＋μB0－(－μB0)=2μB0式中：μ为氢核磁矩；B0为外加磁场强度上式表明：氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能量ΔE与外加磁场强度B0及氢核磁矩μ成正比图3能级裂分与外加磁场强度的关

6、系同理，I=1/2的不同原子核，因磁矩不同，即使在同一外加磁场强度下，发生核跃迁时需要的能量也是不同的。例如氟核磁矩（μF）＜（μH），故在同一外加磁场强度下发生核跃迁时，氢核需要的能量将高于氟核5.2.3核的回旋当原子核的核磁矩处于外加磁场B0中，由于核自身的旋转，而外加磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为Larmor进动。原子核在磁场中的回旋,这种现象与一个自旋的陀螺与地球重力线做回旋的情况相似。换句话说：由于磁场的作用，原子核一方面绕轴自旋，另一方面自旋轴又围绕着磁场方向进动。其进动频

7、率，除与原子核本身特征有关外，还与外界的磁场强度有关。进动时的频率、自旋质点的角速度与外加磁场的关系可用Larmor方程表示：ω=2πv=γB0式中：ω—角速度；v—进动频率（Larmor频率）；γ—旋磁比（特征性常数）由Larmor方程表明，自旋核的进动频率与外加磁场强度成正比。当外加磁场强度B0增加时，核的回旋角速度增大，其Larmor频率也增加。对1H核来说，当磁场强度B0为1.4092T(1T=104)高斯时，所产生的Larmor频率v为60兆赫（γ=26.753×107rad·T−1·s−1）；B0为2.3487T高斯时，所产生的Larmor频

8、率v为100兆赫。第二节核磁共振波谱仪一、仪器原理及组成我们知道，实现NMR即满