核磁共振谱法

《核磁共振谱法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第12章核磁共振波谱法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)12.1NMR简介12.2NMR基本原理一.原子核能级的分裂及其描述二.能级分布与弛豫过程三.化学位移与自旋-自旋分裂12.3NMR仪器及组成一.仪器分类二.仪器组成12.4NMR的应用12.1NMR简介1.一般认识�NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequencyRadiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。

2、�在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25×10-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm,4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁----产生所谓NMR现象。射频辐射——原子核(强磁场下能级分裂)——吸收──能级跃迁──NMR测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）�与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。2.发展历史1924年：Pauli预言

3、了NMR的基本理论，即，有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1945年：Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关;1970年：Fourier(pilsed)-NMR开始市场化（早期多使用的是连续波NMR仪器）;1991年:瑞士的Er

4、nst对高分辨核磁共振方法发展(获NobelPrize);2002年:瑞士科学家库尔特·维特里希,发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法(获NobelPrize)。12.2NMR基本原理一.原子核能级的分裂及其描述1.原子核之量子力学模型带电原子核自旋自旋磁场磁矩µ(沿自旋轴方向)磁矩µ的大小与磁场方向的角动量P有关：µ=γP（γ为磁旋比）每种核有其固定γ值（如，H核为2.68×108T-1s-1)。其中，hP=m2πγh因此,µ=m(其中m=I,I-1,I-2,...-I)2π其中h为Pl

5、anck常数(6.624×10-27erg.sec)；m为磁量子数，其大小由自旋量子数I决定，m共有2I+1个取值，即角动量P有2I+1个状态！或者说有2I+1个核磁矩。必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。对氢核来说，I=1/2，其m值只能有2×1/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示H核在磁场中，自旋轴只有两种取向：与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高两个能级的能量分别为：γhγhE=µB=γPB=mB=B+1/20000

6、2π4πγhγhE=−µB=γPB=mB=−B−1/200002π4πγh两式相减：∆E=2µB=B002π又因为，∆E=hν0γh所以，B=hν002πγ即，ν0=B0B0的单位为特斯拉(T,Kgs-2A-1),1T=104Gauss2π也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。2.原子核之经典力学模型当带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动(Procession)。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用Larmor方程

7、表示：ϖ=2πν=γB或000γν=B002π此式与量子力学模型导出的式子完全相同。ν0称为进动频率。在磁场中的进动核有两个相反方向的取向，可通过吸收或发射能量而发生翻转。可见，无论从何种模型看，核在磁场中都将发生分裂，可以吸收一定频率的辐射而发生能级跃迁。3.几点说明并非所有的核都有自旋，或者说，并非所有的核会在外加磁场中发生能级分裂！a)当核的质子数Z和中子数N均为偶数时，I=0或P=0，该原子核将没有自旋现象发生。如12C，16O，32S等核没有自旋。b)当Z和N均为奇数时，I=整数，P≠0，该类核有自

8、旋，但NMR复杂，通常不用于NMR分析。如2H，14N等c)当Z和N互为奇偶时，I=半整数，P≠0，可以用于NMR分析，如1H，13C。二.能级分布与弛豫过程(RelaxationProcess)1.核能级分布在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足Boltzmann分布：N−∆E−hν0−γhBi=ekT=ekT=exp(0)N2π