有机波谱分析―核磁共振课件.ppt

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1、有机波谱分析第三章核磁共振氢谱核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）是近几十年来发展起来的新技术，它与元素分析、紫外光谱、红外光谱、质谱等方法结合，已成为化合物结构测定的有力工具。目前核磁共振已经深入到化学学科的各个领域，广泛应用于有机化学、生物化学、药物化学、络合物化学、无机化学、高分子化学、环境化学、食品化学及与化学相关的各个学科，并对这些学科的发展起着极大的推动作用。核磁共振的现象是美国斯坦福大学的F.Block和哈佛大学的E.M.Purcell于1945年同时发现的，为此他们荣获了1952年的诺贝尔物理学

2、奖。1951年Arnold等发现了乙醇的核磁共振信号是由三组峰组成的，并对应用于分子中的CH3、CH2和OH三组质子，揭示了NMR信号与分子结构的关系。1953年，美国Varian公司首先试制了NMR波谱仪，开始应用与化学领域并逐步推广。此后的几十年，NMR技术的发展很快，理论上不断完善，仪器和方法不断创新，特别是高强超导磁场的应用，大大提高了仪器的灵敏度和分辨率，使复杂化合物的NMR谱图得以简化，容易解析。脉冲傅立叶变换技术的应用，使一些灵敏度小的原子核，如13C、15N等的NMR信号能够被测定。随着计算机技术的应用，多脉冲激发方法的应用及由

3、此产生的二维谱、多维谱等许多新技术，使许多复杂化合物的结构测定迎刃而解，使NMR成为化学研究中最有用的方法之一。通过核磁共振谱可以得到与化合物分子结构相关的信息，如从化学位移可以判断各组磁性核的类型，在氢谱中可以判断烷基氢、烯氢、芳氢、羟基氢、胺基氢、醛基氢等；在碳谱中可以判断饱和碳、烯碳、芳环碳、羰基碳等；通过分析偶合常数和峰形可以判断各组磁性核的化学环境及与其相连的基团的归属；通过积分高度或峰面积可以测定各组氢核的相对数量；通过双共振技术（如NOE效应）可判断两组核磁的空间相对距离等。核磁共振测定过程中不破坏样品，一份样品可测定多种数据；不

4、但可以测定纯物质，也可测定彼此信号不相重叠的混合物样品；不但可以测定有机物，现在许多无机物分子结构也能用核磁共振技术进行测定。3.1核磁共振的基本原理3.1.1原子核的磁矩核磁共振研究的对象是具有磁矩的原子核。原子核是带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩。但并非所有同位素的原子核都具有磁矩。具有自旋运动的原子核都具有一定的自旋量子数（I），I=1/2n，n=0，1，2，3…（取整数）。（1）核电荷数和核质量数均为偶数的原子核没有自旋现象，I=0，如12C、16O、28S等，这类原子是核电荷均匀分布的非自旋球体，无自旋现象，也没有磁性，因此，不成

5、为核磁共振研究的对象。（2）核电荷数为奇数或偶数，核质量数为奇数，I为半整数的原子核，如1H、13C、15N、19F、31P等（I=1/2）；11B、33S、35Cl、37Cl、79Br、81Br、39K、63Cu、65Cu等（I=3/2），17O、25Mg、27Al、55Mn、67Zn等（I=5/2）。这类原子核有自旋现象。（3）核电荷数为奇数，核质量数为偶数，I为整数的原子核，如2H、14N、6Li（I=1），58Co（I=2）、10B（I=3）。这类原子核也有自旋现象。可见I≠0的原子核都有自旋现象，其自旋角动量（P）为（3.1）式中：h

6、—普朗克常量具有自旋角动量的原子核也具有磁矩μ，μ与P的关系如下μ=γP式中：γ—磁选比（magnetogyricratio)或旋磁比（gyromagneticratio),它是原子核的特征常数。I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球形分布，见图3-1（b），核磁共振谱线较窄，最适宜于核磁共振检测，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，见图3-1（c），核磁共振的信号很复杂。一些常见原子核的核磁共振性质见表3-1。由表3-1数据可见有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有

7、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。许多无机金属元素如59Co、119Sn、195Pt、199Hg等也有核磁共振现象，也在适当的条件下被用于测定无机物或络合物的分子结构。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，它们的共振信号较弱，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，它们的共振信号都很弱，必须在傅立叶变换核磁共振（FT-NMR）谱仪，经过

8、重复多次扫描才能得到有用的信息。3.1.2自旋在磁场中的取向和能级具有磁矩的核在处磁场的自旋取向是量子化的,可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间取向,