核磁共振波谱东区选修.ppt

本章主要内容：
第一部分核磁共振基本原理
第二部分：核磁共振谱仪简介
第三部分：核磁共振氢谱
第四部分：核磁共振碳谱
第一部分：核磁共振波谱的基本原理
一、核磁共振现象的产生
二、化学位移

第一部分核磁共振波谱的基本原理

概述
核磁共振谱是又一种有机物结构分析的重要方法。
所谓核磁共振（简称NMR)是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。因而，核磁共振谱称为波谱。
核磁共振（NuclearMagneticResonance,NMR）是原子核在外加磁场作用下的一种自然现象，1945年由BlochF.和PurcellE.M.两位科学家首次发现，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数，他们也因此而荣获1952年的诺贝尔物理奖。通过核磁共振谱可以得到与化合物分子结构相关的信息：
（1）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；在碳谱中可以判别饱和碳、烯碳、芳环碳、羰基碳等；
（2）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其相连的基团的归属；
（3）通过积分高度或峰面积可以测定各组磁性核的相对数量；
（4）通过双共振技术（如NOE效应）可判断二组核的空间相对距离等。
问题：紫外光谱和红外光谱各得到什么信息？
核磁共振测定的特点：
（1）不破坏样品，一份样品可测多种数据；
（2）不但可测定纯物质，也可测定彼此信号不相重叠的混和样品；
（3）不但可测有机物，也可测许多无机物的分子结构。一、核磁共振现象的产生：
1、原子核的基本属性
（1）原子核的质量和所带电荷：原子核由质子和中子组成，质子数目决定了原子核所带的电荷数，质子与中子数之和是原子核的质量。原子核的一般表示方法：11H,126C。同位素具有相同的质子数，而中子数不同。原子核的简化表示方法：1H,2D(2H),12C、13C等。
（2）原子核的自旋和自旋角动量：
原子核有自旋运动：在量子力学中用自旋量子数I描述，而自旋量子数I的值与核中的质子数和中子数有关。
自旋角动量用P表示。
a)并非所有的核都有自旋，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。表3-1各种核的自旋量子数自旋角动量：与宏观物体旋转时产生角动量一样，原子核在自旋时也产生角动量P。P的大小与自旋量子数I有以下关系：自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），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。（4）原子核的旋磁比
由式4－3知，g=m/p，g与核的质量、所带的电荷等有关，因此，它也是原子核的属性之一。例如，1H的g=26.752×107T-1·S-1(T:特斯拉，磁场强度单位；S秒），13C的g=6.728×107T-1S-1。核的旋磁比g越大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
2、磁性核在外磁场（B0)中的行为
如果I≠0的磁性核处于外磁场B0中，将发生以下现象：
（1）原子核的进动
当一个原子核的核磁矩处于磁场B0中，由于核自身的旋转，而磁场又力求它去取向于磁场方向，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。原子核的进动频率由下式决定：3、核磁共振产生的条件
当1H核置于外磁场B0中，它要发生能级的裂分，能级差为
△E=E-1/2–E+1/2=hgb0/2p
如果用一频率n射的射频波照射磁场中的1H核时，射频波的能量为
E射＝hn射
当射频波的频率与该核的回旋频率n回相等时，射频波的能量就会被吸收，核的自旋取向就会由低能态跃迁到高能态，即发生核磁共振。此时，
E射＝△E
所以，发生核磁共振的条件是：
△E＝hn回＝hn射
或n射＝n回＝gB0/2p
例如，在4.69T（T，磁场强度单位，特斯拉）的超导磁场中，1H和13C的共振频率分别为：
nH=gHB0/2p=26.753×4.69×107/2×3.14=200MHz

nC=gHB0/2p=6.728×4.69×107/2×3.14=50MHz4、核的能级分布和自旋弛豫（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：

通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T的磁场中，位于高、低能级上的1H核数目之比为0.999984。即：处于低