11.1+核磁共振原理

第十一章

核磁共振波谱法11.1.1概述11.1.2原子核的自旋11.1.3核磁共振现象11.1.4饱和与弛豫第一节

核磁共振原理Nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRPrinciplesofnuclearmagneticresonance

2022/11/2611.1.1概述（1）红外光谱可获得化合物分子中的基团信息，缺乏分子骨架结构信息。（2）核磁共振波谱也是一种光谱（能量低，无线电波），主要研究的对象是：1H；13C。提供质子、碳骨架结构信息。（3）原子核等位于强磁场中时，自旋能级裂分，无线电波照射时，产生核磁共振现象。

原子核的角动量和磁矩

2022/11/26概述（4）布洛赫首先测定了水中质子的共振吸收，珀塞尔第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。两人获得了1952年的诺贝尔奖。

（5）1950年，奈特发现乙醇中的质子显示三个独立的峰，分别对应于CH3、CH2和OH基团中的质子。

利用核磁共振来获得有机物的结构信息在对天然产物结构的阐明中起着极为重要的作用。2022/11/2611.1.2原子核的自旋

若存在自旋，产生核磁矩。自旋角动量：核磁子=eh/2Mc；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。核磁矩：

原子核的角动量和磁矩

2022/11/26讨论:(1)

I=0的原子核：16

O，12C，32S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。(2)I=1或I>0的原子核：

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I

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的原子核：

1H，13C，19F，31P

原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样自旋，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。

原子核的角动量和磁矩

2022/11/26B0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1Prm=1/2m=-1/2B0HE2=+mB0E=E2－E1=2mB0E1=－mB02022/11/2611.1.3核磁共振现象

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。

当置于外磁场B0中时，相对于外磁场，有(2I+1)种取向：氢核(I=1/2)，两种取向(两个能级)：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数m＝＋1/2；(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数m

＝－1/2。2022/11/26(核磁共振现象)

两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’和125°36’

相互作用，产生进动(拉莫进动)进动频率

0；角速度0。0=20=B0磁旋比；B0外磁场强度。两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E=

2B0（磁矩）

原子核的角动量和磁矩

2022/11/2611.1.4饱和与弛豫

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。对于氢核，能级差：E=

2B0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=

2B0=h

0由拉莫进动方程：0=20=B0;

共振条件：

0=

B0/(2)2022/11/26共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场，能级裂分(3)照射频率与外磁场的比值

0/B0=

/(2)2022/11/26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：磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比：两能级上核数目差：1.610-5。弛豫(relaxtion)—高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和(saturated)—低能态的核数目等于高能态的核数目。2022/11/26讨论:0=

B0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比

为定值，B0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B0和射频频率不同。（3）固定B0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定，改变B0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度B0的单位：1高斯（Gs）=10-4T（特斯拉）2022/11/26讨论:在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分。由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。2022/11/26