第1节 核磁共振基本原理课件

有机波谱分析第一章、核磁共振nuclearmagneticresonance第二章、质谱massspectralanalysis第三章、紫外光谱ultraviolet第四章、红外光谱infraredOrganicspectralanalysis主讲:冯宝民、卢轩Tel:8740271813998423575E-mail:fbmdlu@163.com2023/1/14电磁波的不同区域测定电磁波与物质相互作用称为光谱测定。2023/1/14分离1804-1806年确定结构1925年全合成1952年共用了150年分离1952年确定结构1956年共用了4年现代鉴定技术2023/1/14沙海葵毒素C129H223N3O542023/1/14第一章

核磁共振波谱分析法nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR

NobelPrize1943年O.Stern

物理学奖—发现质子磁矩1944年I.I.Rabi物理学奖—测定磁矩的共振方法1952年

F.Bloch&E.M.

Prucell

物理学奖—发现核磁共振现象1991年R.R.Ernst

化学奖—FTNMR&2DNMR2023/1/14Bloch的ＮＭＲ装置275美圆2023/1/14第一章

核磁共振波谱分析法一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振现象nuclearmagneticresonance三、核磁共振条件conditionof

nuclearmagneticresonance四、核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometer第一节

核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRprinciplesofnuclearmagneticresonance

2023/1/14一、原子核的自旋

atomicnuclearspin

自旋量子数≠0的原子核能产生自旋。

表1-1自旋量子数分类表2023/1/14

若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：核磁矩：μ=γP，γ：磁旋比P2023/1/14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(谱线加宽)，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，并象陀螺一样自旋，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。2023/1/14

原子核在外磁场中的运动二、核磁共振现象

nuclearmagneticresonance＝54°24’和125°36’2023/1/14H0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1HE2=+mH0/2

E1=－mH0/2E=E2－E1=mH02023/1/14

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，类似一个个小磁铁。2023/1/14三、核磁共振条件

conditionof

nuclearmagneticresonance

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=

H0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=

H0=h

0共振条件：0=

H0/(2)2023/1/14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/H0=

/(2)2023/1/14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)——低能态的核等于高能态的核。2023/1/14讨论:共振条件：0=

H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比

为定值，H0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H0和射频频率不同。（3）固定H0，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H0（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H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）2023/1/14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，如右图所示。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。2023/1/14四、核磁共振波谱仪

nuclearmagneticresonancespectrometer1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。2023/1/143．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。2023/1/14核磁共振波谱仪2023/1/14傅立叶变换核磁共振波谱仪不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）2023/1/14超导核磁共振波谱仪：

永久磁铁和电磁铁：

磁场强度<25kG超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；在低温4K，处于超导状态；磁场强度>100kG开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：

200-400HMz；可高达600-700HMz；2023/1/142023/1/142023/1/14样品的制备：试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg；标样浓度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶剂：1H谱四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；2023/1/14

内容选择：第一节核磁共振基本原理principleofnuclearmagneticresonance第二节核磁共振与化学位移nuclearmagneticreso