东华大学波谱分析课件氢核磁共振波谱详解

东华大学波谱分析课件氢核磁共振波谱详解演示文稿当前1页，总共30页。1优选东华大学波谱分析课件氢核磁共振波谱当前2页，总共30页。23.1核磁共振波谱基础3.1.1概述3.1.2核磁共振原理3.1.3饱和和弛豫当前3页，总共30页。3核磁共振波谱（NuclearMagneticResonanceSpectroscopyNMR）是研究处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收，进而获得有关化合物分子结构的信息。3.1.1概述当前4页，总共30页。4核:氢核磁共振波谱（1HNMR）核:碳核磁共振波谱（13CNMR）15N13C31P19F 1H氢谱氟谱磷谱碳谱氮谱核磁共振现象1946年布洛赫（Bloch）和珀塞尔（Purcell）发现:布洛赫和珀塞尔获得了1952年的诺贝尔物理学奖当前5页，总共30页。51949年，奈特(Knight)证实: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。共振频率反映该原子的化学形式1960年代出现了高分辨核磁共振波谱仪；1970年代出现了脉冲傅立叶变换核磁共振波谱仪；近年来由于超导技术的应用，900（MHz）的超导核磁共振波谱仪已经商品化；

随着计算机技术的发展，二维核磁共振波谱（2D-NMR）和多维核磁共振波谱等方法的发展迅速.NMR技术成为解决复杂结构问题的最重要的物理方法。当前6页，总共30页。63.1.2核磁共振原理

3.1.2.1原子核的自旋原子核是带正电的微粒（由质子+中子组成），大多数原子核都具有自旋现象。原子核自旋时会产生磁距（µ），磁距的大小由核本身性质决定。当前7页，总共30页。7一种原子核有无自旋现象，可用自旋量子数I判断，I值与原子核的质量数a和核电荷数（质子数或原子序数）Z有关。当前8页，总共30页。8讨论:(1)

I=0的原子核

：16O，12C，22S没有自旋，不能产生共振吸收，没有核磁共振现象。

当前9页，总共30页。9(2)

I>0的原子核，都有自旋，都可以发生核磁共振。I=1或I>1的原子核

I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I这类原子核的核电荷分布不是球形对称的，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，所以研究应用较少。I＝1/2的原子核：1H，13C，19F，31P这类原子核的核电荷分布是球形对称的，电荷分布均匀，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。当前10页，总共30页。103.1.2.2核磁共振现象nuclearmagneticresonance1、核磁能级当自旋核置于外磁场B0中时，有2I+1个取向，用磁量子数ｍ表示当前11页，总共30页。11

1H核:I=1/2的原子核，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。1H核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场相同，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;当前12页，总共30页。12当前13页，总共30页。13两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’和125°36’自旋核受外磁场作用,产生拉莫尔进动。进动频率

0;角速度0;0=20=B0式中为磁旋比：

=µ/PP为原子核的自旋角动量2、核磁共振现象当前14页，总共30页。14hυ=ΔΕ共振时：υ=υ0当前15页，总共30页。153.共振条件：(1)核有自旋(磁性核)；(2)外磁场，能级裂分；(3)射频频率与外磁场的比值：

/B0=/2当前16页，总共30页。16讨论:/B0=/2（1）同一种原子核，磁旋比为定值，B0变化，射频频率也随之变化。（2）不同的原子核，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），也可固定，改变B0（扫场）——连续波核磁共振波谱仪。氢核（1H）：1.41T共振频率60MHz2.35T共振频率100MHz磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）当前17页，总共30页。173.1.31H核磁共振波谱图的表示方法及积分曲线低场高场小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧。当前18页，总共30页。183.1.4饱和与弛豫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；②弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。①饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。N-=N+当前19页，总共30页。193.1.4.1弛豫处于高能态的核可以通过某种途径把多余的能量传递给周围介质而重新返回到低能态，这个过程称为驰豫。横向驰豫（自旋-自旋驰豫）纵向驰豫（自旋-晶格驰豫）当前20页，总共30页。20①横向驰豫T2（自旋-自旋驰豫）自旋-自旋驰豫是进行旋进运动的核接近时相互之间交换自旋而产生的，即高能态的核与低能态的核非常接近时产生自旋交换，一个核的能量被转移到另一个核；没有增加低能态核的数目而是缩短了该核处于高能态或低能态的时间，使横向驰豫时间T2缩短；T2对观测的谱带宽度影响很大，高浓度试样或粘稠溶液，固体试样使得T2缩短，谱带变宽：当前21页，总共30页。21②纵向驰豫T1（自旋-晶格驰豫）一些高能态的核将其能量转移到周围介质（非同类原子核如溶剂分子）而返回到低能态，实际上是自旋体系与环境之间进行能量交换的过程；通常把溶剂、添加物或其它种类的核统称为晶格，即高能态的核自旋通过能量交换，把多余的能量转给晶格而回到低能态；纵向驰豫机制能够保证过剩的低能态核的数目，从而维持核磁共振吸收。当前22页，总共30页。223.1.5核磁共振的宏观理论原子核磁化强度矢量（M）——一群原子核（原子核系统）处于外磁场B0中，磁场对磁矩发生了定向作用，即每一个核磁矩都要围绕磁场方向进行拉莫尔进动，则单位体积试样分子内各个核磁矩的矢量和称为磁化强度矢量（M）：当前23页，总共30页。233.2.1核磁共振波谱仪3.2.2样品准备和测定3.2.3核磁共振波谱常用溶剂3.2核磁共振波谱仪和实验技术当前24页，总共30页。243.2.1核磁共振波谱仪常规和超导核磁共振波谱仪常规：60MHz，80MHz，90MHz，100MHz；超导：200-900MHz；连续波和脉冲傅立叶变换核磁共振波谱仪连续波：工作效率低，已被取代傅立叶变换：主流；既可采用常规磁铁，也可采用超导磁体当前25页，总共30页。25当前26页，总共30页。261.连续波核磁共振波谱仪（1）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。（2）扫描发生器（扫场线圈）（3）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。当前27页，总共30页。27（4）射频信号接受器和检测器：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。（5）样品管：外径5mm的玻璃管，测量过