(完整word版)核磁共振(word文档良心出品).doc

核磁共振实验报告一、实验原理1.原子核的基本特性原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有核子轨道和自旋角动量的和。原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量和磁矩决定了原子核的基本性质。众所周知，原子核带正点，所带电量与核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位e的整数倍。根据量子力学，一自旋量子数的孤立原子核应具有本征自旋角动量和本征自旋磁矩：，其中为原子核的朗德因子，即因子，其值随原子核的不同而不同。，称为核磁子，是核磁矩的单位。因为质子质量为电子的1360倍，可知（玻尔磁子）要比大很多。原子核的磁矩可正可负。现在，设想一原子核位于沿z方向施加的恒定磁场中。由于空间量子化，和沿z方向的分量只能取一系列不连续的值：因此，在外加恒定磁场的作用下，原本可能处于简并的态会出现能级劈裂的现象。在实验图谱上表现为出现多个分离的共振峰。2.核磁共振原理对于处于恒定外磁场的原子核，如果在垂直于恒定外磁场的方向上再加一交变电磁场，就有可能引起原子核在子能级间的跃迁。跃迁的选择定则是磁量子数M改变ΔM=±1。这样，当交变电磁场（也称射频磁场）的频率υ所相应的能量hυ刚好等于原子核两相邻子能级的能量差ΔE时，即则原子核就会吸收交变电磁场的能量，由的低能级E1跃迁至高能级E2，这就是核磁共振吸收条件。由此可得发生核磁共振的条件满足上式的称作共振频率。如用圆频率表示，则共振条件可表示为对于氢核，其旋磁比是已知的。由上式可知，核磁共振条件取决于两个因素：（或者说）和外磁场，不同的原子核，其（或）值不同，当然（即使一定）其共振频率也不同。这就是用核磁共振方法了解甚至测量原子核某些特性的原因。此外，对同种核，若越大，其子能级间的裂距就加大，当然相应的共振频率也会加大。从上面的共振条件可以看出，所谓核磁共振，就是位于恒定磁场中的原子核持续不断的吸收弱交变磁场能量，从低能级跃迁到高能级的现象。氢原子核在有机化合物中占有很重要的地位。它对于磁场的敏感度最大，容易观察到满意的核磁共振信号，因而目前对它的研究最多，应用也最广泛。氢原子只包含一个质子，自旋量子数为1/2，可以看成是电荷均匀分布于球面上的旋转椭球。在恒定磁场中，它有平行和反平行两种取向，分别相应于M=1/2和M=-1/2。这两种取向能量是不同的，用两个能级来表示。如果要使位于低能级的核跃迁到较高能级去，就必须向原子核提供正好等于两个能级之间能量差的电磁波。3.表征液体核磁共振氢谱的主要参数及其基本概念（1）化学位移根据共振条件式，氢原子核在的磁场下，将吸收60MHz的电磁波能量。或者说，如固定交变磁场的频率不变（60Hz），则所有质子都应在的磁场下发生共振，产生共振峰。但是，实验发现，化合物中各种不同的原子核，在60MHz的频率下，共振磁场强度稍有不同。这种原子核由于在分子中所处的化学环境不同造成在不同的共振磁场下显示吸收峰的现象称为化学位移。产生化学位移的主要原因是由于氢原子核外围的电子以及与该原子核相邻的其他原子核的核外电子在外加磁场的感应下会产生对抗磁场，从而对外加磁场产生了一种屏蔽作用。其大小可以用一屏蔽因子来反映。于是，产生核磁共振峰的有效磁场可以表示成，一般值为。由于化学位移差别范围很小，所以要精确测出其绝对值比较困难。一般都以相对数值来表示。测量精度可以在1Hz以内。测量时，以某一标准物质的共振峰为原点，然后测出各共振峰与原点的距离。再按下式定义出化学位移值：。式中，乘以是为了使所得数字易于读写。为此，通常把ppm作为值的单位。对于60MHz的仪器，1ppm的宽度相当于频率改变60Hz。一般认定标准样品四甲基硅的共振峰所在处化学位移为零。它的共振峰只有一个，且位于高场范围很容易识别。（2）耦合常数上面讨论的化学位移主要是考虑核磁的核外电子环境。实际上，同一分子内部的核磁间的相互作用不可忽略。虽然它不会影响化学位移，但对核磁共振谱的峰形有重大影响。例如乙醇中得甲基峰和亚甲基峰分别为三重和四重峰，而不是单峰。这种现象就是由甲基和亚甲基基团上的氢原子核之间的相互作用引起的。这种原子核之间的相互作用称为自旋耦合作用。由其引起的的共振峰谱线增多的现象称为自旋分裂。原子核间的自旋耦合作用是通过成键电子传递的。其主要机制是费米接触机制。设同一分子内有两个氢核X和Y，若两核之间无自旋耦合，则Y核只存在一种跃迁，即Y（1/2）到Y（-1/2）。若两核之间有自旋耦合，且假定X自旋为1/2，则靠近它的电子自旋必定为-1/2。因此，只有当Y核自旋为-1/2时，这第二个成键电子才和Y核占据空间同一点。可以看出，X（1/2）和Y（-1/2）使系统势能降低，而X（1/2）和Y（1/2）使系统势能升高。同样，对于X（-1/2）核也可以作类似分析。最后，由于X核的存在和它与Y核的自旋耦合，导致Y核有两种跃迁