第四章 核磁共振氢谱和碳谱.ppt

核磁共振（nuclearmagneticresonanceNMR）是利用物质分子或原子中核的磁性,当它们处在特定的外磁场下能吸收一定能量的电磁波,记录这种吸收现象所获得的波谱,就是磁共振谱。由于这种吸收与核所处的环境有关，所以吸收的特征能反映分子结构的信息，因此核磁共振波谱是研究分子结构强有力的工具。本章重点介绍核磁共振的原理、仪器和应用，主要是1H谱。由于核磁共振主要是利用物质的磁性，所以本章首先介绍物质的磁性。*自旋轴1、核自旋分类（用核自旋量子数Ⅰ来描述）
(1)I=0的原子核:16O8；12C6；32S16
无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收
(2)I=1或正整数的原子核:2H1，14N7
原子的核电荷分布呈现一个椭圆体分布，电荷分布不均
匀，共振吸收复杂，研究应用较少
(3)I=1/2:1H1，13C6，19F9，31P15
I=3/2：11B5，35Cl17，79Br35，
I=5/2：17O8，127I这类原子的核电荷分布呈现球体分布，核电荷分布
均匀,并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，对应的
核磁共振波谱图简单明了。自旋量子数I=1/2原子
核是核磁共振研究的主要内容。例如1H核可看作核
电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，除了产
生核磁矩还会产生一感应磁场，类似于一小磁体。2、原子核自旋能级分裂
（1）核磁矩的取向：当核置于外磁场H0中时，相
对于外磁场，原子核到底有多少种取向？通常用m
（磁量子数）表示,取值范围为I，I-1，…，-I共
（2I+1）种取向。核磁矩在外磁场空间的取向不
是任意的，是量子化的。这种现象称为核磁矩的空
间量子化。H（2）核磁矩在外加磁场（Z轴）上的分量μz取决于角动量在该轴上的分量（Pz），且
Pz的取值与m有关，只能取不连续的数值。
由μz=γ×Pz知，

（3）核能级分裂：若无外磁场，由于核的无序排列，不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁场作用下，核磁矩按一定方向排列，对1H核磁矩有两种取向，即m=1/2,是顺磁场,能量低；m=-1/2，逆磁场，能量高。从而产生了能级的分裂现象。每一种核磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。由核能级分裂现象说明，高场强（外磁场强度大）的仪器比低场强仪器测得的核磁共振信号清晰。4.1.2原子核的磁共振吸收
1、原子核的进动
当带正电荷的、且具有自旋量子数的核绕自旋轴旋转时则会产生磁场，当这个自旋核置于外磁场中时，该核的自旋磁场与外加磁场相互作用，使自旋轴与外磁场保持一夹角θ的回旋(摇头旋转），这种回旋称为核的进动。进动频率o与外加磁场关系可用Larmor方程表示：ω(角速度)=2πo=γHO回旋轴2、核磁共振吸收条件在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生电磁波的能量（h）等于核能级差△E就会有NMR（核自旋发生倒转）。共振条件（1）对同一种核,为定值,H0变则射频频率变。
1H：1.409T共振频率为60MHz
2.3488T共振频率为100MHz
（2）不同原子核,不同产生共振条件不同,需要磁场强度H0和射频频率不同。
（3）固定H0，改变（扫频），不同核在不同频率处发生共振产生吸收。也可固定，改变H0（扫场）不同核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。例：计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比磁核在各能级上的玻尔兹曼分布是热运态平衡。当低能级的磁核吸收了射频辐射后，被激发至高能级，同时给出共振吸收信号。但随着实验的进行，只占微弱多数的低能级磁核越来越少，最后高、低能级上的磁核数目相等（饱和），从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同（体系净吸收为0，共振信号应消失）。但是上述“饱和”情况并未发生！说明必然存在着使低能级上的磁核保持微弱多数的内在因素，这种内在因素就是核的驰豫过程。§4.2核磁共振仪
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，扫场线圈。
2、射频振荡线圈：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。主要发射60MHz或100MHz。
3、射频信号接受线圈（检测器）：当氢核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玻璃管,测量过程中以每秒40~60周旋转,保证样品感受到的磁场强度均匀。*§4.3化学位移
核磁共振提供了三类极其有用信息
化学位移、耦合常数、积分曲线。
4.3.1电子屏蔽效应
理想化的、裸露的氢核；满足共振条件
=H0/(2)应产生单一的吸收峰；实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动的电子产生与外磁场方向相反的感应磁场该感应磁场会对原子核起到屏蔽作用，使氢核实际受到