核磁共振原理及图谱分析技巧.pdf

核磁共振氢谱
1.核磁共振的基本原理
22..核磁共振仪
33..氢的化学位移
44..影响化学位移的因素
55..各类质子的化学位移
66..自旋偶合和自旋裂分
77..偶合常数与分子结构的关系
88..常见的自旋系统
11
99..简化HH11NMR谱的实验方法
1010..核磁共振氢谱解析
一.核磁共振的基本原理

•NMR：：磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。
是是研究分子结构研究分子结构、、构型构象等的重要方法构型构象等的重要方法。

核磁共振的研究对象：磁性核
磁性核：具有磁矩的原子核。
磁矩是由于核的自旋运动产生的。
并非所有同位素的原子核都具有自旋运动。
原子核的自旋运动与自旋量子数（I））有关有关。
自旋量子数I值与原子核的质量数A和核电荷数Z
（（质子数或原子序数质子数或原子序数））有关有关。

质量数核电荷数IINMR信号电荷分布
偶数偶数00无均匀

偶数奇数1,2,3,…有不均匀
1/21/2有均匀
奇数奇数或偶数
3/2,5/2,…有不均匀
µµγγ磁矩（µµµ）
=··PP磁旋比（γγγ）：核的特征常数
h
+自旋角动量（P）
P=πI(I)1
2自旋量子数(I)

•I=0:P=0，，无自旋无自旋，，不产生共振信号不产生共振信号。
121212161616323232
I=I=I=0I=000::::CCC666OOO888SSS161616

•I≠0:PPP≠0，，具有自旋现象具有自旋现象。
III＝I＝＝1/21/21/2，，，核电荷在核表面均匀分布核电荷在核表面均匀分布。
核磁共振谱线窄，，有利于核磁共振检测有利于核磁共振检测。
111131313151515191919313131
I=I=I=1I=111////2222::::HHH111CCC666NNN777FFF999PPP151515
2、、自旋核在磁场中的取向和能级自旋核在磁场中的取向和能级

•无外磁场（（BBBB000））时时时，，，磁矩磁矩µµµ的取向是任意的。
•在在BBBB000中中，，，II≠≠≠000的自旋核0的自旋核，，磁矩磁矩µµµ的取向不是任意的，
而是量子化的，，共有共有（（2I2I+11））种取向。。可用可用磁量子
数数mmmm表示：：mmmm：：III，，IIII----1111，，，IIII----2,12,1…,,,---I-III...
zzz

m=+++2+222
m=+1
B0m=+1/2m=+++111

m=000m=000

m=−−−1/2m=−−−1
m=−−−1
m=−−−2

I=1/2I=1I=2
111
对于HHH111原子核：I=1/2
共有222种取向2种取向：（+1/2+1/2，，，----1/21/21/2））

磁诱导产生自旋核的能级分裂：

m=－1/2

m=1/2
自旋核在BBB000场中的进动

当当自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场BBB000中时，，除自旋外除自旋外(((自旋轴的方
µµµ
向与一致)))，)，，还会绕还会绕BBB000进动,,,称,称称LarmorLarmorLarmor进动进动，，类似类似
于陀螺在重力场中的进动。

旋旋旋进旋进进进轨轨轨轨道道道道

自自自旋自旋旋旋轴轴轴轴

自自自旋自旋旋旋的的的的质质质质子子子子

HHH000BO
B0B0

回旋轴
核磁µ距

回旋轴自旋轴

自旋轴

核磁µ距

I=+1/2I=−1/2

自旋核在BO场中的进动
EB0

E1E2
hhγγγ


⊿E=——BB
2π00
333、3、、核磁共振核磁共振

在垂直于B0的方向加一个射频场B1，，其频率其频率为ννν射射，，
ννν
当EE射射射=hhh射射射===⊿EE时时，，，自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量，
由低能态跃迁到高能态（（核自旋发生反转核自旋发生反转）。

γγγγγγBB
hhννν==00
⊿E=——BB射射射——
2π02̟2̟

•磁场强度与射频频率成正比。
•仪器的射频频率越大，，磁场强度越大磁场强度越大，，谱图分辨率谱图分辨率
越高。
产生NMRNMR条件条件

（（1111）））IIII≠≠≠000的自旋核
（（2222））外磁场BBB
000γγγBB
ννν00
（（3333））与BBB相互垂直的射频场BBBνν射射射==——
000111射射2̟2̟

信信信号信号号号
吸吸吸
收收收
能能能
量量量
000
低低低场场场HHH000高高高场场场
要满足核磁共振条件，，可通过二种方法来实现可通过二种方法来实现：


扫频—固定磁场强度，，改变射电频率对样品扫描改变射电频率对样品扫描