第七章核磁共振光谱法

09:18:26第七章核磁共振光谱法一、原子核的磁性质二、核磁共振现象三、核磁共振条件四、核磁共振波谱仪第一节核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR09:18:26一、原子核的磁性质1.原子核的自旋：P－自旋角动量的绝对值；I－核自旋量子数；h－普朗克常数h＝6.63×10-34J·s09:18:26讨论:(1)I=0的原子核16O；12C；22S等，无自旋，没有核磁共振现象，不研究；(2)I1/2的原子核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，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，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。09:18:262.原子核的磁矩γ－磁旋比不同的原子核有不同的γ值，是原子核特性的一个参数。09:18:26二、核磁共振现象自旋量子数I=1/2的原子核（氢核1H），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。无外磁场时，核取向任意；当置于外磁场H0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，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;09:18:26(核磁共振现象)自旋核在磁场中有两个能级，当用频率为MHz数量级（射频区）的电磁波照射时，核由低能级向高能级跃迁，产生核磁共振现象。对1H来说，09:18:26下图直观地表示出了1H核的能级分裂：09:18:26可见，ΔE随着磁场强度H0改变。磁场强度增加，能级差增加。09:18:26三、核磁共振条件(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/H0=/(2)磁场中的自旋核受到电磁辐射照射，当电磁辐射的能量等于跃迁能级差时，核吸收能量发生跃迁。h＝ΔE共振条件09:18:26（1）因为不同原子核的γ不同，所以H0固定时，不同核跃迁时，需要不同频率的电磁波照射；在固定时，不同核跃迁时，需要不同强度的磁场。（2）对同一种核，共振频率与外加磁场强度成正比，给定一个频率对应一个磁场强度H0讨论核磁共振吸收的观察方法1.扫频法：固定磁场强度，改变电磁辐射照射频率；2.扫场法：固定电磁辐射照射频率，改变磁场强度。09:18:26四、核磁共振波谱仪1．磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀。永磁铁、电磁铁、超导磁铁。60MHz、100MHz，最好达到800MHz。2．射频振荡器：发射一定频率的电磁辐射信号。09:18:263．射频接收器（检测器）：当氢核的跃迁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．探头：用来固定样品管的器件。样品管一般为外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。09:18:26第七章核磁共振光谱法一、化学位移的产生二、化学位移的表示方法三、13C核磁共振光谱第二节化学位移nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR09:18:26一、化学位移的产生T：安培力。规定1T就是1A电流在1M导线上流过受到1N的安培力09:18:2609:18:26其它核0=[/(2)]（1-）H0由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响，不同化合物在不同磁场下出峰。这种由于各种氢核所处化学环境不同，而在不同磁场强度区域（或不同频率区域）显示共振吸收峰的现象称为化学位移。理想化的、裸露的氢核，满足共振条件：0=H0/(2)，产生单一的吸收峰；屏蔽常数越大，屏蔽作用越大。屏蔽作用由核外电子云密度决定，与物质化学结构密切相关。09:18:26(1)位移的标准绝对值差异太小，约为百万分之十,难精确区别测量。相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（内标）规定：化学位移TMS=0二、化学位移的表示方法=[（样-TMS)/TMS]106(ppm)=[（H样-HTMS)/HTMS]106(ppm)09:18:26(2)为什么用TMS作为基准?a.12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；b.屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。09:18:26位移的表示方法与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。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；09:18:2609:18:26根据氢谱，可以得到有机化合物中H的信息，对了解有机化合物结构提供依据。09:18:26与1H-NMR相比，13C-NMR在测定有机及生化分子结构时具有很大的优越性:1.13C-NMR提供的是分子骨架的信息，而不是外围质子的信息；2.13C-NMR谱的化学位移范围达400ppm,是1H化学位移范围的20倍，因而大多数C峰都能分开；3.由于13C丰度低，有效降低了图谱的复杂性。三、13C核磁共振光谱天然丰度低，相对灵敏度为质子的1/5600，直到1970年以后逐渐发展起来。