核磁共振氢谱解析 课件
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交变电场的能量，跃迁到高能态，称核磁共振。
19
核磁共振的条件:
ΔE = h v迴= h v射= h BO /2π 或 v射= v迴= BO /2π
射频频率与磁场强度Bo是成正比的，wk.baidu.com进行核磁共振
实验时，所用的磁强强度越高，发生核磁共振所需的 射频频率也越高。
20
： 要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
6
1. 核磁共振的基本原理
原子核的磁矩 自旋核在磁场中的取向和能级 核的回旋和核磁共振 核的自旋弛豫
7
原子核的自旋、磁矩
质量数与电荷数均为双数，如C12，O16，没有自 旋现象。I=0
质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I为 半整数，1/2，3/2，5/2……
质量数为双数，但电荷数为单数，如H2，N14，I为 整数，1，2……
射频 40 MHZ
60 100
磁场强度 0.9400 特斯拉 1.4092
2.3500
200
4.7000
300
7.1000
500
11.7500
21
Boltzmann分布
在质子群中处于高低能态的核各有多少？
在绝对温度0度时，全部核处于低能态 在无磁场时，二种自旋取向的几率几乎相等 在磁场作用下，原子核自旋取向倾向取低能态，但室温时热能比原子
第二章 核磁共振氢谱
1. 核磁共振的基本原理 2. 核磁共振仪与实验方法 3. 氢的化学位移 4. 各类质子的化学位移 5. 自旋偶合和自旋裂分 6. 自旋系统及图谱分类 7. 核磁共振氢谱的解析
1
前言
过去50年，波谱学已全然改变了化学家、生物学家和生物医学 家的日常工作，波谱技术成为探究大自然中分子内部秘密的最 可靠、最有效的手段。NMR是其中应用最广泛研究分子性质的 最通用的技术：从分子的三维结构到分子动力学、化学平衡、 化学反应性和超分子集体、有机化学的各个领域。
英国R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。 • 瑞士科学家库尔特·维特里希因“发明了利用核磁共振技术测定溶液
中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖。
3
1H-NMR Target
o how many types of hydrogen ? o how many of each type ? o what types of hydrogen ? o how are they connected ?
1945年 Purcell（哈佛大学） 和 Bloch（斯坦福大学） 发现核磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖
1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系 1953年 Varian公司试制了第一台NMR仪器
2
NMR发展
近二十多年发展 高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率； 脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定； 计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断化合 物的空间结构起重大作用。
偶数 偶数
0
无自旋现象
奇数 奇数或偶数 1/ 2
自旋球体
奇数 奇数或偶数 3/2, 5/2,--- 自旋惰球体
偶数 奇数
1, 2, 3, --- 自旋惰球体
无
12C,16O, 32S, 28Si, 30Si
有
1H, 13C, 15N, 19F, 31P
有 11B,17O,33S,35Cl,79Br,127I
I为自旋量子数
8
自旋角动量（PN），自旋量子数（I） I=0，1/2，1，3/2……
磁矩（μN*），核磁矩单位（βN），核磁子；磁旋比（γN）
N
gN
I(I 1)N
N
N
PN
9
自旋核在磁场中的取向和能级
具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化 的，可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间 取向，其数值可取：m =I,I-1,I-2, ……,-I ，共 有2I +1个取向。
16
原子核的进动
在磁场中，原子核的自旋取向有2I+1个。各个取向由一个自旋量子 数m表示。
磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯
N
H0
2
H0
17
自旋角速度ω，外磁场H0，进动频率ν
18
共振条件
原子核在磁场中发生能级分裂，在磁场的垂直方向上加小交变电场，
如频率为v射，当v射等于进动频率ν，发生共振。低能态原子核吸收
核自旋取向能级差高几个数量级，热运动使这种倾向受破坏，当达到 热平衡时，处于高低能态的核数的分布服从Boltzmann分布：
n+/n- or Nl/Nh=eΔE/KT
式中：n+ ---- 低能态的核数 n- ---- 高能态的核数
有
2H, 10B, 14N
11
12
13
14
能级分裂
两种取向代表两个能级，m=-1/2能级高于m=1/2能级。
E
N
I
H0
2N H0
15
核的回旋和核磁共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场BO中，由于 核自身的旋转，而外磁场又力求它取向于磁场 方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同 时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为 Larmor进动。
4
NMR谱的结构信息
化学位移 偶合常数 积分高度
5
让处于外磁场的自旋核接受一定频率的 电磁波辐射，而辐射的能量又恰好等于高低 两种不同取向的能量差时，质子就吸收电磁 辐射，从低能态跃迁到高能态而产生共振现 象，称为核磁共振（NMR）。
以吸收的能量的强度为纵坐标，以吸收 的频率为横坐标，用记录仪描绘下来，分子 中各个核在核磁共振谱上即出现吸收峰，成 为核磁共振谱图。
10
I = n / 2 n = 0 , 1 , 2 , 3 ---- （取整数）
一些原子核有自旋现象，因而具有角动量，原子核是带电的粒子， 在自旋的同时将产生磁矩，磁矩和角动量都是矢量，方向是平行的。
哪些原子核有自旋现象？ 实践证明自旋量子数I与原子核的质量数A 和原子序数Z:
A
Z
I
自旋形状 NMR信号 原子核
频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率
磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度
实际上多用后者。
各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的
共振频率为：
1H
60.000 MHZ
13C
15.086 MHZ
19F
56.444 MHZ
31P
24.288 MHZ
对于1H 核，不同的频率对应的磁场强度：
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核磁共振的条件:
ΔE = h v迴= h v射= h BO /2π 或 v射= v迴= BO /2π
射频频率与磁场强度Bo是成正比的，wk.baidu.com进行核磁共振
实验时，所用的磁强强度越高，发生核磁共振所需的 射频频率也越高。
20
： 要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
6
1. 核磁共振的基本原理
原子核的磁矩 自旋核在磁场中的取向和能级 核的回旋和核磁共振 核的自旋弛豫
7
原子核的自旋、磁矩
质量数与电荷数均为双数，如C12，O16，没有自 旋现象。I=0
质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I为 半整数，1/2，3/2，5/2……
质量数为双数，但电荷数为单数，如H2，N14，I为 整数，1，2……
射频 40 MHZ
60 100
磁场强度 0.9400 特斯拉 1.4092
2.3500
200
4.7000
300
7.1000
500
11.7500
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Boltzmann分布
在质子群中处于高低能态的核各有多少？
在绝对温度0度时，全部核处于低能态 在无磁场时，二种自旋取向的几率几乎相等 在磁场作用下，原子核自旋取向倾向取低能态，但室温时热能比原子
第二章 核磁共振氢谱
1. 核磁共振的基本原理 2. 核磁共振仪与实验方法 3. 氢的化学位移 4. 各类质子的化学位移 5. 自旋偶合和自旋裂分 6. 自旋系统及图谱分类 7. 核磁共振氢谱的解析
1
前言
过去50年，波谱学已全然改变了化学家、生物学家和生物医学 家的日常工作，波谱技术成为探究大自然中分子内部秘密的最 可靠、最有效的手段。NMR是其中应用最广泛研究分子性质的 最通用的技术：从分子的三维结构到分子动力学、化学平衡、 化学反应性和超分子集体、有机化学的各个领域。
英国R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。 • 瑞士科学家库尔特·维特里希因“发明了利用核磁共振技术测定溶液
中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖。
3
1H-NMR Target
o how many types of hydrogen ? o how many of each type ? o what types of hydrogen ? o how are they connected ?
1945年 Purcell（哈佛大学） 和 Bloch（斯坦福大学） 发现核磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖
1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系 1953年 Varian公司试制了第一台NMR仪器
2
NMR发展
近二十多年发展 高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率； 脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定； 计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断化合 物的空间结构起重大作用。
偶数 偶数
0
无自旋现象
奇数 奇数或偶数 1/ 2
自旋球体
奇数 奇数或偶数 3/2, 5/2,--- 自旋惰球体
偶数 奇数
1, 2, 3, --- 自旋惰球体
无
12C,16O, 32S, 28Si, 30Si
有
1H, 13C, 15N, 19F, 31P
有 11B,17O,33S,35Cl,79Br,127I
I为自旋量子数
8
自旋角动量（PN），自旋量子数（I） I=0，1/2，1，3/2……
磁矩（μN*），核磁矩单位（βN），核磁子；磁旋比（γN）
N
gN
I(I 1)N
N
N
PN
9
自旋核在磁场中的取向和能级
具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化 的，可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间 取向，其数值可取：m =I,I-1,I-2, ……,-I ，共 有2I +1个取向。
16
原子核的进动
在磁场中，原子核的自旋取向有2I+1个。各个取向由一个自旋量子 数m表示。
磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯
N
H0
2
H0
17
自旋角速度ω，外磁场H0，进动频率ν
18
共振条件
原子核在磁场中发生能级分裂，在磁场的垂直方向上加小交变电场，
如频率为v射，当v射等于进动频率ν，发生共振。低能态原子核吸收
核自旋取向能级差高几个数量级，热运动使这种倾向受破坏，当达到 热平衡时，处于高低能态的核数的分布服从Boltzmann分布：
n+/n- or Nl/Nh=eΔE/KT
式中：n+ ---- 低能态的核数 n- ---- 高能态的核数
有
2H, 10B, 14N
11
12
13
14
能级分裂
两种取向代表两个能级，m=-1/2能级高于m=1/2能级。
E
N
I
H0
2N H0
15
核的回旋和核磁共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场BO中，由于 核自身的旋转，而外磁场又力求它取向于磁场 方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同 时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为 Larmor进动。
4
NMR谱的结构信息
化学位移 偶合常数 积分高度
5
让处于外磁场的自旋核接受一定频率的 电磁波辐射，而辐射的能量又恰好等于高低 两种不同取向的能量差时，质子就吸收电磁 辐射，从低能态跃迁到高能态而产生共振现 象，称为核磁共振（NMR）。
以吸收的能量的强度为纵坐标，以吸收 的频率为横坐标，用记录仪描绘下来，分子 中各个核在核磁共振谱上即出现吸收峰，成 为核磁共振谱图。
10
I = n / 2 n = 0 , 1 , 2 , 3 ---- （取整数）
一些原子核有自旋现象，因而具有角动量，原子核是带电的粒子， 在自旋的同时将产生磁矩，磁矩和角动量都是矢量，方向是平行的。
哪些原子核有自旋现象？ 实践证明自旋量子数I与原子核的质量数A 和原子序数Z:
A
Z
I
自旋形状 NMR信号 原子核
频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率
磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度
实际上多用后者。
各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的
共振频率为：
1H
60.000 MHZ
13C
15.086 MHZ
19F
56.444 MHZ
31P
24.288 MHZ
对于1H 核，不同的频率对应的磁场强度：