核磁共振氢谱课件汇总.
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N
A （14） Z （7）
H
奇 - 奇
偶 - 偶
偶 - 奇
I为半整数（1/2）
有共振吸收
I=1/2原子核 的自旋形状
I = 0
无
I=1、3/2、 2…原子核 的自旋形状
I为整数
有共振吸收
13C，15N，19F，31P; 11B, 33S, 35Cl，79Br，81Br，39K，63Cu， 5Cu，17O，25Mg，27Al，55Mn，67Zn（P98表3-1）
第三章 核磁共振氢谱
核磁共振基本原理 核磁共振仪与实验方法 1H的化学位移 各类质子的化学位移 自旋偶合和自旋分裂 自选系统及图谱分类 核磁共振氢谱的解析
3.1 核磁共振氢谱发展史
NMR简介
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行 定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。
无磁场
有磁场
共振
弛豫
3.2.3 核的自旋弛豫
饱和现象
n0
吸收电磁辐射 n*
不同温度下，处于高能态的核数（n-）和处于低能态（n+） 的核数的比例不同，根据波尔兹曼分布定律，在常温下低能 态的核数占有极其微弱的优势，如果低能态的核跃迁不能有 效地释放能量回到低能态，则低能态的核数会越来越少，进 而达到饱和，不再有NMR信号。
小结
核磁共振的条件 核磁共振与自旋弛豫的关系
3.3 核磁共振仪
仪器构造 样品处理
3.3.1 核磁共振仪的分类
分类：按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁场 按交变频率分：40 ，60 ，90 ，100 ， 200 ，500，-800 MHZ（兆赫兹），频率越高，分辨率越高 按射频源和扫描方式不同分： 连续波NMR谱仪（CW-NMR) 脉冲傅立叶变换NMR谱仪(FT-NMR)
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 / B0 = / (2 ) （4）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。 （5）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要 的磁场强度H0和射频频率不同。 （6）固定H0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处发 生共振（图）。也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方 式应用较多。
I = 0， ρ =0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。 ∴ 只有当I ＞ O时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
I 的取值可用下面关系判断：
质量数（A） 奇 数 偶 数
A （1 ） Z （1 ）
原子序数（Z） 奇数或偶数 奇 数 偶 数
C
A （12） Z （6）
自旋量子数（I） 半整数 n + 1/2。n = 0,1,2,… 整 数 0
自旋量子数为1/2的核的核磁共振信号相对简单已广泛用于化
合物的结构测定，然而，核磁共振信号的强弱与被测磁性核的 天然丰度和旋磁比的立方成正比，有些核因为天然丰度太小， 核磁共振信号很弱。
3.2.2 自旋核在外加磁场中的取向和能级及共振
具有磁矩（μ）的核在外磁场中的自旋取向是量子化的，可用m 表示核自旋的不同的空间取向，m=I，I-1，I-2，…，-I。 空间取向总数为：2 I + 1 。
3.3.2 构造
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 ．射频振荡器：线圈垂直于 外磁场，发射一定频率的电 磁辐射信号。60MHz800MHz。 3 ．射频信号接受器（检测 器）：当质子的进动频率与 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。
H'
1
H'
H 核：
自旋取向数 = 2×1/2 + 1 = 2 一 致 H0 相 反
即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。
H'
H'
一 致 H0 相 反
m=-1/2 E2
E1
+
E
E
m=+1/2 B0
E= -μB0，B0：磁场强度；E：作用能 E1= -μ1B0 E2= -μ2B0 ΔE= hγB0/2π 当用一频率为υ射=γB0/2π的射频波照射磁场中的氢核时,核的自 旋取向就会由高能级跃迁,产生核磁共振。磁场强度越高，发生 核磁共振所需的射频越高。
在强磁场中，原子核发生自旋能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中， 磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4900MHz)时，将发生核自旋能级的跃迁----产生所谓NMR现象。
测定有机化合物的结构，1H NMR─氢原子的位置、环境以 及官能团和C骨架上的H原子相对数目）
E n e kT 1.0000099 n
驰豫过程
n*
非电磁辐射形式释放能量
n0
驰豫现象：高能态的核以非辐射形式释放能量，回到低能 态，维持n-略大于n+，致使核磁共振信号存在，这种过程称 为“驰豫”。
1) 自旋 - 晶格驰豫 ( 纵向驰豫 ): 处于高能态的自旋体系与周 围的环境之间的能量交换过程，半衰期 T1 可以用来表示 自旋-晶格弛豫过程所需的时间。 2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)一些高能态的自旋核把能量转 移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃 迁至高能态。过程所需时间用T2表示。 液体样品的弛豫时间远小于固体样品，易于得到高分辨的NMR谱图
与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究 的对象是处于强磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸收。
发展历史
1924年：Pauli 预言了NMR的基本理论，即：有些核同时具 有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； 1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发 现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； 1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨 NMR仪器； 1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这 一影响与物质分子结构有关。 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化(早期多使用的是连续波 NMR 仪器)。
3.2
核磁共振基本原理
3.2.1 原子核的自旋
原子核是由质子和中子组成的带正电荷的粒子，存在自旋，
其自旋运动将产生磁矩（ μ ）。 核的自旋角动量(ρ)是量子化
的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述。
h I ( I 1) 2
自旋量子数: I＝0、1/2、1…
μ= γ*ρ，γ：wk.baidu.com旋比
A （14） Z （7）
H
奇 - 奇
偶 - 偶
偶 - 奇
I为半整数（1/2）
有共振吸收
I=1/2原子核 的自旋形状
I = 0
无
I=1、3/2、 2…原子核 的自旋形状
I为整数
有共振吸收
13C，15N，19F，31P; 11B, 33S, 35Cl，79Br，81Br，39K，63Cu， 5Cu，17O，25Mg，27Al，55Mn，67Zn（P98表3-1）
第三章 核磁共振氢谱
核磁共振基本原理 核磁共振仪与实验方法 1H的化学位移 各类质子的化学位移 自旋偶合和自旋分裂 自选系统及图谱分类 核磁共振氢谱的解析
3.1 核磁共振氢谱发展史
NMR简介
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行 定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。
无磁场
有磁场
共振
弛豫
3.2.3 核的自旋弛豫
饱和现象
n0
吸收电磁辐射 n*
不同温度下，处于高能态的核数（n-）和处于低能态（n+） 的核数的比例不同，根据波尔兹曼分布定律，在常温下低能 态的核数占有极其微弱的优势，如果低能态的核跃迁不能有 效地释放能量回到低能态，则低能态的核数会越来越少，进 而达到饱和，不再有NMR信号。
小结
核磁共振的条件 核磁共振与自旋弛豫的关系
3.3 核磁共振仪
仪器构造 样品处理
3.3.1 核磁共振仪的分类
分类：按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁场 按交变频率分：40 ，60 ，90 ，100 ， 200 ，500，-800 MHZ（兆赫兹），频率越高，分辨率越高 按射频源和扫描方式不同分： 连续波NMR谱仪（CW-NMR) 脉冲傅立叶变换NMR谱仪(FT-NMR)
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 / B0 = / (2 ) （4）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。 （5）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要 的磁场强度H0和射频频率不同。 （6）固定H0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处发 生共振（图）。也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方 式应用较多。
I = 0， ρ =0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。 ∴ 只有当I ＞ O时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
I 的取值可用下面关系判断：
质量数（A） 奇 数 偶 数
A （1 ） Z （1 ）
原子序数（Z） 奇数或偶数 奇 数 偶 数
C
A （12） Z （6）
自旋量子数（I） 半整数 n + 1/2。n = 0,1,2,… 整 数 0
自旋量子数为1/2的核的核磁共振信号相对简单已广泛用于化
合物的结构测定，然而，核磁共振信号的强弱与被测磁性核的 天然丰度和旋磁比的立方成正比，有些核因为天然丰度太小， 核磁共振信号很弱。
3.2.2 自旋核在外加磁场中的取向和能级及共振
具有磁矩（μ）的核在外磁场中的自旋取向是量子化的，可用m 表示核自旋的不同的空间取向，m=I，I-1，I-2，…，-I。 空间取向总数为：2 I + 1 。
3.3.2 构造
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 ．射频振荡器：线圈垂直于 外磁场，发射一定频率的电 磁辐射信号。60MHz800MHz。 3 ．射频信号接受器（检测 器）：当质子的进动频率与 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。
H'
1
H'
H 核：
自旋取向数 = 2×1/2 + 1 = 2 一 致 H0 相 反
即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。
H'
H'
一 致 H0 相 反
m=-1/2 E2
E1
+
E
E
m=+1/2 B0
E= -μB0，B0：磁场强度；E：作用能 E1= -μ1B0 E2= -μ2B0 ΔE= hγB0/2π 当用一频率为υ射=γB0/2π的射频波照射磁场中的氢核时,核的自 旋取向就会由高能级跃迁,产生核磁共振。磁场强度越高，发生 核磁共振所需的射频越高。
在强磁场中，原子核发生自旋能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中， 磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4900MHz)时，将发生核自旋能级的跃迁----产生所谓NMR现象。
测定有机化合物的结构，1H NMR─氢原子的位置、环境以 及官能团和C骨架上的H原子相对数目）
E n e kT 1.0000099 n
驰豫过程
n*
非电磁辐射形式释放能量
n0
驰豫现象：高能态的核以非辐射形式释放能量，回到低能 态，维持n-略大于n+，致使核磁共振信号存在，这种过程称 为“驰豫”。
1) 自旋 - 晶格驰豫 ( 纵向驰豫 ): 处于高能态的自旋体系与周 围的环境之间的能量交换过程，半衰期 T1 可以用来表示 自旋-晶格弛豫过程所需的时间。 2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)一些高能态的自旋核把能量转 移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃 迁至高能态。过程所需时间用T2表示。 液体样品的弛豫时间远小于固体样品，易于得到高分辨的NMR谱图
与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究 的对象是处于强磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸收。
发展历史
1924年：Pauli 预言了NMR的基本理论，即：有些核同时具 有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； 1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发 现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； 1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨 NMR仪器； 1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这 一影响与物质分子结构有关。 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化(早期多使用的是连续波 NMR 仪器)。
3.2
核磁共振基本原理
3.2.1 原子核的自旋
原子核是由质子和中子组成的带正电荷的粒子，存在自旋，
其自旋运动将产生磁矩（ μ ）。 核的自旋角动量(ρ)是量子化
的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述。
h I ( I 1) 2
自旋量子数: I＝0、1/2、1…
μ= γ*ρ，γ：wk.baidu.com旋比