第三章核磁共振波谱法

第三章核磁共振波谱法

核磁共振（NMR ）现象的发现

1945年，Stanford大学F. Bloch （波塞尔）领导的研究小组和Harvard大学E. M. Purcell （布洛赫）领导的研究小组几乎同时发现了核磁共振（Nuclear Magn etic Reso nan ce, NMR现象，他们分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号。

对NMR作出贡献的12位Nobel得主

他们二人因此获得1952 年诺贝尔物理学奖。

Richard R. Ernst

唯一一位因为在核磁共振方面的突出贡献获而得Nobel化学奖的科学家.

应用领域广泛

今天，核磁共振已成为鉴定有机化合物结构及研究化学动力学等的极为重要的方法。在有机化学、生物化学、药物化学、物理化学、无机化学及多种工业部门中得到广泛的应用。另外，核磁共振成像技术已经普遍应用于临床。

【基本要求】理解核磁共振谱的基本原理，基本概念和常用术语掌握核磁共振谱与有机化合物分子结构之间的关系掌握运用核磁共振谱解析分子结构的方法

【重点难点】核磁共振谱与有机化合物分子结构之间的关系核磁共振谱解析分子结构的方法

§1 核磁共振的基本原理

1.1 原子核的自旋和自旋磁矩

量子力学和实验都证明原子核的自旋运动与自旋量子数I 有关，而自旋量子数I取决于原子的质量数（A）和原子序数（Z）:

Z A I A x z

偶数偶数

12厂1£飞

Vfi. Mg, 3*16

奇数或偶数

12

“0皿195Pr?e.旳甌等

奇数

3/2

7Li3.也即23Na11T J3S l6. 35C117. 37C117T

39K19t阳g妙仍Cuss, 79Br J5.叫抵等

52l7O fi. 25Nlg12, 55Mibs,旳Z I珈等奇数偶数1W…応14N7, SS C O27.LO B5

原子核是由中子与质子组成。质子与中子数为偶数的核，其自旋量子数1=0, 没有自旋运动，例如12C、180、32S等核。质子数与中子数其中之一为奇数I工0 具有自旋现象，例如％、13c、19F、31P> 14N、35Cl等核。（质子数=核电荷数=

原子序数）

自旋量子数I工0的原子核都有自旋运动，并且核带有一定的正电荷。这些

电荷也围绕着自旋轴旋转，从而产生循环电流，循环电流就会产生磁场。因此凡

是I工的原子核都会产生磁矩。其自旋磁矩卩=丫P M是一个矢量，其方向与自

旋轴重合；为磁旋比，代表磁核的性质，是核的特征常数。如，1H核的值为26.7519 W7 T-1s-1（每秒特斯拉，磁感应强度B的单位为特斯拉（T））; 13C核的值为6.7283 X07 T-1s-1。P为自旋角动量为:

h—普朗克常数。I—自旋量子数。

有自旋磁矩的原子核通常称为磁性核。丫（磁旋比）值越

大，核的磁性越强，检测灵敏度越高。

自旋量子数I工0的原子核都有自旋磁矩存在，都有核磁共振现象。I = 1/2 的原子核，电荷均匀地分布在原子核表面，核磁共振的谱线窄，是核磁共振研究最适宜的对象。下面主要以自旋量子数I = 1/2、旋磁比比较大的氢核为代表，介

绍核磁共振的基本原理。先来了解具有磁性的原子核的运动

1.2原子核在外磁场B。中的自旋运动——进动

療子核的自疑和自旋楼矩

n

轴

当自旋核置于外磁场B o 中，自旋核的行为就象一个在地心引力场中的陀螺。 自旋量子数I =1/2的原子核的运动情况如右图所示。

就叫做Larmor （进动）频率，与外磁场强度成正比。

（Y 为核的磁旋比，又称旋磁比、回旋比等。）

白旋■子敷・1匕的自蛙棣在外场（B °）中的运动状态

1.3自旋磁矩的空间取向量子化

按照量子力学规律，原子核自旋磁矩的空间取向是量子化的 I 的核在外磁场中存在（2I + 1）个不同的自旋状态，其自旋磁矩有（2I +

1）个 不同的空间取向，每个取向可由一个自旋磁量子数（m ）表示，m = I, I - 1, I - 2, • -I 等。如上图所示，I 为1/2的核就有两种不同的自旋状态：顺着外磁场（B o ）方 向进动（m = + 1/2）、逆着外磁场（B o ）方向进动（m = -1/2 ）。所以，其自旋 核的自旋轴与外磁场（B o ）方向有一定的角度

9,自旋轴 绕外磁场方向发生回旋。外磁场方向称为回旋轴

（铅直 轴），

自旋核的这种运动就叫做Larmor （拉莫尔）

进动。 旋量子数I = 1/2的自旋核在外磁场中的运动状态有 （21+1）两种，分别用（磁量子数）m = + 1/2和m = -1/2

来表示，见下图，其含义后面介绍。核回旋的频率（

v ）

自旋量子数为

4U ・

自 址&引力 蔻力场中陀蠟前运功 V

-

磁矩在空间就有两种取向。I 为1的核自旋磁矩的空间取向有三种（m = 1,1 -1,1

-2, • •）•,-

=0

在外雄场（甌）中，原子核自碇臓矩的空间取向晟子化

如将外磁场B o的磁力线方向定为z轴方向，则原子核自旋角动

量在B o方向（z轴）的分量（即自旋角动量在z轴上的投影）

只能取一些不连续的数值，即

n h

相应的自旋磁矩在B o方向（z轴）的分量（即核磁矩在z

轴上的投影）也是量子化的。

D h

■ /it

1.4核磁能级

自旋量子数为I的核在外磁场中存在（2I + 1）个不同的自旋状态，各自旋状态的能量为：

E = -ft z B G= - y HI丄禺

当然也是量子化的，故称为核磁能级。自旋量子数为1/2的核在外磁场中存在两种不同的自旋状态，有两个核磁能级，如下左图所示，说图。

两核磁能级的能量差与外磁场强度成正比，如下右图所示。