有机波谱的核磁共振氢谱优秀课件

3.1.6 核磁共振条件
(1)核磁共振条件 ①I≠0的自旋核。 ②在外磁场中B0，核能级发生裂分，能量是量子
化的。 ③与外加磁场B0互相垂直的射频场B1，当射频场
能量(E＝hυ)恰等于二能级间差(△E)时，核吸 收能量由低能级跃迁到高能级。
(2)讨论： ＝
B0
①共振射频频率与磁场强度成正比。对于同一种核，
3.1.2 原子核的磁距
I=1/2的核(氢核)，可当作电荷均匀分布的球，绕 自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁-核 磁。产生磁场的方向用右手法则来确定，磁性大 小称核磁矩。
量子力学证明，I≠0的原子核→都有自旋现象→产生 磁矩μ。μ与自旋角动量P关系如下：
＝ P
h
2
I(I 1)
γ-磁旋比，原子核的特性参数，是原子核的重要属性。
3.2 核磁共振波谱仪
(1) 永久磁铁：提供外磁场(B0)，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(B1)。 (3) 射频信号接受器(检测器)：当质子 的进动频率(v)与辐射频率(v1)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。
有机波谱的核磁共振氢谱
第三章 核磁共振氢谱(1H NMR)
核磁共振波谱(NMR)与UV、IR同样，都是微观粒 子吸收电磁波后在不同能级上跃迁而产生的。
UV 分子吸收 IR 分子吸收 NMR 分子吸收
200~800 nm 辐射 2.5~25 m 辐射 106~109m 辐射
电子跃迁 振动能级跃迁 磁能级跃迁
106~109 m辐射与暴露在强磁场中的磁性原子核相 互作用，引起磁性原子核在外磁场中发生磁能级的共 振跃迁，从而产生信号。
根据NMR图上吸收峰的位置、强度和精细结构可以 了解特定原子(1H、13C等)的化学环境、原子个数、邻 接基团的种类及分子的空间构型。
NMR已经成为化学、物理、生物、医药等研究领域 必不可少的实验工具。
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I）
例子
奇数
奇或偶
1 , 3 , 5 222
I
1 2
,1H1
,
13C6
,19F9
,15N 7
偶数
偶数
I
23,11B5 ,35Cl17,
I
5 2
,17
O8
0
12C6,16O8 ,32S16
偶数
奇数
1，2，3……
I 1,2H1,14N7 , I 3,10B5
(1) I=0的原子核 如，12C6；16O8；32S16等，无自旋， 没有磁矩，不产生共振吸收。
角度，(＝54°24’和125°36’)
自旋核受到一个外力矩的作用。 因此，核在磁场中自旋的同时 还以自旋轴绕一定角度围绕外 磁场进行回旋进动-拉摩尔进动。
拉莫尔进动角速度：=2·0=·B0 进动频率0与外磁场B0成正比
3.1.6 核磁共振v0吸收
由量子力学选律可知，△m＝±1的跃迁才是允许跃 迁，相邻两能级间的能量差为：
1H： =2.675×108(rad·T-1·S-1) 13C：=6.728×107(自旋核的取向
具有磁矩μ的核在外磁场中，排列是有序的，取向 是量子化的。用磁量子数m表示核自旋空间不同的 取向。 可有(2I+1)个取向，(m＝I、I-1、… -I+1、－I) 如：氢核(I=1/2)，两种取向(两个能级)：
为定值，B0强度越高，共振射频频率越高。
氢核(1H)： 1.409 T 共振频率 60MHz
2.305 T 共振频率 100 MHz
H0的单位：1高斯(GS)=10-4T(特斯拉)
②不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同。
相同的磁场强度B0需要射频频率不同。 ③固定B0，改变(扫频)，不同原子核在不同频率处发 生共振。也可固定，改变B0(扫场)。扫场方式较多。
3.1 核磁共振基本原理
3.1.1 原子核的自旋 NMR研究的对象是具有磁距的原子核。 原子核是由质子和中子组成的带正电荷的粒子。 原子核有自旋，产生自旋角动量，根据量子力学计算：
自旋角动量 p h I(I1)
2
式中，I-自旋量子数(零、半整数和整数)；h-普朗克常数；
原子的自旋情况可以用(I)表征：
(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;
B0中原子核的自旋取向
核的自旋角动量P在z轴上的投影Pz也只能不连续的 取值；与Pz相应的核磁距在z轴上的投影为
μZ =γ·PZ=(γ·h·m)/2π
3.1.4 自旋核的能级
m = -1/2
磁矩在外磁场B0E中与磁场相互作m 用= -能1/2E=-μzB0。
E
I= 1I=/21/2
B0
m = + 1/2
B m = + 1/2 ｍ＝-1/2 时， E(-1/2 )＝ Z B0 ＝0 -1/2)
h
. B0
ｍ＝+ 1/2 时， E(+ 1/2 )＝－ Z B0 ＝ + 1/2)
h
. B0
3.1.5 拉摩尔进动
自旋核的两种取向不完全与外磁场平行，成一定的
核在能级之间的定向分布和跃迁：通常情况下， 低能态核数目比高能态数目稍多，低能态的核吸收 外部能量跃迁到高能态，并给出相应的吸收信号-核 磁共振信号。
饱和(saturated)-低能态的核全部跃迁到高能态，不 能在吸收能量。
弛豫(relaxtion)-高能态的核以非辐射的方式回到低 能态，该特性使得核磁共振的连续信号称为可能。
(2) I≥1的原子核 I=1： 2H1，14N7 I=3/2：11B5，35Cl17，79Br35，81Br35 I=5/2：17O，127I 这类原子核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，1H1，13C6，19F17，31P15 核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有 磁矩产生，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。
E＝ E(-1/2)－E(＋1/2) ＝
h 2p
B0
外加磁场B0越强，能级裂分越大，能级差越大。
若在与B0 垂直方向上加一个交变场B1(射频场)其频率
1。当射频场频率等于自旋核进动频率(1＝0)时，自
旋核会吸收射频波的能量，由低能级跃迁到高能级，
称为核磁共振吸收。
吸收的射频波的能量
核磁共振基本关系式：1＝0时