核磁共振波谱法详细解析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(一) 核自旋能级分裂
➢ 在无外加磁场时，自旋核磁矩的取向是任意的；
➢ 若将原子核置于磁场中，核磁矩可有不同的排列， 共有 2I+1 个取向；
➢ 每一种取向用磁量子数m表示，则m=I, I-1, I2,…, -I+1, -I。
核磁共振波谱法详细解析
例：I=1/2时， 2 1 1 2 即：m1, m1
3.核磁共振波谱法：利用核磁共振波谱对物 质进行结构测定、定性和定量分析的 方法。
核磁共振波谱法详细解析
♫概述
二、NMR与UV、IR的区别
1.照射的电磁辐射频率不同，引起的跃迁类型不同
UV-Vis 200-760nm 紫外可见光 价电子跃迁 IR 2.5-25µm 红外线 振动－转动能级跃迁
NMR 0.6-30m 无线电波 原子核自旋能级跃迁
2.医学：核磁共振成像技术（医疗诊断） 3.生化：生物大分子、酶结构测定
核磁共振波谱法详细解析
四、1H-NMR和 13C-NMR 给出的结构信息
1H-NMR：
⑴质子类型（-CH3, -CH2,＝CH，Ar-H）和所处 的化学环境；
⑵ H分布情况 ； ⑶ 核间的关系。 ✓ 缺点：不含H基团无 NMR信号, 化学环境相近
P h I(I1) P:自旋角动量 2π
I0核，自旋产生核磁矩 ，核磁矩的方向服从 右手法则，其大小与自旋角动量成正比。
核磁共振波谱法详细解析
2. 核磁矩( )
μ P h I(I1)
2π
μ:核磁矩；:磁旋比
为磁旋比，是原子核
的特征常数。
磁矩方向：右手螺旋法则
核磁共振波谱法详细解析
二、原子核的自旋能级和共振吸收
μ m h
z
2π
➢ 核磁矩的能量与μz和外磁场强度H0有关：
EZH0m2h H0
核磁共振波谱法详细解析
（一）核自旋能级分裂
不同取向的核具有不同的能级， I = 1/2: m =1/2 的μz 顺磁场，能量低；
m =－1/2的 µz 逆磁场，能量高。
E➢H在0=E 外00 加 磁场Z mmH =中=1H0 -/，120 /2自m 旋核磁核共振发EEE2 EEE波EEEh 1E1能E2谱2E12法H 级m详m12m12细EE0 (分(E解22(12析2裂1222122hhh)EhE12)h，1E1)21Hh能HHH22Hh0h0级0 220H2hhh差H2H0h0和0HHH H00H0 00成正比
的烷烃，难区别
13C-NMR：丰富的C骨架信息
核磁共振波谱法详细解析
第一节 基本原理
一 、原子核的自旋 1.自旋分类
原子核：质子和中子组成的带正电荷的粒子。
原子核自旋运动与自旋量子数I有关。 I与原子核的质量数和电荷数(原子序数)有关。
核磁共振波谱法详细解析
第一节 基本原理
1.自旋分类
质量数 电荷数 自旋量子数
核磁共振波谱法详细解析
三、自旋驰豫
• 低能态核数n+仅比高能态核数n-多十万分之一 • 当n- =n+时，NMR信号消失——饱和 • 外磁场H0 ↑/ 温度↓，n-/n+↓，对测定有利
自旋－晶格驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传递 给周围环境（晶格或溶剂），自己回到低能态的过程
自旋－自旋驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传 递给邻近低能态同类磁性核的过程
2
2
2
顺磁场 低能量
逆磁场 高能量
氢核磁矩的取核向磁共振波谱法详细解析
例：I=1时，
2113个取向，
即： m = 1，0，-1
I=1 氢核磁矩的取向
核磁共振波谱法详细解析
➢ 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量子 化的，这种现象称为空间量子化。
➢ 用μZ表示不同取向核磁矩在外磁场方向的投影。
核磁共振波谱法详细解析
核磁共振波谱法 ( NMR )
核磁共振波谱法详细解析
Biblioteka Baidu
♫概述
一、核磁共振和核磁共振波谱法 1.核磁共振(NMR):
在外磁场的作用下，具有磁矩的原子核 存在着不同能级，当用一定频率的射频照射 分子时，可引起原子核自旋能级的跃迁，即 产生核磁共振。
核磁共振波谱法详细解析
♫概述
2.核磁共振波谱：以核磁共振信号强度对照 射频率（磁场强度）作图，所得图谱。
自旋量子数I
*I=1/2的核
① 偶数 偶数 I=0
1 6
2
C
1
6 8
O
② 奇数 奇偶数 I为半整数, 1/2,3/2…
③ 偶数 奇数
如：11 H
,
13 6
C
,
1
9 9
F
I为整数, I=1, 2, 3, …
D N 核磁共振波谱法详细解析
如：21
,
14 7
2. 核磁矩( )
原子核有自旋现象，因而有自旋角动量：
核磁共振波谱法详细解析
2.测定方法不同：
UV、IR－－测定A（T） NMR －－共振吸收法
共振吸收法：利用原子核在磁场中，核 自旋能级跃迁时核磁矩方向改变产生感应 电流来得到NMR信号。
核磁共振波谱法详细解析
♫概述
三、核磁共振波谱法的应用
1.测定有机物结构：化学及立体结构（构型、构像、 互变异构）
（二）原子核的共振吸收
1. 进动
z
原子核
Larmor 方程：
θ
2
H0
0 陀螺的进动
原子核的进动
➢ ①外加磁场H0↑, ↑
➢ ② ↑, ↑
核磁共振波谱法详细解析
共振吸收与弛豫
核磁共振波谱法详细解析
②m=1, 跃迁只能发生在两个相邻能级间
I1核 I 1核 mI mI12m12（低能12核 12,12 核 mm=+,m=-1对0m与m于212I1,之m（高能1的对 m间核发12、生12m，于 112,2不0,12I能1,跃发,迁1生m与只在-11能之的 1在间与0 核12 、m1,0,1,跃迁只能1在 对对于于 态I ）I11的1的 态0核 与 ）核、m1、之 m1间,10,,0发 ,1,1生 跃 ,跃， 迁迁不 只只能能1发 在 与 1在 与 1生 0与0在 -1之 0与 0与1之 1之间间发发生生，，不不能能发发1生 与 1生 与-在1在 -之1之间间
核磁共振波谱法详细解析
三、自旋驰豫
➢ 驰豫历程：激发核通过非辐射途径损失能量而恢复至基态 的过程，是维持连续NMR信号必不可少的过程。
Boltzmann分布：
n
ΔE
e kT
rhH0
e 2πkT
n
例：I=1/2核，T=300K，H0=1.4092T：
n1/2
n e 0.99999 1/2
6.6 310 342.6 818 01.4092 23.1 41.3 810 23 300
➢ 在无外加磁场时，自旋核磁矩的取向是任意的；
➢ 若将原子核置于磁场中，核磁矩可有不同的排列， 共有 2I+1 个取向；
➢ 每一种取向用磁量子数m表示，则m=I, I-1, I2,…, -I+1, -I。
核磁共振波谱法详细解析
例：I=1/2时， 2 1 1 2 即：m1, m1
3.核磁共振波谱法：利用核磁共振波谱对物 质进行结构测定、定性和定量分析的 方法。
核磁共振波谱法详细解析
♫概述
二、NMR与UV、IR的区别
1.照射的电磁辐射频率不同，引起的跃迁类型不同
UV-Vis 200-760nm 紫外可见光 价电子跃迁 IR 2.5-25µm 红外线 振动－转动能级跃迁
NMR 0.6-30m 无线电波 原子核自旋能级跃迁
2.医学：核磁共振成像技术（医疗诊断） 3.生化：生物大分子、酶结构测定
核磁共振波谱法详细解析
四、1H-NMR和 13C-NMR 给出的结构信息
1H-NMR：
⑴质子类型（-CH3, -CH2,＝CH，Ar-H）和所处 的化学环境；
⑵ H分布情况 ； ⑶ 核间的关系。 ✓ 缺点：不含H基团无 NMR信号, 化学环境相近
P h I(I1) P:自旋角动量 2π
I0核，自旋产生核磁矩 ，核磁矩的方向服从 右手法则，其大小与自旋角动量成正比。
核磁共振波谱法详细解析
2. 核磁矩( )
μ P h I(I1)
2π
μ:核磁矩；:磁旋比
为磁旋比，是原子核
的特征常数。
磁矩方向：右手螺旋法则
核磁共振波谱法详细解析
二、原子核的自旋能级和共振吸收
μ m h
z
2π
➢ 核磁矩的能量与μz和外磁场强度H0有关：
EZH0m2h H0
核磁共振波谱法详细解析
（一）核自旋能级分裂
不同取向的核具有不同的能级， I = 1/2: m =1/2 的μz 顺磁场，能量低；
m =－1/2的 µz 逆磁场，能量高。
E➢H在0=E 外00 加 磁场Z mmH =中=1H0 -/，120 /2自m 旋核磁核共振发EEE2 EEE波EEEh 1E1能E2谱2E12法H 级m详m12m12细EE0 (分(E解22(12析2裂1222122hhh)EhE12)h，1E1)21Hh能HHH22Hh0h0级0 220H2hhh差H2H0h0和0HHH H00H0 00成正比
的烷烃，难区别
13C-NMR：丰富的C骨架信息
核磁共振波谱法详细解析
第一节 基本原理
一 、原子核的自旋 1.自旋分类
原子核：质子和中子组成的带正电荷的粒子。
原子核自旋运动与自旋量子数I有关。 I与原子核的质量数和电荷数(原子序数)有关。
核磁共振波谱法详细解析
第一节 基本原理
1.自旋分类
质量数 电荷数 自旋量子数
核磁共振波谱法详细解析
三、自旋驰豫
• 低能态核数n+仅比高能态核数n-多十万分之一 • 当n- =n+时，NMR信号消失——饱和 • 外磁场H0 ↑/ 温度↓，n-/n+↓，对测定有利
自旋－晶格驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传递 给周围环境（晶格或溶剂），自己回到低能态的过程
自旋－自旋驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传 递给邻近低能态同类磁性核的过程
2
2
2
顺磁场 低能量
逆磁场 高能量
氢核磁矩的取核向磁共振波谱法详细解析
例：I=1时，
2113个取向，
即： m = 1，0，-1
I=1 氢核磁矩的取向
核磁共振波谱法详细解析
➢ 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量子 化的，这种现象称为空间量子化。
➢ 用μZ表示不同取向核磁矩在外磁场方向的投影。
核磁共振波谱法详细解析
核磁共振波谱法 ( NMR )
核磁共振波谱法详细解析
Biblioteka Baidu
♫概述
一、核磁共振和核磁共振波谱法 1.核磁共振(NMR):
在外磁场的作用下，具有磁矩的原子核 存在着不同能级，当用一定频率的射频照射 分子时，可引起原子核自旋能级的跃迁，即 产生核磁共振。
核磁共振波谱法详细解析
♫概述
2.核磁共振波谱：以核磁共振信号强度对照 射频率（磁场强度）作图，所得图谱。
自旋量子数I
*I=1/2的核
① 偶数 偶数 I=0
1 6
2
C
1
6 8
O
② 奇数 奇偶数 I为半整数, 1/2,3/2…
③ 偶数 奇数
如：11 H
,
13 6
C
,
1
9 9
F
I为整数, I=1, 2, 3, …
D N 核磁共振波谱法详细解析
如：21
,
14 7
2. 核磁矩( )
原子核有自旋现象，因而有自旋角动量：
核磁共振波谱法详细解析
2.测定方法不同：
UV、IR－－测定A（T） NMR －－共振吸收法
共振吸收法：利用原子核在磁场中，核 自旋能级跃迁时核磁矩方向改变产生感应 电流来得到NMR信号。
核磁共振波谱法详细解析
♫概述
三、核磁共振波谱法的应用
1.测定有机物结构：化学及立体结构（构型、构像、 互变异构）
（二）原子核的共振吸收
1. 进动
z
原子核
Larmor 方程：
θ
2
H0
0 陀螺的进动
原子核的进动
➢ ①外加磁场H0↑, ↑
➢ ② ↑, ↑
核磁共振波谱法详细解析
共振吸收与弛豫
核磁共振波谱法详细解析
②m=1, 跃迁只能发生在两个相邻能级间
I1核 I 1核 mI mI12m12（低能12核 12,12 核 mm=+,m=-1对0m与m于212I1,之m（高能1的对 m间核发12、生12m，于 112,2不0,12I能1,跃发,迁1生m与只在-11能之的 1在间与0 核12 、m1,0,1,跃迁只能1在 对对于于 态I ）I11的1的 态0核 与 ）核、m1、之 m1间,10,,0发 ,1,1生 跃 ,跃， 迁迁不 只只能能1发 在 与 1在 与 1生 0与0在 -1之 0与 0与1之 1之间间发发生生，，不不能能发发1生 与 1生 与-在1在 -之1之间间
核磁共振波谱法详细解析
三、自旋驰豫
➢ 驰豫历程：激发核通过非辐射途径损失能量而恢复至基态 的过程，是维持连续NMR信号必不可少的过程。
Boltzmann分布：
n
ΔE
e kT
rhH0
e 2πkT
n
例：I=1/2核，T=300K，H0=1.4092T：
n1/2
n e 0.99999 1/2
6.6 310 342.6 818 01.4092 23.1 41.3 810 23 300