核磁共振波谱分析报告

核磁共振波谱分析

1946年美国科学家布洛赫(Bloch)和珀塞尔（Purcell）两位物理学家分别发现在射频*（无线电波*0.1～100MHZ,106～109μm）的电磁波能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,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(NMR)。NMR 和红外光谱，可见—紫外光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上跃迁。引起核磁共振的电磁波能量很低,不会引起振动或转动能级跃迁,更不会引起电子能级跃迁。.根据核磁共振图谱上吸收峰位置、强度和精细结构可以研究分子的结构。化学家们发现分子的环境会影响磁场中核的吸收，而且此效应与分子

结构密切相关。1950年应用于化学领域，发现CH

3CH

2

OH中三个基团H吸收不同。

从此核磁共振光谱作为一种对物质结构（特别是有机物结构）分析的确良非常有效的手段得到了迅速发展。1966年出现了高分辨核共振仪，七十年代发明了脉冲傅立叶变换核磁共振仪，以及后来的二维核磁共振光谱（2D-NMR），从测量1H 到13C、31P、15N，从常温的1～2.37到超导的5T以上，新技术和这些性能优异的新仪器都核磁共振应用范围大大扩展，从有机物结构分析到化学反应动力学，高分子化学到医学、药学、生物学等都有重要的应用价值。

§4-1核磁共振原理

一、原子核自旋现象

我们知道原子核是由带正电荷的原子和中子组成，它有自旋现象原子核大都围绕着某个轴作旋转运动，各种不同的原子核，自旋情况不同。原子核的自旋情况在量子力学上用自旋量子数I表示，有三种情况：

①I=0,这种原子核没有自旋现象,不产生共振吸收(质量数为偶数(M),电子数,原子数为偶数(z)为12G,16O,32S)

②I=1、2、3、…、n，有核自旋现象，但共振吸收复杂，不便于研究。

③I=n/2（n=1、2、3、5、…）有自旋现象，n〉1时，情况复杂，n=1时，I=1/2，

这类原子核可看作是电荷均匀分布的球体，这类原子核的磁共振容易测定，适用于核磁共振光谱分析，其中尤以1H最合适。

二，核磁共振现象旋转的原子核产生磁遵循右手法则将旋转的原子核放到一个均匀的磁场中，自旋核在磁场中进行定向排列，排列方向共有2I+1种，用（核）磁量子数m来表示，m=I、I-1、I-2、…，-I。原子核处于不同的排列方向时能量不同，也即，在外磁场的作用下，原子核能级分裂成2I+1个。

对1H，I=1/2，m=+1/2，-1/2，这两种排列有很小的能级差别

△E=2μH

0 ，式中μ——自旋核产生的磁矩，H

——外磁场强度

m=+1/2的能量较低，称低能自旋态，m=-1/2能量较高，称高能自旋态。从m=+1/2跃迁到m=-1/2跃迁到m=-1/2需吸收一定能量（电磁波），只有当具有辐射的频率和外界磁场达到一定关系才能产生吸收。

产生核磁共振条件是E=△E，

即hυ

0=2μH

=γh/2π×H

，既υ

=γH

/2π（γ——磁旋比）

说明：①对于不同的原子核，γ不同，若固定H

O ，则υ

不同，由此可鉴定不同

的元素或同种元素的不同的同位素。

②对于同一种原子核，γ相同，H

0固定时，υ

相同，H

改变υ

也改变。

三，驰豫过程

1H在外磁场作用下，其能级裂分为2（m=+1/2，m=-1/2），若二者数目相等

则不能观测到核磁共振现象，但根据Boltzman分配N

+1/2/N

-1/2

=e△E/KT=1.0000099，

即每一百万个氢核中低能氢核数仅多约10个左右，故能产生净吸收这很容易饱和，饱和后就看不到磁共振现象，但事实上高能态核回到低能态是通过非辐射途径，这个过程称为驰豫过程。

驰豫分为

自旋——晶格驰豫（纵向驰豫） T

1（固体T

1

很大）

（自旋核与周围分子交换能量）

自旋——自旋驰豫（横向驰豫） T

2

（自旋核与能量相当的核进行交换）

驰豫时间对谱线宽度的影响：根据测不准原理

△E×△t=h，h△μ△t=h

∴△μ=1/△t

固体样T

2

很小，较谱线很宽，为得高分辨率谱图，需用液体样品。

§4-2化学位移

一、化学位移的产生

从核磁共振条件μ

0=rH

/2π看,共振频率μ

取决于H

和r,但这仅仅是对”

裸露”的原子核,即理想化的状态而言。事实上原子核往往有核外电子云，其周围也存在其它原子，这些周围因素即所谓化学环境是否会对核磁共振产生影响？1950年DikiNson和Proctor发现，磁性核的共振频率不仅取决于H

O

和r，还会受到化学环境的影响，这种影响的原因在于屏蔽作用。

屏蔽作用：处于磁场中的原子核，其核外电子运动（电流）会产生感应磁场，其方向与外加磁场相反，抵消了一部分外磁场对原子核的作用，这种现象称屏蔽作用。

由于屏蔽作用的影响，原子核共振频率将出现在较没屏蔽作用更高的磁场，即共

振条件变为：υ

0 =γH

实

/2π=γ/2π×（H-H/）=γ/2π×H（1-ó）

ó——屏蔽常数，屏蔽作用大小与核外电子云密度有关，电子云密度越大，屏蔽作用也越大，共振所需的磁场强度愈强。

化学位移：由屏蔽作用引起的共振时磁场的强度的移动现象，称化学位移。

由于化学位移的大小和原子核所处的化学环境密切相关，因此，可根据化学位移的大小来了解原子核所处的化学环境，即有机化合物的分子结构。