大学有机化合物波谱解析课件3核磁共振(NMR)

• 重点：核的能级跃迁与电子屏蔽 效应的关系、影响化学位移的主 要因素、磁不等同的氢或碳核、 1H-NMR谱裂分情况、偶合常数、 低级偶合中相邻基团的结构特征.
• 难点：综合应用图谱提供的各种 信息初步判断化合物的正确结构
第一节 核磁共振的基础知识
一、核磁共振的基本原理
• (一)原子核的自旋与自旋角动量(P)、核 磁矩(μ)及磁旋比(γ)
m=1/2
m=2
m=1
m=1
m=0
m=0
m=-1/2
m=-1
m=-1 m=-2
I=1/2
I=1
I=2
I=1/2
I=1
I=3/2
自旋取向的能量
• 与外磁场同向:m=+1/2,称为α自旋 态,处于低能态 E1=-μB0
• 与外磁场反向: m=-1/2，称为β自 旋态,处于高能态 E2=μB0
• △E=E2- E1= μB0- (-μB0)=2μB0
饱和：低能级核全部向高能级跃迁，不再吸 收能量，核磁共振信号逐渐衰退，直至完 全消失，这种状态叫饱和.
驰豫：低能级核向高能级跃迁,高能态必须放 出能量回到低能态，使低能态核始终维持 优势。非辐射到低能态的过程称为驰豫。
一个体系通过驰豫过程达到平衡状态
的半衰期需要一定时间，用T1表示，T1越小， 这种驰豫效率越高。
•
10B5，I=3。
3).原子质量为奇数，原子序数为奇数或偶数 的核，自旋量子数为半整数。
• 例：1H1，15N7，13C6，19F9，31P15等核，I=1/2、
3/2；是核磁共振研究的主要对象。 • 只有I值大于0才有自旋现象。
(二)、磁性原子核在外加磁场中的行 为特征
1).核的自旋取向、自旋取向数和能级状态 在真空中,自旋取向是任意的. 核磁矩受外磁场扭力的作用下，进行定向 排列: 自旋取向数=2I+1 自旋取向可用磁量子数（m）表示，m=I,I1,I-2,……-I。只能有2I+1个数值. 例I=1/2的核:有2个取向（2*1/2+1=2），即 m=+1/2,-1/2),如1H,13C
• 核自旋→自旋角动量(P) →核磁矩(μ)
磁旋比(γ) • μ= γP
• 核的自旋角动量是量子化的，原子核的 自旋现象在量子力学中是用自旋量子数 （I）来描述。
• 根据量子力学理论，原子核的自旋角 动量P为：
• •
P
• • h:planck常数 • 自旋量子数I: 0,1/2,1,3/2…。
• 故当I=0，则P=0，μ=0：无磁性，不产生 共振。
然而，要给出尖锐的NMR峰，以提高分 辨率，需要驰豫时间长，互相矛盾，最佳 半衰期范围在0.1-1秒，相应的谱线宽度为 1cps。
4）核的进动与核的共振
质子在外加磁场作用下，产生怎样的动力方式呢？ E=μHB0
ΔE0
E=-μHB0 HB00 陀螺在与重力作用方向吸偏差时，就产生摇头动力， 称为进动。核磁矩在静磁场环境中围绕B0以ω角频 率进动，称之为拉摩尔（Larmor）进动.
进动有一定的频率，回旋的 频率与外加磁场成正比。
种不同取向的能级是相同的，即体系是 双简并.
外部磁场增强时，两种取向的能量 差成正比的增加。
△E值是很小的，当B0=14092高斯时, 质子由低能态跃迁到高能态，所吸收 的能量△E=5.3×19-3Cal/mol,其相应 的频率γ=60×106Hz（60MHz），相应 的波长λ=5m，相当于无线电波频率。
1.原子核的自旋
氢原子核的自旋会沿着它的自转轴产生一个 微小的磁场，它本身就好象一个小磁铁。
Nuclear magnetic dipole moment caused by spinning nucleus
+
Direction of Spin of hydrogen
nucleus
1.原子核的自旋
合物结构测定的基本原理
• 6. 了解脉冲傅立叶变换核磁共振测定方法的原理 • 7. 了解1H-NMR及13C-NMR的测定条件以及简化图谱
的方法，并能综合应用图谱提供的各种信息初步判 断化合物的正确结构
主要内容
• 1. 核磁共振原理 • 2. 核磁共振仪器 • 3. 氢核磁共振（1H-NMR） • 碳核磁共振（13C-NMR） •
2）核在能级间的定向分布及核跃迁
• 根据Boltzman分配规律，体系在平衡状态时， 低能态的核要比高能态的核只占极微的优势， 若外加磁场为14092高斯时，温度为3000K时， 则两个能阶的氢核数之比为：
N • e •
(m 1 ) 2
E / KT
N(m 1 )
Leabharlann Baidu
2
K：Baltzman常数 T：为绝对温度
第三章 核磁共振（NMR）
• 目的要求 • 1. 掌握核的能级跃迁与电子屏蔽效应的关系以及
影响化学位移的主要因素，能根据化学位移值初步 推断氢或碳核的类型 • 2. 掌握磁不等同的氢或碳核、1H-NMR谱裂分情况、 偶合常数
• 3. 掌握低级偶合中相邻基团的结构特征，并能初 步识别高级偶合系统
• 4. 掌握常见13C-NMR谱的类型及其特征 • 5. 熟悉发生核磁共振的必要条件及其用于有机化
△E=2μB0表明:
• 磁性原子核在外磁场中的能量与外磁 场强度（B0）及核磁矩（μ）成正比。
• B0增大,跃迁所需能量增大。
在外加磁场中，质子的两种自旋取向 能级分别为：
•
•
（m=-1/2） β自旋态
• E 零磁场 •
△E=2μH0
•
（m=+1/2）α自旋态
•
• 外加磁场增加
上图说明： 在外加增场强度为0时，质子的二
• 当I>0，则P>0，μ>0：有磁性，产生共振。
2.自旋量子数与原子的质量数 (A)及原子序数(z)的关系
• 1).原子的质量和原子序数均为偶数的原 子核I=0。无自旋现象.
• 如：12C6， 16O8，32S16等。
2).原子质量数为偶数，原子序数 为奇数的核
• I=1、3……等正整数，
• 例如：14N7，2H1：I=1。
一百万个质子中，α自旋态只比β自旋态多只有 10个左右。由Boltzman分布可得出两个结论：
• 1、低能自旋态核数目略高出高能自旋态， 说明磁核由低能态向高能态跃迁是可能 的。
• 2、因为两种自旋态核数目相差很小，故 由低能态向高能态跃迁的几率很小，说 明产生NMR灵敏度很低。
3)、饱和与驰豫