核磁共振基本原理和结构鉴定

偶数 奇数
1,2,3
有
2H1 14N7
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，无自旋，没有磁矩，
不产生共振吸收
(2) I=1 或 I >1的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 这类原子核的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
1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均
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。
磁性核在外磁场中的行为 拉莫尔进动
当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种 自旋取向：I=1/2的核，两种取向（两个能级）：
核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属 于吸收谱（波谱）范畴。
根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结 构可以研究纯化合物结构、混合物成分及定量分析等。
特点：
▪ 与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于 原子核自旋跃迁所得吸收谱； ▪ 应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、 定量等； ▪ 不需要标准样品，可直接进行定量； ▪ 不破坏样品； ▪ 只能研究磁性核 。
R. R. Ernst 恩斯特
The Winner of The Nobel Prize
in Chemistry (1991)
FT-NMR and 2DNMR
The Winner of The Nobel Prize in
biomacromolecule (2002)
发明了利用核磁共振技术测定溶液 中生物大分子三维结构的方法
h
kT
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
共振频率
2
B0
2.68 108 2.3488 100.00MHz
2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者
S. P. Mansfield (彼得－曼斯菲尔德), P. C. Lauterbur(保罗－劳特布尔),
University of Nottingham, 英国
University of Illinois, 美国
核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。
(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
根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用 而产生核磁场作用能E，即各能级的能量为
I=1/2的核自旋能级裂分与H0的关系
E
h
2
mH0
E 无磁场
外加磁场 m =-1/2 E2 △E
m =1/2 E1
I=1/2的核在磁场中， 由低能级(E1)向高能 级(E2)跃迁时，所需 的能量(△E)为
h0
0
H0 2
共振条件
(1) 核有自旋(磁性核)
(2)外磁场,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 )
共振条件： 0 = H0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。 （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强 度H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，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H0 （扫场）。扫场方式应用较多。
有
2H, 14N
奇数 奇数或偶数 偶数或奇数 1/2；3/2；5/2…. 有 1H,13C,17O,19F,31P
质量数 质子数
I
NMR信号
原子核
偶数 偶数
0
无
12C6 16O8 32S16
奇数 奇或偶数 1/2
有
1H1 13C6 19F9 15N7 31P15
奇数 奇或偶数 3/2 5/2… 有 11B5 35Cl17 79Br35 81Br35 17O8 33S16
核磁共振现象产生的条件？
一、原子核的自旋 atomic nuclear spin
★ 原子核的基本属性：质量和电荷数。
★ 原子核的自旋特性，在量子力学中用自旋量子数I描述原子 核的运动状态。而自旋量子数I的值又与核的质量数和所带电 荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。
若原子核存在自旋，产生自旋角动量：
❖核磁共振基本原理 ❖图谱解析与结构鉴定 ❖核磁共振波谱仪
第一节
核磁共振基本原理
principle of NMR
原子核的自旋 核磁共振条件 弛豫过程
一、概述 (introduction)
核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原 子核系统受到相应频率（ 10-1~102MHz数量级的射频）的 电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检 测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。
E
h
2
H0
0
H0
△E与核的磁旋比和外磁场强度成正比。
二、核磁共振条件
condition of nuclear magnetic resonance
在外磁场中，原子核 能级产生裂分，由低能 级向高能级跃迁，需要 吸收能量。
当发生核磁共振时，原子核磁能级 的能级差必然等于电磁波的能量， 则：
h
2
H 0
核磁共振基本原理 和结构鉴定
生物用核磁共振仪 台式核磁共振仪
核磁共振领域诺贝尔奖获得者
F. Bloch 布洛赫 E. M. Purcell 珀赛尔
1946年发现核磁共振现象 The Winner of The Nobel
Prize in Physics (1952)
K. Wüthrich(维特里希因 ）
p h I(I 1) 2
自旋量子数（I）与质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：
原子核的磁性
=>
核 磁 矩： p h I (I 1)（:磁旋比） 2
质量数 质子数 （A） （Z）
偶数 偶数
中子数 自旋量子数
（N） （I）
偶数Leabharlann Baidu
0
核磁性
实例
无
12C,16O,32S
偶数 奇数
奇数
1，2，3….
氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz
磁场强度 H0 的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）
三、弛豫过程
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：
Ni Nj
exp
Ei E j kT
exp
E kT
exp