核磁共振基础知识

1H—核磁共振波谱(氢谱)
1H—核磁共振(1H—NMR)也称为质子核磁共 振，是研究化合物中1H原子核(即质子的核磁共 振。可提供化合物分子中氢原子所处的不同化 学环境和它们之间相互关联的信息。依据这些 信息可确定分子的组成、连接方式及其空间结 构。
Chapter2 基本原理
原子核的磁矩和自旋角动量
场，可以有（2I+1） 种取向：
氢核（I=1/2），两
种取向（两个能 级）：
(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;
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’
和 125 °36’
相互作用, 产生进动(拉莫尔进动)进动
频率 0； 角速度0； 0 = 2 0 = H0 磁旋比； H0外磁场强度；
原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I 的经验规则：
◆p与n同为偶数，I = 0。如 12C, 16O, 32S等。
◆p + n =奇数，I =半整数(1/2, 3/2等)。
如 1H, 13C, 15N, 17O, 31P等。
◆p与n同为奇数，I =整数。如2H, 6Li等。
◆原子核的自旋状态：2I+1
◆
自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系
原子序数 Z
质量数 A
自旋量子 数I
例
I=1/2 1H; 13C; 15N; 19F; 31P; 77Se 等
奇、偶
奇
半整数 I=3/2 7Li; 9Be; 11B; 33S; 35Cl; 37Cl 等
I=5/2 17O; 25Mg; 27Al; 55Mn 等
I=1 2H; 6Li; 14N 等
奇
偶
整数 I=2 58Co
I=3 10B
偶
偶
零
12C; 16O; 32S 等
若原子核存在自旋，产生核磁矩： 自旋角动量： h I(I 1)
2
核 磁 矩： g I(I 1)
I：自旋量子数； h：普朗克常数； 核磁子=eh/2M c；
自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩， 原子的自旋情况可以用（I）表征：
产生核磁共振的首要条件是核自旋时要 有磁矩产生，也就是说，只有当核的自旋量 子数I ≠ 0时，核自旋才能具有一定的自旋角 动量，产生磁距。
因此I为0的原子核如12C和16O等没有磁矩， 所以没有核磁共振现象。在表中给出了核自 旋量子数与质量数和原子序数之间的关系。
核磁共振现象
当置于外加磁场H0 中时，相对于外磁
两种进动取向不同的氢核之间的能级
差：E= H0 （磁矩）
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 )
讨论:
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
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭球体，电荷分布 不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少
讨论:
(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。
核磁共振现象
自旋量子数 I=1/2的原子核（氢 核），可当作电荷均匀分布的球体，绕 自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小 磁铁。
核磁共振基础知识
Nuclear Magnetic Resonance(NMR)
Chapter1 概述
核磁共振谱(NMR)与红外、紫外一样， 都是吸收光谱，它的频率范围是兆周 (MC)或兆赫兹(MHz)，属于无线电波范 围。
红外光谱来源于分子振动—转动能级间的跃迁， 紫外－可见吸收光谱来源于分子的电子能级间的 跃迁。
◆ I 0的核为磁性核，具有自旋角动量 P ，可以
产生NMR信号。
◆ I = 0的核为非磁性核，无NMR信号。
◆ I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面， 这样的原子核不具有四极矩（quadruple），其 核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。
I >1/2的原子核 ，具有电核四极矩。
NMR中电磁辐射的频率为兆赫数量级，属于射频 区，但是射频辐射只有置于强磁场F的原子核才 会发生能级间的跃迁，即发生能级裂分。当吸收 的辐射能量与核能级差相等时，就发生能级跃迁， 从而产生核磁共振信号。
核磁共振谱常按测定的核分类
◆ 测定氢核的称为氢谱(1H－NMR) ◆ 测定碳-13的称为碳谱(13C－NMR)
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。
◆核磁共振谱不仅给出基团的种类，而且能提供基团 在分子中的位置
◆在定量上NMR也相当可靠，高分辨NMR还能根据 磁耦合规律确定核及电子所处环境的细小差别，从 而成为研究高分子构型和共聚序列分布等结构问题 的有力手段
◆ 13C－NMR主要提供高分子碳－碳骨架的结构信息
当测定1H核磁共振谱时，将磁铁线圈通电， 使磁场达到23847Gs(100MHz的仪器)，射频振荡 器产生100MHz的无线电波，通过发射线圈照射样 品，扫描线圈中通入电流且改变其强度，即改变 外磁场强度，当三个互相垂直的线圈不满足共振 条件时，接受线圈没有电流通过，如果满足共振 条件时，则有电流通过．将它放大记录下来就得 到了核磁共振谱图。
原子核是带正电荷的粒子，多数原子核的电荷能绕 核轴自旋，形成一定的自旋角动量p。同时，这种自旋 现象就像电流流过线圈一样能产生磁场，因此具有磁 矩μ。它们可用下式表示：
μ＝rp
式中 r—磁旋比，是核的特征常数； 核磁矩μ以核磁子p为单位，p＝5.05×10－27 J／T，是个常数。
自旋量子数（spin quantum number, I） －原子核自旋状态的量子化
质量数 原子序数 自旋量子数I
偶数
偶数
0
偶数
奇数
1，2，3….
ห้องสมุดไป่ตู้奇数
奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….
讨论:
(1) I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（22） 等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。
(2) I=1 或 I >0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I