核磁共振光谱法
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难点：核磁共振的基本原理 重点：掌握识别NMR谱图及运用谱图解析有机化合物结构的方法。
第一节 NMR基本原理
一、原子核的磁性质
(一)、原子核的自旋
??
1、自旋运动
原子核是具有一定质量和体积的粒子，实验证明，大多数原子核都围绕着 某个轴自身作旋转运动，这种自身旋转运动称为原子核的自旋运动。
2、自旋角动量
拉摩尔进动(Larmor precession)
氢核的两种自旋取向与外磁场方向不完全 平行，外磁场就要使氢核取向于外 磁场的方向，也就是说，当具有磁距的 原子核置于外磁场中，它在外磁场的作 用下，核自旋产生的磁场与外磁场发生 相互作用，因而原子核的运动状态除了 自旋之外，还要附加一个以外磁场方向 为轴线的回旋，核一面自旋，一面围绕 着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称 为进动(precession) 或拉摩尔进动 (Larmor precession)。
质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I） 例子
奇数 偶数
奇或偶 偶数
1, 3,5? ? 222
0
I ? 21,1H1, 13C6,19F9,15N7 I ? 23,11B5,35Cl17,I ? 25,17O8
12C6 ,16O8,32S16
偶数
奇数
1，2，3…… I ? 1,2H1,14N7, I ? 3,10B5
据电磁理论，核在磁场中具有的能量 E：
E1=－ μH H0 (m = +1/2) E2= + μH H0 (m = -1/2) Δ E= E2 － E1 = 2μH H0
μH自旋核的磁距 ? 1 H ? 2 .79270
两种取向不完全与外磁场平 行，?＝54°24' 和 125 °36'
E
H0
ΔE
二、核磁共振条件
(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， 1H，13C也 是有机化合物的主要组成元素。
本章只讲 1H NMR 。
(二)、原子核的磁距
原子核是带正电荷的粒子，当它围绕自旋轴运动时，电荷 也围绕自旋轴旋转，产生循环电流，从而产生磁场，这种 磁性质一般用磁距μ表示。磁距的方向沿自旋轴，大小与 角动量P成正比。
无外加磁场存在时，1H核只有一个简单的能级，但在外加磁场 作用下，原来简单的能级就要分裂为 2个能级。两能级的能量 差与核磁距有关，也和外加磁场强度有关 Δ E = 2μH H0 。 因此一个1H核要从低能态向高
能态跃迁，就必须吸收2μH H0 的能量。换言之， 1H核吸收
射频振荡线圈产生电磁波。
2μH H0的能量后，便产生 核磁共振，此时射频频率
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 32 S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
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；
第三章 核磁共振光谱法 （Nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR ）
UV：电子能级跃迁形成的；IR：振动、转动能级跃迁形成的； NMR：用频率为兆赫（ MHz)的波长较长（大于10cm）的光，照射放在强磁 场下的原子核，使其核能级发生分裂，当原子核吸收的能量与核能级差 相等时，就会发生核能级的跃迁，从而形成 NMR光谱。 核磁共振的理论基础是核物理，核磁共振仪运用无线电技术和计算机技 术，可以直接提供样品中，处于不同化学环境中的某一种特定原子的原 子数目，及其相邻基团的结构信息。
υ0＝进动频率
产生共振需吸收的能量：ΔE＝ 2 μH H0 ＝ hυ0 (1) υ0＝射频频率(在射频范围) ＝进动频率
进动核便与辐射光子相互作用（共振），体系吸收能量，核由 低能态跃迁到高能态。 由拉莫进动方程：ω0＝2πυ0＝rH0 改写可得： 共振条件：υ0＝rH0/(2π) 此为发生核磁共振的条件，即发生共振时，射频的频率与外磁 场强度的关系。
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υ0/H0＝r/(2π)
它类似于陀螺的旋转，陀螺旋转时， 当陀螺的旋转轴与重力的方向有偏差时， 就产生摇头运动，这就是进动。进动时有一定的频率，称为拉摩尔频率。
自旋核的角速度ω0，进动频率υ0与外磁场强度H0的关系为： ω0＝2πυ0＝rH0 (r为各种核的旋磁比，不同核有固定的值)
例如：1H ：IБайду номын сангаас1/2 m = +1/2 与H0方向一致，能级较低； m = -1/2 与H0方向相反，能级较高。
核磁矩 μ＝rP
r＝μ/P r：旋磁比，不同的核有不同的 r值， 可以作为描述原子核特性的参数。
? 1 H ? 2 .79270
? 13 C ? 0 . 70216
自旋量子数（I）
不为零的核都具有磁矩
??
(三)、原子核的自旋取向和能量 无外加磁场，原子核的自旋取向是任意的； 有外加磁场，原子核就会相对于外加磁场发生自旋取向。 按照量子力学理论，原子核的自旋取向数＝ 2I＋1 例如：1H核的I＝1/2，在外加磁场中，其自旋取向数＝ 2 第一种取向：磁距与外加磁场H0方向一致； 第二种取向：磁距与外加磁场H0方向相反。 两种取向不完全与外磁场平行， ?＝54°24' 和 125 °36' 原子核在磁场中的每一种取向，都代表了原子核某一特定能级，并可用一 个磁量子数m表示，m的取值为I、I-1、I-2、…… -I，共2I＋1个。 也就是说，无外加磁场存在时，原子核只有一个简单的能级，但在外加磁 场作用下，原来简单的能级就要分裂为 2I＋1个能级。
有机械的旋转就有角动量产生。原子核由于自旋产生的角动量是一个矢量， 其方向服从右手螺旋定则，与自旋轴重合，见右图： 根据量子力学，可以计算出自旋角动量的绝对值：
?
?
h
2?
I (I ? 1)
I的变化是不连续的，只能取 0、半整数、整数，而不能取其 它值。实践证明，I与原子质量数a、原子序数Z有下列关系：
第一节 NMR基本原理
一、原子核的磁性质
(一)、原子核的自旋
??
1、自旋运动
原子核是具有一定质量和体积的粒子，实验证明，大多数原子核都围绕着 某个轴自身作旋转运动，这种自身旋转运动称为原子核的自旋运动。
2、自旋角动量
拉摩尔进动(Larmor precession)
氢核的两种自旋取向与外磁场方向不完全 平行，外磁场就要使氢核取向于外 磁场的方向，也就是说，当具有磁距的 原子核置于外磁场中，它在外磁场的作 用下，核自旋产生的磁场与外磁场发生 相互作用，因而原子核的运动状态除了 自旋之外，还要附加一个以外磁场方向 为轴线的回旋，核一面自旋，一面围绕 着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称 为进动(precession) 或拉摩尔进动 (Larmor precession)。
质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I） 例子
奇数 偶数
奇或偶 偶数
1, 3,5? ? 222
0
I ? 21,1H1, 13C6,19F9,15N7 I ? 23,11B5,35Cl17,I ? 25,17O8
12C6 ,16O8,32S16
偶数
奇数
1，2，3…… I ? 1,2H1,14N7, I ? 3,10B5
据电磁理论，核在磁场中具有的能量 E：
E1=－ μH H0 (m = +1/2) E2= + μH H0 (m = -1/2) Δ E= E2 － E1 = 2μH H0
μH自旋核的磁距 ? 1 H ? 2 .79270
两种取向不完全与外磁场平 行，?＝54°24' 和 125 °36'
E
H0
ΔE
二、核磁共振条件
(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， 1H，13C也 是有机化合物的主要组成元素。
本章只讲 1H NMR 。
(二)、原子核的磁距
原子核是带正电荷的粒子，当它围绕自旋轴运动时，电荷 也围绕自旋轴旋转，产生循环电流，从而产生磁场，这种 磁性质一般用磁距μ表示。磁距的方向沿自旋轴，大小与 角动量P成正比。
无外加磁场存在时，1H核只有一个简单的能级，但在外加磁场 作用下，原来简单的能级就要分裂为 2个能级。两能级的能量 差与核磁距有关，也和外加磁场强度有关 Δ E = 2μH H0 。 因此一个1H核要从低能态向高
能态跃迁，就必须吸收2μH H0 的能量。换言之， 1H核吸收
射频振荡线圈产生电磁波。
2μH H0的能量后，便产生 核磁共振，此时射频频率
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 32 S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
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；
第三章 核磁共振光谱法 （Nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR ）
UV：电子能级跃迁形成的；IR：振动、转动能级跃迁形成的； NMR：用频率为兆赫（ MHz)的波长较长（大于10cm）的光，照射放在强磁 场下的原子核，使其核能级发生分裂，当原子核吸收的能量与核能级差 相等时，就会发生核能级的跃迁，从而形成 NMR光谱。 核磁共振的理论基础是核物理，核磁共振仪运用无线电技术和计算机技 术，可以直接提供样品中，处于不同化学环境中的某一种特定原子的原 子数目，及其相邻基团的结构信息。
υ0＝进动频率
产生共振需吸收的能量：ΔE＝ 2 μH H0 ＝ hυ0 (1) υ0＝射频频率(在射频范围) ＝进动频率
进动核便与辐射光子相互作用（共振），体系吸收能量，核由 低能态跃迁到高能态。 由拉莫进动方程：ω0＝2πυ0＝rH0 改写可得： 共振条件：υ0＝rH0/(2π) 此为发生核磁共振的条件，即发生共振时，射频的频率与外磁 场强度的关系。
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υ0/H0＝r/(2π)
它类似于陀螺的旋转，陀螺旋转时， 当陀螺的旋转轴与重力的方向有偏差时， 就产生摇头运动，这就是进动。进动时有一定的频率，称为拉摩尔频率。
自旋核的角速度ω0，进动频率υ0与外磁场强度H0的关系为： ω0＝2πυ0＝rH0 (r为各种核的旋磁比，不同核有固定的值)
例如：1H ：IБайду номын сангаас1/2 m = +1/2 与H0方向一致，能级较低； m = -1/2 与H0方向相反，能级较高。
核磁矩 μ＝rP
r＝μ/P r：旋磁比，不同的核有不同的 r值， 可以作为描述原子核特性的参数。
? 1 H ? 2 .79270
? 13 C ? 0 . 70216
自旋量子数（I）
不为零的核都具有磁矩
??
(三)、原子核的自旋取向和能量 无外加磁场，原子核的自旋取向是任意的； 有外加磁场，原子核就会相对于外加磁场发生自旋取向。 按照量子力学理论，原子核的自旋取向数＝ 2I＋1 例如：1H核的I＝1/2，在外加磁场中，其自旋取向数＝ 2 第一种取向：磁距与外加磁场H0方向一致； 第二种取向：磁距与外加磁场H0方向相反。 两种取向不完全与外磁场平行， ?＝54°24' 和 125 °36' 原子核在磁场中的每一种取向，都代表了原子核某一特定能级，并可用一 个磁量子数m表示，m的取值为I、I-1、I-2、…… -I，共2I＋1个。 也就是说，无外加磁场存在时，原子核只有一个简单的能级，但在外加磁 场作用下，原来简单的能级就要分裂为 2I＋1个能级。
有机械的旋转就有角动量产生。原子核由于自旋产生的角动量是一个矢量， 其方向服从右手螺旋定则，与自旋轴重合，见右图： 根据量子力学，可以计算出自旋角动量的绝对值：
?
?
h
2?
I (I ? 1)
I的变化是不连续的，只能取 0、半整数、整数，而不能取其 它值。实践证明，I与原子质量数a、原子序数Z有下列关系：