[有机波谱分析]核磁共振

2. 发展历史
1939：气态NMR试验成功； 1945：凝聚态NMR试验成功； 1945：美物理学家Block 和Purcell同时发现NMR现象， 证实了核自旋的存在，为量子力学的一些理论提供了直接的 验证，是本世纪物理学发展史上的一件大事； 1950：W.G. Proctor 和当时旅美学者虞福春发现NH4NO3 中14N 的共振谱线为两条，说明同一核在不同化学环境会表 现出不同的核磁共振信号（化学位移δ不同）； 1951：Gutowsky等发现POCl2F 溶液中19F 谱图中有两条 谱线，而分子中只有一个F ，由此发现了自旋--自旋耦合 （spin-spin coupling）;
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。
三、原子核能级的分裂及其描述
总之， 自旋量子数 I ≠ O的原子核在磁场中都 将发生分裂，可以吸收一定频率的辐射而发生能级 跃迁，发生核磁共振。
一、 NMR简介
1. 一般认识
核磁共振谱(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy— NMR):低能电磁波（波长约10---1000 m)与暴露在磁场中的磁 性核相互作用，使其在外磁场中发生能级的共振跃迁而产生 吸收信号，称为核磁共振谱。
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radiofrequency Radiation) 的吸收，它是对各种有机和无机物 的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一。
1990年代----：高场超导核磁共振谱仪（目前世界已有 900MHzNMR谱仪）以及与其他仪器联用（如：与液相色 谱联用，LC-NMR）
3. NMR用途：
z 化学: 研究分析结构； z 医学：病变诊断（如：人体断层成像）； z 药学：药物成分研究； z 生物学：研究蛋白质结构、构象；
4.核磁共振波谱分析的特点
¾ 样品无损； ¾ 结构信息丰富； ¾ 新的分析测试技术不断出现。
二、原子核的自旋
I：自旋量子数；
若原子核存在自旋，产生核磁矩： h：普朗克常数；
自旋角动量：
ρ
=
h
2π
I(I + 1)
γ：磁旋比或旋磁比 它是核磁矩与自旋角动
核 磁 矩：
μ = γρ
量之比γ=μ/ρ
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：
与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低 与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高
有两个能级=能级分裂
μ 顺磁 μ 抗磁
B0
（B0=0）
（B0≠0） m=-1/2（高能）
能级 分裂
ΔE
=
γh 2π
B0
磁量子数 m=+1/2
（低能自旋态）
受限下的核运动 原子核运动=自旋+回旋 （拉摩尔进动） —自旋：绕自旋轴（感应磁场轴）旋转 —回旋：绕回旋轴（外加磁场轴）旋转 进动频率=表征不同原子核的进动情况
四、核磁共振条件
当外来射频辐射能量（hv0）等于△E时，则原子核吸收
电磁辐射能量，发生核能级的跃迁----产生所谓NMR现象。
hυ
=
ΔE
=
γh 2π
B0
=
hυ0
ν
即，
0
=
γ 2π
B0
磁旋比—原子核特征常数
外加磁场强度
单位为特斯拉(T)
也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时 就会引起能级跃迁并产生吸收。—— 核磁共振条件
NMR);
1987： R. R. Ernst及其学生G. Bodenhausen 和A. Wokaun 合作出版《一维和二维核磁共振原理》，此书与 A. Abragam 出版的专著《核磁学原理》被国际NMR领域 称为NMR发展史上的两块里程碑；
1991: R. R. Ernst因其创立脉冲傅里叶变换核磁共振 （FT-NMR）及发展二维核磁共振 (2D-NMR)这两项杰出 贡献, 当之无愧的独享了1991年诺贝尔化学奖;
第四章 核磁共振波谱分析法(NMR)
第一节 核磁共振的基本原理 第二节 核磁共振仪和实验技术 第三节 核磁共振与化学位移 第四节 自旋偶合与自旋裂分 第五节 谱图解析与化合物结构确定 第六节 13C核磁共振谱简介 第七节 二维核磁共振谱简介
第一节 核磁共振的基本原理
一、NMR简介 二、原子核的自旋 三、原子核能级的分裂及其描述 四、核磁共振条件 五、能级分布与弛豫过程
质量数
原子序数 自旋量子数I
（核电荷数）
偶数
偶数
0
偶数
奇数
1，2，3….
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 >1的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
源自文库
1952： Block 和Purcell二人因发现NMR现象，获诺贝尔物 理奖;
1961: 法国著名物理学家A. Abragam 出版专著《核磁学原 理》，目前已成为物理学中广泛引用的专著；
1966：高分辨核磁共振谱仪出现； 1970年代：R. R. Ernst 创立脉冲傅里叶变换核磁共振 （FT-NMR）; 1970-1980年代： R. R. Ernst发展了二维核磁共振 (2D-
在强磁场中，原子核发生能级分裂，当吸收外来电 磁辐射时，将发生核能级的跃迁----产生所谓NMR现象。
射频辐射—原子核(强磁场下能级分裂)—吸收─能级 跃迁─NMR
测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、 环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目。
与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光 谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐 射的吸收。
在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。 有外加磁场（B0≠0）时，原子核自旋运动受限，表现为： 自旋取向受限（核自旋方向有特定取向）,相对外加磁场方 向，只有2I+1种取向。
对氢核来说，I=1/2，只能有2×1/2+1=2个取向：+1/2和1/2。也即表示 H 核在磁场中，自旋轴只有两种取向：