4.核磁共振 PPT课件

1.自旋核在外磁场中的自旋取向与能级分裂
两能级间的能量差与磁场强度H0成正比,
也与核的磁旋比γ有关：
γhH 0 ΔE = 2π
2、 核的进动
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(拉莫进动) 进动频率 0； 角速度；
= 2 = H0 磁旋比； H0外磁场强度；
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。
二、自旋核在外磁场中的行为 1.自旋核在外磁场中的自旋取向与能级分裂
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。 当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，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;
z H0
z
m=1/2
z
m=-1/2 I=1 I=1/2
m=1 m=0 m= -1
I=2
m=2 m=1 m=0 m= -1 m= -2
核自旋角动量P在Z轴上的分量为： 则核磁矩在Z轴上的分量为：
h PZ m 2
核磁矩的能量
h Z PZ m 2
h E Z H 0 m 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 / H0 = / (2 )
讨论:
共振条件： = 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（图）。也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方式 应用较多。 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（特拉斯）
第十七章 核磁共振波谱 分析法
第一节 核磁共振的概述
一、核磁共振波 谱分析法 二、核磁共振的 特点
核磁共振: 在外磁场的作用下，可引起分子中某种原子核 的自旋能级的分裂，用波长10-100m的电磁波照射 分子，分子中某种原子核吸收一定频率的射频，就 会从低能态跃迁到高能态，即产生核磁共振。 早在1924年Pauli就预言了核磁共振的基本原理；某 些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可 以发生能级的分裂。这个预言直到1946年才由哈佛 大学的Purcell及斯坦福大学的Bloch所领导的两个 实验室分别得到证实，他们在各自实验室中观察到 核磁共振现象，因此他们分享了1952年的诺贝尔物 理奖。 1949年，Kight第一次实现了化学环境对核磁共振 信号影响的实验，并发现了信号与化合物结构有一 定的关系。
第十六章 核磁共振波谱 分析法
第二节 核磁共振基本原理
一、原子核的自旋 二、核磁共振现象 三、核磁共振条件
一、 原子核的自旋
若原子核存在自旋，产生核磁矩： h I ( I 1) 自旋角动量： 2 核 磁 矩： I：自旋量子数； h：普朗克常数； I≠0,为磁性核
rP
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：
第十六章 核磁共振波谱分析法 二、核磁共振波谱法的特点： 1.核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一，因 为它把有机化合物最常见的组成元素氢(氢谱)或碳(碳 谱)等作为“生色团”来研究，因此它可以确定所有常 见官能团的化学环境，有些是其它光谱或分析法所不能 判断的环境，NMR法谱图的直观性强，谱图解释较为容 易。 2.有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外，还有 碳谱，氟谱，磷谱等)，因此，扩大了应用范围，各种 谱之间还可以互相印证。 3.可以用于化学反应机理的研究，还可以求得某些化学 过程的动力和热力学参数。 4.该法的缺点是：灵敏度比较低，但现代高级、精密的 仪器使用，可以使灵敏度极大的提高； 不能用于固体的测定，仪器比较昂贵，工作环境要 求比较苛刻，因而影响了基应用的普及性。
两种进动取向不同的氢核之 间的能级差：
γhH 0 ΔE = 2π
三、核磁共振的产生
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。 能级是量子化的。射频 振荡线圈产生电磁波。
γhH 0 对于氢核，能级差： ΔE = 2π
产生共振需吸收的能量：E= = h 0 由拉莫进动方程： = 2 = H0 ; 共振条件： = H0 / (2 )
四、能级分布与弛豫过程
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：
第十七章 核磁共振波谱分析法
第十六章 核磁共振波谱分析法
1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。 1956年，曾在Block实验室工作的Varian制造出第一台 高分辩率的仪器，从此，核磁共振波谱法成了化学家 研究化合物的有力工具，并逐步扩大其应用领域。 七十年代以后，由于科学技术的发展，科学仪器的精 密化，自动化，核磁共振波谱法得到迅速发展，在许 多领域中已得到广泛应用，特别是生物化学领域中的 研究和应用发挥着巨大的作用。
质量数 原子序数 自旋量子数I
偶数
偶ห้องสมุดไป่ตู้ 奇数
偶数
奇数 奇数或偶数
0
1，2，3…. 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 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