核磁共振波谱基本原理与应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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，15N,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。
核磁共振波谱基本原理和 应用
磁量子数ｍ＝－1/2;
核磁共振波谱基本原理和 应用
核自旋能级和取向：
把自旋核放在场强为B0的磁场中，由于磁矩 与
磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同的取向， 共有2I+1个，各取向可用磁量子数m表示
m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核在B0中只有两种取向 I=1的氢核在B0中有三种取向
由式 E = -B0及图可知1H核在磁场 中，由低能
级E1向高能级E2跃迁,所需能量为：
△E=E2－E1= B0 -(-B0) = 2 B0
△E与核磁矩及外磁场强度成正比，外加磁场 B0越大，能级分裂越大，△E越大。
无磁场 (简并）
m= -1/2
E2= +B0 △E=2 B0
m= +1/2 E1= - B0
共同点都是吸收光谱
核磁共振波谱基本原理和 应用
NMR是结构分析的重要工具之一，在化 学、生物、医学、临床等研究工作中得到 了广泛的应用。
分析测定时，样品不会受到破坏，属于无 破损分析方法。
核磁共振波谱基本原理和 应用
回顾:
1945年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小 组几乎同时观测了石蜡中质子的信号， 1952年 获诺贝尔物理奖。
核磁共振波谱基本原理和 应用
三、核磁共振条件
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。
能级量子化。射频振 荡线圈产生电磁波。
对于氢核，能级差： E= 2H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= 2H0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 20 = H0 ; 共振条件： 0 = H0 / (2 )(核磁共振理论基础）
第一节 核磁共振的基本原理
一、原子核的自旋与磁矩 二、核磁共振现象 三、核磁共振条件
核磁共振波谱基本原理和 应用
一、 原子核的自旋与磁矩
若原子核存在自旋，产生核磁矩： I：自旋量子数；
自旋角动量：
P h I(I1)
2
h：普朗克常数；
核 磁 矩： p
：磁旋比或旋磁比
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：
—磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。
是磁性核的一个特征常数（μ/ρ=eg/2Mc)
例 1 ：H原子H=2.68×10核应8T磁用-1·共S-振1(特波谱[斯基拉本]-原1 ·理秒和-1) C13核的C =6.73×107 T-1·S-
核磁共振波谱基本原理和应 用
核磁共振波谱基本原理和应用
将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的 电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级 跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振
利用核磁共振进行结构测定，定性与定量分析 的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR。
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共 振吸收谱，本章重点介绍1H核共振的原理及应用。
核磁共振波谱基本原理和 应用
核磁共振波谱与紫外－可见光谱和红外光谱的比较
吸收 能量
跃迁 类型
紫外-可见
红外
核磁共振
紫外可见光 200~780nm
பைடு நூலகம்
红外光
780nm~100 0m
无线电波1~100m 波长最长，能量 最小,不能发生电 子振动转动能级
跃迁
电子能级跃 振动能级跃 自旋原子核发生
迁
迁
能级跃迁
1951年Arnold发现化学位移现象。 1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技
术可用来研究分子结构。 1953年第一台30MHz(CW-30MHz，Varian公司)。 1965年提出快速FT变换方法。
核磁共振波谱基本原理和 应用
1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采 集由频率域→时域，使信号累加变得容易，大大提 高了NMR灵敏度，13C核的测量成为可能，这是一 次NMR的革命。
1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。 1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验，
NMR进入全新时代。 1991年R.R.Ernst获诺贝尔化学奖。 2002年获Nobel化学奖(K. Wüthrich)。
核磁共振波谱基本原理和 应用
NMR示意图：
核磁共振波谱基本原理和 应用
根据电磁理论，磁矩在外磁场中与磁场的作用 能E的关系为：E＝－ B0
核磁共振波谱基本原理和 应用
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场核方磁共向振相波反谱基, 能本原量理较和高, m= -1/2, E -1/2=B0
应用
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’
相互作用, 产生进动(拉莫进动)，
进动频率 0； 角速度0；
0 = 2 0 = B0
磁旋比； B0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之间的能
级差：E=2 B0 （: 磁矩）
和 125 °36’
核磁共振波谱基本原理和 应用
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系:
二、 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。
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，
质量数 核电荷数 自旋量子数I
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….
核磁共振波谱基本原理和 应用
1． I=0 的原子核 16O；12C；32S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
3．Ｉ＝1/2的原子核
1H，13C，15N,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。
核磁共振波谱基本原理和 应用
磁量子数ｍ＝－1/2;
核磁共振波谱基本原理和 应用
核自旋能级和取向：
把自旋核放在场强为B0的磁场中，由于磁矩 与
磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同的取向， 共有2I+1个，各取向可用磁量子数m表示
m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核在B0中只有两种取向 I=1的氢核在B0中有三种取向
由式 E = -B0及图可知1H核在磁场 中，由低能
级E1向高能级E2跃迁,所需能量为：
△E=E2－E1= B0 -(-B0) = 2 B0
△E与核磁矩及外磁场强度成正比，外加磁场 B0越大，能级分裂越大，△E越大。
无磁场 (简并）
m= -1/2
E2= +B0 △E=2 B0
m= +1/2 E1= - B0
共同点都是吸收光谱
核磁共振波谱基本原理和 应用
NMR是结构分析的重要工具之一，在化 学、生物、医学、临床等研究工作中得到 了广泛的应用。
分析测定时，样品不会受到破坏，属于无 破损分析方法。
核磁共振波谱基本原理和 应用
回顾:
1945年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小 组几乎同时观测了石蜡中质子的信号， 1952年 获诺贝尔物理奖。
核磁共振波谱基本原理和 应用
三、核磁共振条件
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。
能级量子化。射频振 荡线圈产生电磁波。
对于氢核，能级差： E= 2H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= 2H0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 20 = H0 ; 共振条件： 0 = H0 / (2 )(核磁共振理论基础）
第一节 核磁共振的基本原理
一、原子核的自旋与磁矩 二、核磁共振现象 三、核磁共振条件
核磁共振波谱基本原理和 应用
一、 原子核的自旋与磁矩
若原子核存在自旋，产生核磁矩： I：自旋量子数；
自旋角动量：
P h I(I1)
2
h：普朗克常数；
核 磁 矩： p
：磁旋比或旋磁比
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：
—磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。
是磁性核的一个特征常数（μ/ρ=eg/2Mc)
例 1 ：H原子H=2.68×10核应8T磁用-1·共S-振1(特波谱[斯基拉本]-原1 ·理秒和-1) C13核的C =6.73×107 T-1·S-
核磁共振波谱基本原理和应 用
核磁共振波谱基本原理和应用
将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的 电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级 跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振
利用核磁共振进行结构测定，定性与定量分析 的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR。
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共 振吸收谱，本章重点介绍1H核共振的原理及应用。
核磁共振波谱基本原理和 应用
核磁共振波谱与紫外－可见光谱和红外光谱的比较
吸收 能量
跃迁 类型
紫外-可见
红外
核磁共振
紫外可见光 200~780nm
பைடு நூலகம்
红外光
780nm~100 0m
无线电波1~100m 波长最长，能量 最小,不能发生电 子振动转动能级
跃迁
电子能级跃 振动能级跃 自旋原子核发生
迁
迁
能级跃迁
1951年Arnold发现化学位移现象。 1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技
术可用来研究分子结构。 1953年第一台30MHz(CW-30MHz，Varian公司)。 1965年提出快速FT变换方法。
核磁共振波谱基本原理和 应用
1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采 集由频率域→时域，使信号累加变得容易，大大提 高了NMR灵敏度，13C核的测量成为可能，这是一 次NMR的革命。
1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。 1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验，
NMR进入全新时代。 1991年R.R.Ernst获诺贝尔化学奖。 2002年获Nobel化学奖(K. Wüthrich)。
核磁共振波谱基本原理和 应用
NMR示意图：
核磁共振波谱基本原理和 应用
根据电磁理论，磁矩在外磁场中与磁场的作用 能E的关系为：E＝－ B0
核磁共振波谱基本原理和 应用
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场核方磁共向振相波反谱基, 能本原量理较和高, m= -1/2, E -1/2=B0
应用
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’
相互作用, 产生进动(拉莫进动)，
进动频率 0； 角速度0；
0 = 2 0 = B0
磁旋比； B0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之间的能
级差：E=2 B0 （: 磁矩）
和 125 °36’
核磁共振波谱基本原理和 应用
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系:
二、 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。
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，
质量数 核电荷数 自旋量子数I
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….
核磁共振波谱基本原理和 应用
1． I=0 的原子核 16O；12C；32S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