第十四章 核磁共振波谱法
第十四章 核磁共振波谱法
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。 利用核磁共振光谱进行结构测定，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H 和3C的共振吸收谱，重点介绍H核共 振的原理及应用
利用核磁共振光谱进行结构测定，定 性与定量分析的方法称为核磁共振波谱 法。简称 NMR。 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。 在有机化合物中，经常研究的是1H 和13C的共振吸收谱，重点介绍H核共 振的原理及应用
·第一节核磁共振波谱法的原理 ·第二节核磁共振仪 ·第三节化学位移 ·第四节偶合常数 ·第五节核磁共振氢谱的解析
• 第一节 核磁共振波谱法的原理 • 第二节 核磁共振仪 • 第三节 化学位移 • 第四节 偶合常数 • 第五节 核磁共振氢谱的解析
第一节核磁共振波谱法的原理 一、原子核的自旋 1、自旋分类： (1)=0即质量数与电荷数都为偶数的核，不产生核磁共振 信号，如12℃6,32S16,1608. (2)为半整数即质量数为奇数，电荷数可为奇数或偶数的 核，核磁矩不为0，其中=0.5的核是目前研究的主要对象。 如1H1,13C619Fg,31P15. (3)为整数即质量数为偶数，电荷数为奇数的核，有自旋 现象，研究较少。如14N2
第一节 核磁共振波谱法的原理 一、原子核的自旋 1、自旋分类： （1）I=0即质量数与电荷数都为偶数的核，不产生核磁共振 信号，如12C6 , 32S16, 16O8 。 （2）I为半整数即质量数为奇数，电荷数可为奇数或偶数的 核，核磁矩不为0，其中I=0.5的核是目前研究的主要对象。 如1H1 , 13C6 19F9 , 31P15 。 （3）I为整数即质量数为偶数，电荷数为奇数的核，有自旋 现象，研究较少。如14N7
实践证明，核自旋与核的质量数，质 子数和中子数有关 质量数为 原子序数 自旋量子 无自旋 32S1 12C 偶数 为偶数 数为0 1608 6 质量数为 原子序数 自旋量子 有自旋 14N7 偶数 为奇数 数为1,2,3 质量数为 原子序数 自旋量子 1H1,13C6 数为 19Fg,31P1 奇数 为奇或偶 112,312,5/ 有自旋 数 5 2
实践证明,核自旋与核的质量数,质 子数和中子数有关 质量数为 偶数 原子序数 为偶数 自旋量子 数为0 无自旋 12C6 , 32S1 6 , 16O8 质量数为 偶数 原子序数 为奇数 自旋量子 数为1,2,3 有自旋 14N7 质量数为 奇数 原子序数 为奇或偶 数 自旋量子 数为 1/2,3/2,5/ 2 有自旋 1H1 , 13C6 19F9 , 31P1 5
2、核磁矩u 原子核具有质量并带正 电荷，大多数核有自旋现象， 在自旋时产生磁矩山，磁矩的 方向可用右手定则确定，核磁 矩μ和核自旋角动量P都是矢 (a 量，方向相互平行，且磁矩随 图6一1右手定则料定磁矩的方向 a)质子自旋， 凸)产生磁场方向 角动量的增加成正比地增加 u=yP ■Y一磁旋比，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。 ■P为普朗克常数
原子核具有质量并带正 电荷，大多数核有自旋现象， 在自旋时产生磁矩，磁矩的 方向可用右手定则确定，核磁 矩和核自旋角动量P都是矢 量，方向相互平行，且磁矩随 角动量的增加成正比地增加 = P ◼—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。 ◼P为普朗克常数。 2、核磁矩u
例：H原子YH=2.68×108T-1.S1(特[斯拉]1·秒-1) C13核的Yc=6.73×107T-1.S1 ■核的自旋角动量是量子化的，与核的自旋量 子数I的关系如下： h p= I(+1) 可以为0，，3,2等值 2元 2 2 ■代入上式得： I(1+ (u=yP) 2元 ■当=0时，P=0,原子核没有自旋现象，只有I>0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
• 例：H原子H=2.68×108T-1·S-1 (特[斯拉] -1 ·秒-1 ) C13核的C =6.73×107 T-1·S-1 = + 可以为 ，，，，2等值 2 3 1 2 1 ( 1) 0 2 I I I h p ◼ 代入上式得: ( 1) 2 = I I + h ◼ 当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象 ◼核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量 子数 I 的关系如下: （ = P）
二、原子核的自旋能级和共振吸收 (一)核自旋能级分裂 把自旋核放在场强为H的磁场中，由于磁矩 0 μ与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有 不同的取向，共有2+1个，各取向可用磁量子 数m表示 m=l,41,-2,...-1 ·每种取向各对应一定能量状态 =1/2的氢核只有两种取向 仁1的核在Ho中有三种取向
二、原子核的自旋能级和共振吸收 (一)核自旋能级分裂 • 把自旋核放在场强为H0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的氢核只有两种取向 • I=1的核在H0中有三种取向
=+1 m=+2 B m=+1/2 m=0 m=0 m=-1/2 1三一 I=1/2 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2,E12=一uH0 1=1/2的氢核 与外磁场方向相反，能量较高，m=-1/2,E.12=μH0
I = 1/2 I = 1 I = 2 m = − 1/2 m = +1/2 m = − 1 m = +1 m = m = − 2 m = − 1 m = m = + m = + z z z B0 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －H0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=H0 I=1/2的氢核
h ·P为自旋角动量在Z轴上的分量 Pz=m 2元 ·核磁矩在磁场方向上的分量 h uz=ym 2π ·核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E,即各能级的能量为 E=-uzHo E12=-HHo E.12=HHo
• Pz为自旋角动量在Z轴上的分量 • 核磁矩在磁场方向上的分量 • 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E, 即各能级的能量为 E=－ZH0 2 h PZ = m 2 h Z = m E 1/2= －H0 E-1/2= H0