姚新生有机波谱解析 第三章 核磁共振氢谱
本章主要内容
1.基本原理:自旋,核磁矩,空间量子化,进动, 核跃迁
2.化学位移:屏蔽效应,定义,影响因素,计算 3.自旋与自旋系统:分裂,命名,一级,二级谱简介 4.核磁共振氢谱解析方法与示例 5.核磁共振碳铺简介:PFT-NMR原理,常用碳谱的
类型和特征,碳谱的解析大致程序
代入上式得: h I(I1) 2
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
二、核自旋能级和核磁共振
(一)核自旋能级
• 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
（核磁共振条件式） 自旋核的跃迁能量
h
磁性核
h =ΔE
高能级 低能级
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高 能态，这种现象叫做核磁共振现象。
m h 2
I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频 的频率，即共振频率。
1 22h 代入 2hB0得
0 2
产生核磁共振光谱的条件
• （1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说,， 因磁矩为一定值，—为常数，所以发生 共振时，照射频率的大小取决于外磁场 强度的大小。外磁场强度增加时，为使 核发生共振，照射频率也相应增加；反 之，则减小。
放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身磁 矩的大小, 大的核，发生共振所需的照射频率 也大；反之，则小。例：13C的共振频率为:
c0
6.731071s14.69
2
23.14
5.026107s150.26MHz
H0 2.681081s14.69
2
23.14
2.0015108s1 20.015MHz
•
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B0中有三种取向
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 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
• 例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） • 1H 的共振频率为
2 H02.6 8115 80s120.10M 5 H(1 zs11H)z
放在外磁场 B0=2.35T =100MHz
• (2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时
• 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简写 为NMR）与紫外-可见、红外吸收光谱一样， 本质上都是微观粒子吸收电磁波后在不同能级 上的跃迁。
• 紫外和红外吸收光谱是分子吸收了波长为 200～400nm和2.5～25μm的辐射后，分别引起 分子中电子能级和分子振转能级的跃迁。
1.1 原子核的自旋
• 核磁共振的研究对象是具有自旋的原子 核。1924年Pauli预言，某些原子核具有 自旋的性质，尔后被证实除了一些原子 核中质子数和中子数均为偶数的核以外， 其它核都可以绕着某一个轴作自身旋转 运动，即核的自旋运动
1.1 原子核的自旋
– 自旋量子数 I >0的原子核有自旋现象和自旋 角动量。当 I= ½ 时，核电荷呈球形分布于 核表面，它们的核磁共振现象较为简单，属 于这一类的主要原子核有1H1、15N7、13C6、 19F9、31P15。其中研究最多、应用最多的是 1H和13C核磁共振谱。
• 1946年哈佛大学的Purcell及斯坦福大学的Bloch 所领导的实验室几乎同时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。而自 二十世纪50年代出现第一台核磁共振商品仪器 以来，核磁共振波谱法在仪器、实验方法、理 论和应用等方面取得了飞跃式的进步。所应用 的领域也已从物理、化学逐步扩展到生物、制 药、医学等多个学科，在科研、生产和医疗中 的地位也越来越重要。
• 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=－ZB0
E 1/2= －B0 E-1/2= B0
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
• 由级式E1E向=高－能Z级BE0及2跃图迁可,所知需1H能核量在为磁场 中,由低能 △E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
• △E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能 级分裂越大, △E越大 B0外加磁场
m= -1/2 E2= B0 无磁场
△E=2 B0
m= +1/2 E1= －B0
(二)核磁共振
• 如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的 核，且射频频率恰好满足下列关系时：
• h =ΔE ΔE=2 B0
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• 核磁共振波谱是用波长很长（约1～100 m）、 频率很小（兆赫数量级，射频区）、能量很低 的射频电磁波照射分子，这时不会引起分子的 振动或转动能级跃迁，更不会引起电子能级的 跃迁，但这种电磁波能与处在强磁场中的磁性 原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁场 中发生核磁能级的共振跃迁，而产生吸收信号。 这种原子核对射频电磁波辐射的吸收就称为核 磁共振。
P
• 为核的磁旋比。是原子核的一种属性， 不同核有其特征的值。
• 例 C1：3核H的原子C =6H.=732×.681×071T0-81T·S-1-·1S-1(特[斯拉]-1 ·秒-1)
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:
p2 h I(I 1 )
I可0 以 ， 1， 1 ， 3， 为 2等值 22
• 自旋角动量
– 一些原子核有自旋现象，因而具有自旋角动 量。由于核是带电粒子，故在自旋同时将产 生磁矩。核磁矩与角动量都是矢量，磁矩的 方向可用右手定则确定。
– 核的自旋角动量P是量子化的，不能任意取 数，并可用核的自旋量子数I表示。
p2hπII12hI
• 自旋量子数不为零的原子核都有磁矩， 核磁矩的方向服从右手法则（如图7-2所 示），其大小与自旋角动量成正比。