南方医科大学：《仪器分析》课程教学资源（PPT课件讲稿）第十五章 核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance，NMR）

第十五章核磁共振波谱法 (NMR) (nuclear magnetic resonance) 2021年2月24日9时1分

2021年2月24日9时1分 第十五章 核磁共振波谱法 (NMR) (nuclear magnetic resonance)

核磁共振 ■在强磁场的诱导下,一些原子核能产生核 自旋能级分裂,当用一定频率的无线电波 照射分子时,便能引起原子核自旋能级的 跃迁。这种原子核在磁场中吸收一定频率 的无线电波而发生自旋能级跃迁的现象, 称为核磁共振

核磁共振 ◼ 在强磁场的诱导下，一些原子核能产生核 自旋能级分裂，当用一定频率的无线电波 照射分子时，便能引起原子核自旋能级的 跃迁。这种原子核在磁场中吸收一定频率 的无线电波而发生自旋能级跃迁的现象， 称为核磁共振

核磁共振波谱与核磁共振波谱法 ■以核磁共振信号强度对照射频率(或磁 场强度)作图,所得图谱称为核磁共振 波谱。 ■利用核磁共振波谱进行分子结构(包括 构形和构象)测定、定性及定量分析的 方法称为核磁共振波谱法或称核磁共振 光谱法

核磁共振波谱与核磁共振波谱法 ◼ 以核磁共振信号强度对照射频率（或磁 场强度）作图，所得图谱称为核磁共振 波谱。 ◼ 利用核磁共振波谱进行分子结构（包括 构形和构象）测定、定性及定量分析的 方法称为核磁共振波谱法或称核磁共振 光谱法

乙苯的核磁共振谱 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 8.0 9.0 10 {(B=H b CH CH2- TMS 8.0 6.0 2.0 0 a( ppm)

乙苯的核磁共振谱

发展简史 1946年美国斯坦福大学的 F Bloch和哈佛大学E M Pure领导的两个研究组首次独立观察到核磁 共振信号,由于该重要的科学发现,他们两人共 同荣获1952年诺贝尔物理奖。初期应用仅限于物 理学领域。 ■1950年前后, W,G Proctor等发现化学位移和自 旋偶合现象,开拓了NMR在化学领域中的应用。 20世纪60年代,计算机技术的发展使脉冲傅立叶 变换核磁共振方法和仪器得以实现和推广,引起 该领域的革命性进步

发展简史 ◼ 1946年美国斯坦福大学的F. Bloch和哈佛大学 E M Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁 共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共 同荣获1952年诺贝尔物理奖。初期应用仅限于物 理学领域。 ◼ 1950年前后，W.G Proctor等发现化学位移和自 旋偶合现象，开拓了NMR在化学领域中的应用。 ◼ 20世纪60年代，计算机技术的发展使脉冲傅立叶 变换核磁共振方法和仪器得以实现和推广，引起 该领域的革命性进步

应用 应用最多的是1HNMR,又称质子核磁共振谱 (PMR) □提供的信息:质子类型及其化学环境;氢的分布; 核间关系。 口不足:不能提供无氢基团的信息。 ■13cNMR 口提供的信息:碳骨架及相关结构和分子运动。 口不足:灵敏度低;峰面积与碳数一般不成比例

应用 ◼应用最多的是 1H-NMR，又称质子核磁共振谱 （PMR）。 提供的信息：质子类型及其化学环境；氢的分布； 核间关系。 不足：不能提供无氢基团的信息。 ◼ 13C-NMR 提供的信息：碳骨架及相关结构和分子运动。 不足：灵敏度低；峰面积与碳数一般不成比例

原子核的自旋 核磁共振的研究对象为具有磁 矩的原子核。 自旋量子数I≠0的 原子核具有核磁矩

原子核的自旋 核磁共振的研究对象为具有磁 矩的原子核。 自旋量子数 I ≠ 0 的 原子核具有核磁矩。  

各种核的自旋量子数和核磁共振 质量数原子自旋量子自旋NMR 序数数() 形状讯号 原子核 偶数偶数 0 非自旋 12C,160,32s28si,30Si 球体 无 等 奇数奇或偶数12 球体,C,15N,12P 自旋 等 奇数奇或偶数|32,5/2…自旋椭有1B,17o,3s35c13c 圆体 79Br,83Br,127等 偶数奇数1,2,3自旋椭有4H,0,N等

各种核的自旋量子数和核磁共振 质量数 原子 序数 自旋量子 数（I） 自旋 形状 NMR 讯号 原 子 核 偶数 偶数 0 非自旋 球体 无 12C,16O,32S,28Si,30Si 等 奇数 奇或偶数 1/2 自旋 球体 有 1H, 13C, 15N, 19F, 31P 等 奇数 奇或偶数 3/2，5/2… 自旋椭 圆体 有 11B,17O,33S,35Cl,37Cl, 79Br,81Br,127I等 偶数 奇数 1，2，3… 自旋椭 圆体 有 2H, 10B, 14N等

核的能级分裂 无外磁场时,核磁矩的取向是任意的,若将原子 核置于磁场中,则核磁矩可有不同的排列,共有2I+1 个取向,原来简并的能级分裂成个2I+1个磁能级。氢 原子核Ⅰ=1/2,则裂分成2个磁能级。 Z↑ E m=+12 m=-1/2 μz H=0 h ∠E 2z210 =-1/2 m=+12 I=1/2核的能级分裂 氢核磁矩的取向

无外磁场时，核磁矩的取向是任意的，若将原子 核置于磁场中，则核磁矩可有不同的排列，共有2I+1 个取向，原来简并的能级分裂成个2I+1个磁能级。氢 原子核I =1/2，则裂分成2个磁能级。 Z Z  m＝+1/2 m＝-1/2 氢核磁矩的取向 0 2 H h E    ＝ E H0=0 m＝-1/2 m＝+1/2 I＝1/2核的能级分裂 核的能级分裂

核磁共振的条件 在垂直于H0的方向施加频率为数队通 射频区域的电磁波,作用于1H, 自旋轴 而其能量正好等于能级差△E, 自旋的质予 lH就能吸收电磁波的能量,从低 能级跃迁到高能级,这就是核磁 共振现象。外加电磁波的频率v 为: hv=△E 2x0 H=1.4092Tv=60MHz 川=Vh0=2.34871,1=100Mmz 2

在垂直于H0的方向施加频率为 射频区域的电磁波，作用于1H， 而其能量正好等于能级差ΔE， 1H就能吸收电磁波的能量，从低 能级跃迁到高能级，这就是核磁 共振现象。外加电磁波的频率 为： 0 2 H h h E    =  = 核磁共振的条件 0 0 2 1     = H = 2.3487T, 100MHz 1.4092T, 60MHz 0 0 0 0 = = = =   H H