海南大学：《分析化学》课程PPT教学课件（仪器分析）第13章 核磁共振波谱分析（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR）

第13章核磁共振波谱分析 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,NMR 13.1核城共振原理 13.2核城共振被谱仪 13.3化学位移和核城共振图请 13.4自旋儒合及自旋製分 13.5一级清图的解析 13.6高级谱图和简化谱固的方法 13.713℃核城共振着

13.1 核磁共振原理 13.2 核磁共振波谱仪 13.3 化学位移和核磁共振图谱 13.4 自旋偶合及自旋裂分 13.5 一级谱图的解析 第13章 核磁共振波谱分析 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ) 13.6 高级谱图和简化谱图的方法 13.7 13C核磁共振谱

红外光谱可获得化合物分子中的基团信息，但缺 乏分子骨架结构信息。 磁性原子核处于强磁场中时，核自旋能级裂分， 无线电波照射时，产生核磁共振现象，据此建立 的分析方法称为核磁共振波谱法。简称NMR。 射频辐射一原子核（强磁场下能级分裂） 吸收—能级跃迁一NMR 核磁共振波谱也是一种光谱（能量低，无线电波 主要研究的对象是：H;13C。提供质子、碳骨 架结构信息

红外光谱可获得化合物分子中的基团信息，但缺 乏分子骨架结构信息。 核磁共振波谱也是一种光谱（能量低，无线电波） 主要研究的对象是：1H；13C。提供质子、碳骨 架结构信息。 磁性原子核处于强磁场中时，核自旋能级裂分， 无线电波照射时，产生核磁共振现象，据此建立 的分析方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR 。 射频辐射——原子核(强磁场下能级分裂)——吸收──能级跃迁──NMR

布洛赫首先测定了水中质子的共振吸收，珀塞尔 第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。两 人获得了1952年的诺贝尔奖。 1950年，奈特发现乙醇中的质子显示三个独立的 峰，分别对应于CH3、CH2和OH基团中的质子。 乙醇低分辨HR CH2- 积分面积比：3：2：1 TMS 4 2 化学位移6

布洛赫首先测定了水中质子的共振吸收，珀塞尔 第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。两 人获得了1952年的诺贝尔奖。 1950年，奈特发现乙醇中的质子显示三个独立的 峰，分别对应于CH3、CH2和OH基团中的质子

与紫外、红外比较 共同点都是吸收光谱 紫外-可见 红外 核磁共振 红外光 吸收 紫外可见光 无线电波 780nm~ 能量 200w780nm 1~100m 1000um (波长最长，能量最小) 跃迁 振动能级 自旋原子核 类型 电子能级跃迁 跃迁 能级跃迁 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

与紫外、红外比较 ◼ 共同点都是吸收光谱 紫外-可见 红外 核磁共振 吸收 能量 紫外可见光 200~780nm 红外光 780nm~ 1000m 无线电波 1~100m (波长最长，能量最小) 跃迁 类型 电子能级跃迁 振动能级 跃迁 自旋原子核 能级跃迁 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

13.1核城共振原理 1、原子核的自旋 自旋的原子核，产生核磁矩： 自旋角动量： P=II+ 2元 核磁矩： =P= 2元1+0 磁矩的方向可用 4=2.79270 山13 =0.702166 右手定则确定 核磁子β为磁矩单位： 自旋量子数()不为零的核都具有磁矩。 质量数(a) 原子序数() 自旋量子() 例子 奇数 奇或偶 135 22 1=H,C℉N Bch0 偶数 偶数 0 C60,2S6 偶数 奇数 1, 2,3. 1=1H,HN,/=3,1B

质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I） 例子 奇数 奇或偶  2 5 , 2 3 , 2 1 , H , 2 1 1 1 I = 7 15 9 19 6 13C , F , N 8 17 17 35 5 11 , O 2 5 , B , Cl , 2 3 I = I = 偶数 偶数 0 16 32 8 16 6 12C , O , S 偶数 奇数 1，2，3. 5 10 7 14 1 2 I =1, H , N ,I = 3, B 1、原子核的自旋 自旋的原子核，产生核磁矩： 自旋角动量： 核磁子为磁矩单位；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。 ( 1) 2 = I I + h  核 磁 矩：   1 2.79270 H = 13 0.70216 C = 13.1 核磁共振原理 ( 1) 2 =  = I I + h     磁矩的方向可用 右手定则确定

讨论： 旋进轨道 (1)=0 的原子核：160；12C;22S等 无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收 启旋的质子 (2)I=1或I>1的原子核： I=1:2H,14N I=3/2: 11B,35Cl,79Br, 81Br I=5/2:170,1271 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)/=1/2的原子核： H,3C,19F,31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样 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

讨论: (1) I=0 的原子核： 16 O； 12 C； 22 S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 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， 19F， 31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样 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

2、核磁共振现象 自旋量子数=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。 当置于外磁场B中时，相对于外磁 场，有2I+1)种取向： N 氢核1/2)，两种取向（两个能级）： N S N (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

2、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。 当置于外磁场B0中时，相对于外磁 场，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

其实，两种取向不完全与外磁场平行或相反， 0=54°24’和125°36’。 这样，在外磁场下，核自旋产生的磁 场与外磁场发生相互作用，产生进动 拉莫进动)： 旋进轨道、 进动频率Vo; 角速度0。 一目旋始 00=2元%=YB0 启被的质子 Y磁旋比；B外磁场强度。 两种进动取向不同的氢核产生能 级裂分，能级差为△E

其实，两种取向不完全与外磁场平行或相反， ＝54°24’ 和 125 °36’。 这样，在外磁场下,核自旋产生的磁 场与外磁场发生相互作用，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产生能 级裂分，能级差为E

B,外加磁场 m=-1/2E2=uB0 无磁场 △E=2μB m=+1/2E1=一μBo ▣△E=E2-E1=B0-(-Bo)=2μB0 ·△E与核磁矩及外磁场强度成正比，B,越大， 能级分裂越大，△E越大

◼ △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 无磁场 B0外加磁场 E1= －B0 E2= B0 △E=2 B0 m= -1/2 m= +1/2

核磁共振条件 在外磁场中，原子核能级产 Ho 生裂分，由低能级向高能级跃 迁，需要吸收能量。由射频振 射频场 荡线圈产生电磁波供给。 射频振荡线圈 对于氢核，能级差：△E=2μB, (μ磁矩) 产生共振需吸收的能量：△E=2uBo=hVo Vo=光子频率=进动频率 由拉莫进动方程：O=2π%=YB, 共振条件：%三yB,/(2元)

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。由射频振 荡线圈产生电磁波供给。 对于氢核，能级差：E= 2B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= 2 B0 = h 0 0 = 光子频率= 进动频率 由拉莫进动方程：0 = 2 0 =  B0 ; 共振条件：0 =  B0 / (2 )