《基础化学 Fundamentals in Chemistry》课程教学课件（分子形状与结构 The Shapes and Structures of Molecules）Part II 分子结构的测量与表征（How to measure and charaterize the structure of molecules）i1-3

电磁波谱能级差AE=hyh=6.626×10-34 J·s微波紫外缘红外可見光X射線伽馬射線辐射種類無線電10~-1010~210~1210~510~81030.5×10~6波長(m）infraredvisibleradio(sub)mmultravioletx-raymicrowavegamma-ray10m10cm0.3mm780nm380nm10nm0.01nm0.000001nm1mmwavelengthAfrequency (Hz)10201011101210141015101610191027107109energy (ev)10-810-510-310-21012105110100106109核过程核自旋转动跃迁振动跃迁电子跃迁X射线可见紫外核磁共振光谱红外光谱吸收光谱衍射Xiamen University2

Xiamen University 电磁波谱 2 能级差 ∆�=ℎ� ℎ=6.626×10-34 J·s 核自旋 转动跃迁 振动跃迁 电子跃迁 核过程 X 射线 衍射 可见紫外 吸收光谱 核磁共振光谱 红外光谱

核磁共振一预期学习成果M，NMR核磁共振基础：核磁共振信号的起源、量子物理、异核核磁共振归属已知结构氢的位置：给定一个结构和一些光谱，分辨哪些峰对应哪个核判定未知结构：给定分子式和一些光谱，推断未知物的分子结构XiamenUniversity?

Xiamen University 3 归属已知结构氢的位置：给定一个结构和一些光谱，分辨哪些峰对应哪个核 判定未知结构：给定分子式和一些光谱，推断未知物的分子结构 核磁共振基础：核磁共振信号的起源、量子物理、异核核磁共振 核磁共振—预期学习成果

核磁共振NuclearMagneticResonance（NMR）UtrasXiamenUniversity

Xiamen University 4 核磁共振—Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

核磁共振发展史FelixBloch（费利克斯·布洛赫）E.M.Purcell（爱德华·珀塞尔）发展核磁精密测量的新方法OttoStern(奥托·斯特恩）Isidor I. Rabi发展了分子束方法（伊西多·艾萨克·拉比）并发现了质子磁矩记录原子核磁性的共振方法Richard R.Ernst（理查德·R·恩斯特）开发了脉冲变换核磁共振技术KurtWuthrich二维核磁共振法（库尔特·维特里希）核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构PaulC.Lauterbur（保罗·劳特伯）PeterMansfield（彼得·曼斯菲尔）在磁共振成像（MRI）技术领域取得了伟大的突破XiamenUniversity5

Xiamen University Otto Stern (奥托·斯特恩) 发展了分子束方法 并发现了质子磁矩 Isidor I. Rabi (伊西多·艾萨克·拉比) 记录原子核磁性的共振 方法 Felix Bloch (费利克斯·布洛赫) E. M. Purcell (爱德华·珀塞尔) 发展核磁精密测量的新方法 Richard R. Ernst (理查德·R·恩斯特) 开发了脉冲变换核磁共振技术、 二维核磁共振法 Kurt Wüthrich (库尔特·维特里希) 核磁共振技术测定溶液中生物 大分子三维结构 Paul C. Lauterbur(保罗·劳特伯) Peter Mansfield (彼得·曼斯菲尔) 在磁共振成像（MRI）技术领域取得了伟大的突破 核磁共振发展史 5

核磁共振信号的来源你可能已经熟悉电子具有一种叫做“自旋”的性质，我们用上下箭头1、1来表示自旋相反的电子。例如，当计算出原子中电子的最低能量排列时，自旋就变得很重要。in.magneticfieldNMRE2"spindown"signalgivesradiowaveshvfrequency"spinup"E以类似的方式，某些（但不是所有）原子核也具有自旋，因此，原子核具有非常弱的磁场。当放置在一个强磁场中，在这个核自旋和外加磁场之间有一个相互作用，这产生了一组核自旋能级。适当频率的无线电波引起这些能级之间的跃迁，这就产生了核磁共振信号。XiamenUniversity6

Xiamen University 6 你可能已经熟悉电子具有一种叫做“自旋”的性质，我们用上下箭头↑、↓来表示自 旋相反的电子。例如，当计算出原子中电子的最低能量排列时，自旋就变得很重要。 以类似的方式，某些(但不是所有)原子核也具有自旋，因此，原子核具有非常弱的 磁场。当放置在一个强磁场中，在这个核自旋和外加磁场之间有一个相互作用，这 产生了一组核自旋能级。适当频率的无线电波引起这些能级之间的跃迁，这就产生 了核磁共振信号。 核磁共振信号的来源

核自旋量子数1Nucleus%NaturalabundanceNumberofenergylevels22'H,asingleproton99.98532H, a deuterium nucleus,D0.015110B372011Bmiei48012C98.90113C-I221.114N399.61160099.8119F专2100核自旋由核自旋量子数用1表示。它可以取0、1/2、1、3/2、...，其特定值取决于所涉及的核。一个自旋为的原子核在磁场中会产生（2I+1）种不同的能级Xiamen UniversityR

Xiamen University 7 核自旋量子数 核自旋由核自旋量子数用 I 表示。它可以取0、1/2、1、3/2、.，其特定值取决 于所涉及的核。一个自旋为I的原子核在磁场中会产生 (2I + 1) 种不同的能级

核自旋量子数1Nucleus%NaturalabundanceNumberofenergylevels-2299.985'H,asingleproton32H,adeuteriumnucleus,D0.015110B3720mieIIB48012C98.90113C-1221.114N399.6116099.80119F-22100注意，同一元素的不同同位素可以有不同的I值。一个特定原子核的I值取决于原子核中质子和中子的数量。预测I的观测值并不简单，但有一些有用的指导：奇质量的原子核具有半整数自旋（如!B、13C）奇数个质子和奇数个中子的原子核具有整数自旋（例如H,10B，14N)》偶数个质子和偶数个中子的原子核自旋为零（如12C.160）Xiamen University8

Xiamen University 8 注意，同一元素的不同同位素可以有不同的 I 值。一个特定原子核的 I 值取决于 原子核中质子和中子的数量。预测 I 的观测值并不简单，但有一些有用的指导： Ø 奇质量的原子核具有半整数自旋(如11B、13C) Ø 奇数个质子和奇数个中子的原子核具有整数自旋(例如2H, 10B, 14N) Ø 偶数个质子和偶数个中子的原子核自旋为零(如12C, 16O) 核自旋量子数

磁旋比不同自旋状态之间能量的确切差异取决于原子核所在的磁场强度和原子核本身。外部磁场越强，不同自旋态之间的能量分离越大。y:Gyromagnetic Ratioenergiesof41Hspinstates1HtThisessentiallyameasureof"howmagnetic"thenucleusis:energyseparationofhowfasttheenergydifference1Hspinstates inmagbetweenthe various spin statesfieldof strengthBgoes up with an increasinglysameenergystrongexternal field.Higherinabsence of1H+numbersarebetter.Itcanbemag fieldpositive or negative.Sensitivityscales as y5/2.BProtium: 26.8strengthofmagneticfieldCarbon-13:6.7Xiamen University

Xiamen University 9 磁旋比 不同自旋状态之间能量的确切差异取决于原子核所在的磁场强度和原子核本身。 外部磁场越强，不同自旋态之间的能量分离越大。 �: Gyromagnetic Ratio This essentially a measure of "how magnetic" the nucleus is: how fast the energy difference between the various spin states goes up with an increasingly strong external field. Higher numbers are better. It can be positive or negative. Sensitivity scales as �5/2. Protium: 26.8 Carbon-13: 6.7

磁旋比不同自旋状态之间能量的确切差异取决于原子核所在的磁场强度和原子核本身。外部磁场越强，不同自旋态之间的能量分离越大。energiesof4energiesof13cspinstates1Hspinstates1Htenergyseparationof13Ct1HspinstatesinmagfieldofstrengthB13c+sameenergy'smallerenergyinabsenceofseparation of spin1H+states for 13cmag fieldBBstrength of magnetic fieldstrength ofmagnetic fieldXiamen University10

Xiamen University 10 不同自旋状态之间能量的确切差异取决于原子核所在的磁场强度和原子核本身。 外部磁场越强，不同自旋态之间的能量分离越大。 磁旋比

共振频率因此，原子核共振的确切频率取决于所讨论的特定原子核及其所处磁场的强度：ResonancefrequencyinResonancefrequencyinNucleusa 4.7 T magnetic fieldan 18.8 T magnetic field/MHz/MHzIH2008002H30.7122.813C5020031P81324195Pt43.3173.2地球的磁场大约是50uTXiamen University11

Xiamen University 11 共振频率 因此，原子核共振的确切频率取决于所讨论的特定原子核及其所处磁场的强度： 地球的磁场大约是50 μT