吉林大学：《仪器分析》课程电子教案（PPT课件）核磁共振波谱法

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