哈尔滨商业大学：《分析化学》课程PPT教学课件（工科专业仪器分析）第十章 核磁共振波谱分析

第十章核磁共振波谱分析 给源渭商業大是 HARBIN LNTVERSTTY OF COMMERCE

第十章 核磁共振波谱分析

第一节核磁共振原理 原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子核 是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁 矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且 磁矩与角动量成正比，即 uyp. （10.1) 式中：y为旋磁比(magnetogyricratio),rad T-1.sl, 即核磁矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋 磁比，它是磁核的一个特征值；为磁矩，用核磁子表示， 1核磁子单位等于5.05×10-27J·T1; 疮潮清月業大孕 HARBIN LNTVERSITY OF COMMERCE

第一节 核磁共振原理 一、原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子核 是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁 矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且 磁矩与角动量成正比，即 μ = γ p ( 10.1 ) 式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad·T−1·s−1 ， 即核磁矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋 磁比，它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示， 1核磁子单位等于5.05×10−27J·T−1；

p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表 示为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表 p= （10.2) 式中：h为普郎克常数(6.63×10-34Js);-为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数.(6.63×10-34Js);-为自旋量子数， 与原子的质量数及原子序数有关。 给源渭商業大是 HARBIN LNTVERSTTY OF COMMERCE

p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表 示p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表 ( 10.2 ) 式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子数， 与原子的质量数及原子序数有关。 （ 1） 2 = I I + h p 

自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系见表： 质量数A 原子序数Z 自旋量子数·INMR信号 ·原子核 偶数 偶数 无 12C6 160g32S16 奇数 奇或偶数 /2 有 1H1,13C6 19Fg 15N7, 31P5 奇数 奇或偶数 3/2,5/2. 有 108 33S16 偶数 奇数 1,2,3 有 2H1, 14N7 疮爾清月業大孕 HARBIN LNTVERSITY OF COMMERCE

自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系见表： 质量数A 原子序数Z 自旋量子数 INMR信号 原子核 偶数 偶数 0 无 12C6 16O8 32S16 奇数 奇或偶数 ½ 有 1H1， 13C6 19F9， 15N7， 31P15 奇数 奇或偶数 3/2,5/2 . 有 17O8， 33S16 偶数 奇数 1,2,3 有 2H1， 14N7

当=0时，p=0,原子核没有磁矩，没有自旋现象；当/ 。】 >0时，p≠0，.原子核磁矩不为零，.有自旋现象。 =1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球 。 型分布，见图10.1(b)核磁共振谱线较窄，最适宜核 磁共振检测，是NMR主要的研究对象。>1/2的原子 ,核，.自旋过程中申荷在核表面非均匀分布 1=0 1=1/2 /=1,3/2.2. (a) (b) (c) 图10.1原子核的自旋形状 宏酒演商常大是 HARBIN LNIVERSTTY OF COMMERCE

当I=0时，p=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I ＞0时，p≠ 0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。 I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球 型分布，见图10.1（b）核磁共振谱线较窄，最适宜核 磁共振检测，是NMR主要的研究对象。I＞1/2的原子 核，自旋过程中电荷在核表面非均匀分布 图10.1 原子核的自旋形状

有机化合物的基本元素13C、1H、·15N、19F、31P等都有 核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振信号相对 简单，°已广泛用于有机化合物的结构测定· 然而，核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰 度和旋磁比的立方成正比的，如H的天然丰度为99.985%， 9F和31P的丰度均为100%，因此，它们的共振信号较强， 容易测定，·而3℃的天然丰度只有1.1%，很有用的15N和 7O核的丰度也在1%以下，它们的共振信号都很弱，必须 在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有 用的信息。 疮源演第大圣 HARBIN LNTVERSITY OP COMMERCE

有机化合物的基本元素13C、 1H、 15N、 19F、 31P等都有 核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振信号相对 简单，已广泛用于有机化合物的结构测定 然而，核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰 度和旋磁比的立方成正比的，如1H的天然丰度为99.985%， 19F和31P的丰度均为100%，因此，它们的共振信号较强， 容易测定，而13C的天然丰度只有1.1%，很有用的15N和 17O核的丰度也在1%以下，它们的共振信号都很弱，必须 在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有 用的信息

自旋核在外加磁场中的取向数和能级 按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取 ,向数不是任意的，可按下式计算： 自旋取向数=2/+1 以H核为例，·因/=12，故在外加磁场中，自旋取向 数=2(12)十1=2，即有两个且自旋相反的两个取向， 。其中一个取向磁矩与外加磁场B0一致；另一取向，磁 矩与外加磁场B0相反。两种取向与外加磁场间的夹角 经计算分别为54024(81)及125036(2)。见图 10.2 给酒渭商業大是 HARBIN LNIVERSTTY OF COMMERCE

二、自旋核在外加磁场中的取向数和能级 按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取 向数不是任意的，可按下式计算： 自旋取向数= 2I＋1 以H核为例，因I =1/2，故在外加磁场中，自旋取向 数=2（1/2）＋1=2，即有两个且自旋相反的两个取向， 其中一个取向磁矩与外加磁场B0一致；另一取向，磁 矩与外加磁场B0相反。两种取向与外加磁场间的夹角 经计算分别为54024'（θ1）及125036'（θ2）。见图 10.2

m=+1/2 m=-1/2 图10.2H核在磁场中的行为 疮潮清月業大孕 HARBIN LNTVERSITY OP COMMERCE

图10.2 H核在磁场中的行为

立当注意，每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的 能量状态，并可用磁量子数(m)来表示，它是不连续的量 子化能级。.m取值可由一l.0.十决定。例如：=112， 则m=-1/2,0,十1/2；仁1，则m=一1,0，十1。 在上图中，当自旋取向与外加磁场一致时(m=十12).， 氢核处于一种低能级状态(E=一WB。);相反时(m= 12)，氢核处于一种高能级状态(E=十μB,)两种取向间 的能级差，'可用△E来表示： AE=E2-E1=+uBo-(-UBo)=2uBo (10.3) 式中：为氢核磁矩；B0为外加磁场强度 上式表明：氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能量 △E与外加磁场强度B,及氢核磁矩成正比 给潮清月掌大呈 HARBIN LNTVERSTTY OF COMMERCE

应当注意，每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的 能量状态，并可用磁量子数（m）来表示，它是不连续的量 子化能级。m取值可由 －I.0.＋I决定。例如：I=1/2， 则m= −1/2，0，＋1/2；I=1，则m = －1，0，＋1。 在上图中，当自旋取向与外加磁场一致时（m =＋1/2）， 氢核处于一种低能级状态（E=－μB0）；相反时（m=－ 1/2），氢核处于一种高能级状态（E=＋μB0）两种取向间 的能级差，可用ΔE来表示： ΔE = E2－E1 =＋μB0－(－μB0 ) = 2μB0 (10.3) 式中：μ为氢核磁矩；B0为外加磁场强度 上式表明：氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能量 ΔE与外加磁场强度B0及氢核磁矩μ成正比

外加磁场B 无磁场 E=+uBo m=- 4 △E=2uB0 m=+ 2 E=-uBo 图10.3能级裂分与外加磁场强度的关系 疮爾清月業大孕 HARBIN LNTVERSITY OP COMMERCE

图10.3 能级裂分与外加磁场强度的关系