第1章核磁共振谱基础.ppt

核磁共振图谱课件核磁共振简介核磁共振现象核磁共振（NMR）是一种物理现象，指的是具有奇数个中子的原子核在外加磁场中会产生共振吸收特定频率的射频辐射。

最常见的核磁共振现象是氢原子的核磁共振，即氢核磁共振（^1H NMR）。

发展历史1946年，美国物理学家Bloch和Purcell独立发现了核磁共振现象。

此后，核磁共振技术得到了迅速发展，广泛应用于物理、化学、生物、医学等多个领域。

核磁共振的原理核磁共振的原理基于原子核的自旋和外加磁场之间的相互作用。

具有奇数个中子的原子核（如氢原子核）在外加磁场中会呈现出不同的能级，当射频辐射的频率与原子核的进动频率相原子核会吸收射频辐射，产生核磁共振信号。

核磁共振图谱核磁共振图谱的定义核磁共振图谱是一种用来表征样品中不同核素共振频率和强度信息的谱图。

它反映了样品中不同化学环境下的核磁共振信号，常用于分析化合物的结构、鉴定化合物和了解化合物的物理化学性质。

核磁共振图谱的主要参数1. 化学位移（δ）：表示共振信号相对于参照标准的偏移量，化学位移的大小与原子核所处的化学环境有关。

2. 耦合常数（J）：表示相邻原子核之间的耦合作用强度，反映了原子核之间的空间接近程度。

3. 积分强度：表示某个特定化学位移处的信号强度，与该化学位移处原子核的数目有关。

核磁共振图谱的类型1. 一维核磁共振图谱：最基本的核磁共振图谱，显示了一个检测器频率维度上的信号。

2. 二维核磁共振图谱：通过两个检测器频率维度上的信号进行绘图，可以提供更丰富的化学信息。

3. 三维核磁共振图谱：通过三个检测器频率维度上的信号进行绘图，具有更高的化学分辨率。

核磁共振图谱的解析核磁共振图谱的解析步骤1. 确定化学位移范围：根据样品的化学成分，确定核磁共振图谱的化学位移范围。

2. 寻找特征峰：在核磁共振图谱中寻找具有代表性的特征峰，这些峰对应于样品中的不同化学环境。

3. 分析耦合常数：根据耦合常数的大小，判断相邻原子核之间的连接方式，从而推断化合物的结构。

时间表示；T2 气、液的T2与其T1相似，约为1秒；
固体试样中的各核的相对位置比较固定，利于自旋-自旋间的能量交换，T2很小， 弛豫过程的速度很快，一般为10-4~10-5秒。
弛豫时间虽然有T1、T2之分，但对于一个自旋核来说，它在高能态所停 留的平均时间只取决于T1、T2中较小的一个。因T2很小，似乎应该采用 固体试样，但由于共振吸收峰的宽度与T成反比，所以，固体试样的共振 吸收峰很宽。为得到高分辨的图谱，且自旋-自旋弛豫并非为有效弛豫， 因此，仍通常采用液体试样。
z
pz
hm 2
核磁矩的能级
EZH 2hmH
*
(二） 磁性原子核在外磁场中的行为特性
1、自旋取向与核磁能级
无外加磁场时，核磁矩的取向是任意的，自旋能级相同; 有外加磁场时，核磁矩共有2I+1个取向，用磁量子数（m
）表示每一种取向 m=I，I-1，I-2 … -I+1，-I 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的，是量子化的, 不同
高能态核寿命的量度。 T1取决于样品中磁核的运动，样品流动性降低时，T1增
大。气、液（溶液）体的T1较小，一般在1秒至几秒左右； 固体或粘度大的液体，T1很大，可达数十、数百甚至上千 秒。 因此，在测定核磁共振波谱时，通常采用液体试样。
*
2) 自旋－自旋驰豫（横向驰豫）
指两个进动频率相同而进动取向不同（即能级不同）的性核， 在一定距离内，发生能量交换而改变各自的自旋取向。交换能量 后，高、低能态的核数目未变，总能量未变（能量只是在磁核之 间转移），所以也称为横向弛豫。
取向具有不同自旋能级, 这种现象称为能级分裂.
*
当置于外磁场H0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种 取向： m为磁量子数，取值范围：I，I-1，…，-I， 共（2I+1）种取向。

1N
J(1-2)=2-3
2
3
1
J(1-2)=7-10
2 N
J(1-3)=0-3
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5
5S 2
4N
J(4-5)=3-4 J(2-5)=1-2 J(2-4)=0
H 2N
5
3 4
J(2-3)=2-3 J(3-4)=3-4 J(2-4)=1-2 J(2-5)=1.5-2.5
2S 5
3 4
J(2-3)=4.7-5.5 J(3-4)=3.3-4.1 J(2-4)=1.0-1.5 J(2-5)=2.8-3.5
7-13
9-12
12
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13
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14
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15
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重水交换
重水交换是在核磁管里加入1-2滴重水,摇匀,再做谱图会发 现活泼氢消失.
1) ROH; RNH2; R2NH; ArOH; ArSH; ArNH2; RSO3H; RCOOH; RNH2.HCl的活泼氢是比较容易交换;
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Ha Hb
CH3COO H2
OCOCH3
or
H1
A
3J=A+BcosΦ+Ccos2Φ
Ha Hb CH3COO
H2
B
H1 OCOCH3
3JHH
H Φ
H
C
0°
90 180° Φ
A：H1和H2与Ha（Hb）构成的两面角相同，则3J1a(b)与3J2a(b)相同 B：H1和H2与Ha（Hb）构成的两面角不同，则3J1a(b)与3J2a(b)不同

•
•
µ=γ I(I+1) • h/2π
10
原子核能级分裂和能级的能量
把原子核放在磁场中，核磁矩有2I+1个取
向〔自旋轴是量子化的）。每个取向代表一个
分裂的能级，用m表示，而每个取向的核磁矩 在外磁场方向z的投影µz为：
z
m
h
2
（m—磁量子数，m=I，I-1，…-I）
11
在外加磁场中的核能级的能量E为：
15
B
16
在屏蔽作用下，共振频率发生位移
0
'
2
(1)B0
B0
2 0 ' (1 )
由上式:
⒈ 固定B0，σ大的H核，υ小，即υ照小才产生共振，峰向低频〔右
端）。 高频0
10低频
⒉ 固定υ照，σ大的H核，B0较大才能产生共振，峰τ向高场〔右端）
低场10
δ 0 高场
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注：⒈ NMR谱右端为高场、低频；左端低场、高频。 ⒉ 化合物中化学环境不同的氢核,σ不同, υ不同。
3 ．射频接收器〔检测 器）：当质子的进动频率 与辐射频率相匹配时，发 生能级跃迁，吸收能量， 射频接收器接收到信号。
4．样品管：外径5mm的玻璃 管,测量过程中旋转, 磁场作用 均匀。
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与UV-Vis，IR比较：
都属于分子吸收光谱
UV - Vis
IR
NMR
λ照 200-800 nm 4000-400 cm-1
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4.自旋-自旋裂分及耦合常数
现象：CH3CH2OH中有三个不 同类型的质子，因此有三个 不同位置的吸收峰。
然而，在高分辨 NMR 中， CH3和CH2中的质子出现了更 多的峰，这表明它们发生了 分裂。