第3章 核磁共振波谱法(最终版)
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1、第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy（NMR） 3-1 概概 述述 处在磁场中的原子核吸收射频辐射，处在磁场中的原子核吸收射频辐射，引起核的磁能级跃迁而产生的吸收光谱，引起核的磁能级跃迁而产生的吸收光谱，称之为核磁共振波谱，它属于光谱分析的称之为核磁共振波谱，它属于光谱分析的范畴。范畴。 第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法通过测量电磁波（射频）与外磁场通过测量电磁波（射频）与外磁场中原子核之间的相互作用特征，根中原子核之间的相互作用特征，根据核磁共振波谱图上的吸收峰位置、据核磁共振波谱图上的吸收峰位置
2、、强度和精细结构可以研究物质的分强度和精细结构可以研究物质的分子结构。子结构。第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法核磁共振波谱法的产生及发展核磁共振波谱法的产生及发展 1924年，年，Pauli提出用原子核自旋和提出用原子核自旋和磁矩解释原子光谱中的超精细结构；磁矩解释原子光谱中的超精细结构； 1930年，年，Stern和和Gerlach测出了微测出了微小的核磁矩；小的核磁矩；第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法 1939年，年，Rabi等人第一次观察到核磁共振现等人第一次观察到核磁共振现象；象； 1946年，年，Purcell和和Bloch将将NMR用于样品的测用于样品的测定，并
3、为此获得了定，并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖； 1956年，美国制造出第一台高分辨年，美国制造出第一台高分辨NMR仪器。仪器。NMR的理论基础是的理论基础是核物理学核物理学。第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法3-2 NMR的基本原理的基本原理一、原子核自旋和磁矩一、原子核自旋和磁矩1原子核自旋原子核自旋 Atomic Nuclear Spin核内质子数核内质子数=核外电子数核外电子数=原子序数（原子序数（Z）原子的摩尔质量（原子的摩尔质量（M）=核内质子的质量核内质子的质量 +中子的质量中子的质量第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法原子核的表示方法：原子核
4、的表示方法： 元素的摩尔质量元素的摩尔质量 MXz 元素符号元素符号 原子序数原子序数 如：如：1H1；12 C6 ，或简写作：，或简写作：1H， 12 C 。 第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法原子核都围绕着某个轴作自身的旋转运原子核都围绕着某个轴作自身的旋转运动，这种自身的旋转称为动，这种自身的旋转称为核自旋核自旋。原子核的自旋状态用自旋量子数原子核的自旋状态用自旋量子数 I 来描来描述。述。 n I= 2 n=0，1，2， I=0，1/2，1，3/2，2，5/2 第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法自旋的原子核所具有的自旋角动量，用自旋的原子核所具有的自旋角动量，用P表示：
5、表示： hP = I（I+1） 2 h 普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34J.s ; I 核自旋量子数。核自旋量子数。 当当I =0时时 P = 0，核没有自旋现象，核没有自旋现象; 只有当只有当I 00时，时，核才核才可能有可能有自旋现象。自旋现象。第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法各种核的自旋量子数各种核的自旋量子数 质量质量 质子质子 中子中子 自旋量自旋量 数数M 数数Z 数数M-Z 子数子数 I 偶数偶数 偶数偶数 偶数偶数 0 4He、12C、16O、32S 无无NMR信号信号 1/2 1H、 13C、15N 、19F、31P 3/2 7Li、11B、35Cl、3
6、7Cl、79Br、81Br 5/2 17O、27Al、33S、125I 偶数偶数 奇数奇数 奇数奇数 1,2,3, 2H、 6Li、 14N、10B5 几乎无几乎无NMR信号信号例例 子子备注备注奇数奇数 偶数偶数 奇数奇数奇数奇数 奇数奇数 偶数偶数有有NMR信号信号第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法其中，其中，I=1/2的核：的核：1H、13C、15N、19F、31P，其电荷呈球型分布在核表面，核磁共，其电荷呈球型分布在核表面，核磁共振现象简单，是振现象简单，是NMR的主要研究对象。的主要研究对象。研究和应用最多的是研究和应用最多的是1H-NMR、13C-NMR和和31P-NMR。
7、由于生物体素和工程材料研。由于生物体素和工程材料研究工作的需要，目前究工作的需要，目前15N-NMR和和19F-NMR的应用也已经开始普及。的应用也已经开始普及。第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法借助借助1H1的的NMR波谱来测定波谱来测定H原子在分子原子在分子中所处的位置及在各官能团或骨架上氢中所处的位置及在各官能团或骨架上氢原子的相对数目和分子构型，是各元素原子的相对数目和分子构型，是各元素NMR学的基础，所以本课程从讨论学的基础，所以本课程从讨论1H-NMR的原理出发，兼顾的原理出发，兼顾13C-NMR，简要，简要介绍介绍 31P-NMR、 15N-NMR和和19F-NMR等等谱
8、学谱学 。第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法2核磁矩核磁矩 Magnetic Moment每个原子核都是带有正电荷的粒子，它每个原子核都是带有正电荷的粒子，它在发生旋转时，正电荷旋转，必然产生在发生旋转时，正电荷旋转，必然产生环绕原子核的旋转电流，称环绕原子核的旋转电流，称环电流环电流。有。有环电流就会产生一个电磁场。故我们常环电流就会产生一个电磁场。故我们常把原子核的自身旋转作为磁偶极子看待把原子核的自身旋转作为磁偶极子看待.第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法 磁偶极子磁偶极子第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法两磁极之间的磁偶极的大小（即磁性大两磁极之间的磁偶极的大小
9、（即磁性大小）称为小）称为核磁矩核磁矩。用用表示。它是矢量，表示。它是矢量，其方向为轴向。其方向为轴向。质子自旋质子自旋右手螺旋法则右手螺旋法则第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法核磁矩角动量的大小与自旋角动量核磁矩角动量的大小与自旋角动量P成正成正比，方向一致。比，方向一致。 h = P = I(I+1) 2 = / p ，磁旋比（磁旋比（magnetogyric ration）不同元素的磁旋比不同，特定元素的磁不同元素的磁旋比不同，特定元素的磁旋比是常数。旋比是常数。 H = 2.6753104s-1Gs-1= 2.6753108s-1T-1第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法
10、常见核的磁旋比常见核的磁旋比（参见教材（参见教材P93表表3-2） 同位素同位素 磁旋比磁旋比 /T-1s-110-8 1H 2.68 2H 0.411 13C 0.675 14N 0.193 19F 2.52 31P 1.086 203Tl 1.528 磁旋比是用来表征各种磁核的特征常数磁旋比是用来表征各种磁核的特征常数第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法二、二、NMR吸收的条件吸收的条件1核磁共振的吸收频率核磁共振的吸收频率根据量子力学原理，相对主磁场，核磁根据量子力学原理，相对主磁场，核磁矩的取向应有矩的取向应有2I+1种。种。定向的数目用原子核的磁量子数定向的数目用原子核的磁量子
11、数m来表来表示，示，m的数值为的数值为 +I，I-1，I-2，0， ，-(I-1)，-I 共有共有2I+1个。个。第三章第三章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法在外磁场中，取向不同的原子核产生相在外磁场中，取向不同的原子核产生相对于外磁场方向能量不同的自身感应磁对于外磁场方向能量不同的自身感应磁场，从而使核自身的能量增大或降低。场，从而使核自身的能量增大或降低。各种各种取向都表示原子核在外磁场中的不取向都表示原子核在外磁场中的不同能量状态。同能量状态。无外磁场时，核能级只有一个。在外磁无外磁场时，核能级只有一个。在外磁场作用下，核磁矩的能级发生分裂或裂场作用下，核磁矩的能级发生分裂或裂分，从而分，
