仪器分析第九章核磁共振波谱法.pptVIP

第九章核磁共振波谱法(NMR)(Nuclear magnetic resonance spectroscopy) 学习目的 通过本章学习，应明确NMR研究的对象，理解NMR现象及其NMR的产生，了解核磁共振波谱仪的结构及工作原理，掌握NMR法的基本原理及基本概论，掌握化学位移及自旋偶合产生的原因及其影响因素，了解NMR的应用。 本章主要内容 NMR概述 9.1核磁共振波谱法基本原理 9.2核磁共振波谱仪和试样的制备 9.3化学位移和核磁共振谱 9.4简单自旋偶合和自旋裂分 9.5核磁共振波谱法的应用 NMR概述 在外磁场的作用下，一些具有磁性的原子核（原子核自旋产生磁矩）分裂成不同的能级（量子化的），如果此时外加一个能量hν（射频电磁波），使其恰好等于相邻两个能级的能量差ΔE，则该核就可能吸收能量（共振吸收）从低能态跃迁至高能态，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法。 由于所吸收能量的数量级相当于射频范围的电磁波（0.1～几百MHz），属于射频区，因此，NMR是研究磁性原子核对射频能的吸收。 核磁共振波谱法已成为鉴定有机化合物结构及研究化学反应动力学等极为重要的方法，在有机化学、生物化学、药物化学、物理化学、无机化学及多种工业部门中得到广泛应用。 9.1核磁共振波谱法基本原理 一、原子核的自旋运动 实验证明，大多数原子核都有围绕某个轴作自身旋转运动的现象，称为核的自旋运动，且可用自旋角动量P来描述： P = 试中 h—Planck常数 I—自旋量子数，其值与该核的质量数 和原子序数有关(见下表) 表1.各种原子核的自旋量子数 由于原子核是带正电荷的粒子，自旋时除有自旋角动量P外，还产生磁矩μ，磁矩的方向与自旋角动量的方向一致，且相互平行。它们之间的关系如下： μ =γP ② ②式中γ—磁旋比，是原子核的重要属性，不同的原子核其γ不同，其单位是：弧度·T-1·s-1。 二、核动量矩及磁矩的空间量子化（原子核在外磁场中的行为） 当空间存在静磁场（磁场强度为B0），且方向沿Z轴方向时，根据量子力学原则，原子核自旋角动量在Z轴上的投影,只能取一些不连续的数值即 Pz=mh/2π（m：原子核的磁量子数， m=I，I-1,I-2…-I，共2I+1个） ③ 如下图所示 因此，原子核磁矩在Z轴上的投影也是量子化的 μz=γPz ④ 磁矩和磁场的相互作用能为： ★ E=-μzB0=-γm(h/2π)B0 ⑤ 总结：有自旋角动量的原子核在外磁场中会取向，这种取向在Z轴方向的投影是量子化的，每种取向对应有一定的能量(能级)。 量子力学证明，原子核在外磁场中的取向由磁量子数m决定，共有2I+1个取向。因此原子核不同能级间的能量差则为： ΔE=-Δmγ(h/2π)B0 ⑥ 由量子力学的选律可知，只有Δm=±1的跃迁才是允许的，所以相邻能级间发生跃迁所对应的能量差为： ★ΔE=γ（h/2π）B0 　（或ΔE=μZB0/I） 　　　　　　 ⑦ 三、核磁共振的产生 在静磁场中，具有磁矩的原子核存在着不同能级。此时，如运用某一特定频率的电磁波（射频）来照射样品，并使该电磁波满足： hν=ΔE=γ(h/2π)B0 ν共振=γB0/2π ⑧ 则原子核就可吸收射频能由低能级跃迁至高能级，产生共振吸收。 吸收信号被核磁共振谱仪接收并记录下来就获得核磁共振谱。 ★因此⑧式即为核磁共振方程或核磁共振的必要条件。 例如：对于1H核，I=1/2，在B0中，共有2I+1个取向，即m=1/2，-1/2 ∴ E1=- — μz B0 =-μz B0 E2=- —μz B0 =+μz B0 ΔE=E2-E1=2μz B0 当hν=ΔE时，则ν共振 =2μZB0/h =γB0/2π 下面对核磁共振方程ν共振=γB0/2π进行讨论。 由共振方程可知：ν照射∝B0和γ 1.对于同一种原子核在不同的外磁场中发生核磁共振所需要的射频频率不同。 对于1H核，将1H核放在B0=1.4092T的磁场中，发生NMR时，射频频率为60MHz。 放在B0=4.