核磁共振原理

01:16:36第十一章

核磁共振波譜法11.1.1概述11.1.2原子核的自旋11.1.3核磁共振現(xiàn)象11.1.4飽和與弛豫第一節(jié)

核磁共振原理Nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRPrinciplesofnuclearmagneticresonance

01:16:3611.1.1概述（1）紅外光譜可獲得化合物分子中的基團(tuán)信息，缺乏分子骨架結(jié)構(gòu)信息。（2）核磁共振波譜也是一種光譜（能量低，無線電波），主要研究的對(duì)象是：1H；13C。提供質(zhì)子、碳骨架結(jié)構(gòu)信息。（3）原子核等位于強(qiáng)磁場中時(shí)，自旋能級(jí)裂分，無線電波照射時(shí)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。

原子核的角動(dòng)量和磁矩

01:16:36概述（4）布洛赫首先測(cè)定了水中質(zhì)子的共振吸收，珀塞爾第一次測(cè)定了固態(tài)鏈烷烴中質(zhì)子的共振吸收。兩人獲得了1952年的諾貝爾獎(jiǎng)。

（5）1950年，奈特發(fā)現(xiàn)乙醇中的質(zhì)子顯示三個(gè)獨(dú)立的峰，分別對(duì)應(yīng)于CH3、CH2和OH基團(tuán)中的質(zhì)子。

利用核磁共振來獲得有機(jī)物的結(jié)構(gòu)信息在對(duì)天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的闡明中起著極為重要的作用。01:16:3611.1.2原子核的自旋

若存在自旋，產(chǎn)生核磁矩。自旋角動(dòng)量：核磁子=eh/2Mc；自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩。核磁矩：

原子核的角動(dòng)量和磁矩

01:16:36討論:(1)

I=0的原子核：16

O，12C，32S等，無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收。(2)I=1或I>0的原子核：

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I

這類原子核的核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少。(3)Ｉ＝1/2的原子核：

1H，13C，19F，31P

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并像陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對(duì)象，C，H也是有機(jī)化合物的主要組成元素。

原子核的角動(dòng)量和磁矩

01:16:36B0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1Prm=1/2

m=-1/2B0HE2=+mB0E=E2－E1=2mB0E1=－mB001:16:3611.1.3核磁共振現(xiàn)象

自旋量子數(shù)I=1/2的原子核（氫核），可當(dāng)作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生磁場，類似一個(gè)小磁鐵。

當(dāng)置于外磁場B0中時(shí)，相對(duì)于外磁場，有(2I+1)種取向：氫核(I=1/2)，兩種取向(兩個(gè)能級(jí))：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)m＝＋1/2；(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)m

＝－1/2。01:16:36(核磁共振現(xiàn)象)

兩種取向不完全與外磁場平行，＝54°24’和125°36’

相互作用，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)(拉莫進(jìn)動(dòng))進(jìn)動(dòng)頻率

0；角速度0。0=20=B0磁旋比；B0外磁場強(qiáng)度。兩種進(jìn)動(dòng)取向不同的氫核之間的能級(jí)差：E=

2B0（磁矩）

原子核的角動(dòng)量和磁矩

01:16:3611.1.4飽和與弛豫

在外磁場中，原子核能級(jí)產(chǎn)生裂分，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，需要吸收能量。能級(jí)量子化。射頻振蕩線圈產(chǎn)生電磁波。對(duì)于氫核，能級(jí)差：E=

2B0（磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E=

2B0=h

0由拉莫進(jìn)動(dòng)方程：0=20=B0;

共振條件：

0=

B0/(2)01:16:36共振條件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁場，能級(jí)裂分(3)照射頻率與外磁場的比值

0/B0=

/(2)01:16:36能級(jí)分布與弛豫過程不同能級(jí)上分布的核數(shù)目可由Boltzmann定律計(jì)算：磁場強(qiáng)度2.3488T；25C；1H的共振頻率與分配比：兩能級(jí)上核數(shù)目差：1.610-5。弛豫(relaxtion)—高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和(saturated)—低能態(tài)的核數(shù)目等于高能態(tài)的核數(shù)目。01:16:36討論:0=

B0/(2)（1）對(duì)于同一種核，磁旋比

為定值，B0變，射頻頻率變。（2）不同原子核，磁旋比不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的磁場強(qiáng)度B0和射頻頻率不同。（3）固定B0，改變（掃頻），不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振（圖）。也可固定，改變B0（掃場）。掃場方式應(yīng)用較多。氫核（1H）：1.409T共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz磁場強(qiáng)度B0的單位：1高斯（Gs）=10-4T（特斯拉）01:16:36討論:在1950年，Proctor等人研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子的共振頻率與其結(jié)構(gòu)（化學(xué)環(huán)境）有關(guān)。在高分辨率下，吸收峰產(chǎn)生化學(xué)位移和裂分。由有機(jī)化合物的核磁共振圖，可獲得質(zhì)子所處化學(xué)環(huán)境的信息，進(jìn)一步確定化合物結(jié)構(gòu)。01: