核磁共振原理

11:28:44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

11:28:4411.1.1概述（1）紅外光譜可獲得化合物分子中的基團信息，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）原子核等位于強磁場中時，自旋能級裂分，無線電波照射時，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。

原子核的角動量和磁矩

11:28:44概述（4）布洛赫首先測定了水中質(zhì)子的共振吸收，珀塞爾第一次測定了固態(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。

（5）1950年，奈特發(fā)現(xiàn)乙醇中的質(zhì)子顯示三個獨立的峰，分別對應于CH3、CH2和OH基團中的質(zhì)子。

利用核磁共振來獲得有機物的結(jié)構(gòu)信息在對天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的闡明中起著極為重要的作用。11:28:4411.1.2原子核的自旋

若存在自旋，產(chǎn)生核磁矩。自旋角動量：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：

原子核的角動量和磁矩

11:28:44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橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復雜，研究應用較少。(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象，C，H也是有機化合物的主要組成元素。

原子核的角動量和磁矩

11:28:44B0m=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=－mB011:28:4411.1.3核磁共振現(xiàn)象

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

當置于外磁場B0中時，相對于外磁場，有(2I+1)種取向：氫核(I=1/2)，兩種取向(兩個能級)：(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。11:28:44(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)生進動(拉莫進動)進動頻率

0；角速度

0。

0=2

0=

B0

磁旋比；B0外磁場強度。兩種進動取向不同的氫核之間的能級差：

E=

2B0（

磁矩）

原子核的角動量和磁矩

11:28:4411.1.4飽和與弛豫

在外磁場中，原子核能級產(chǎn)生裂分，由低能級向高能級躍遷，需要吸收能量。能級量子化。射頻振蕩線圈產(chǎn)生電磁波。對于氫核，能級差：

E=

2B0（

磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E=

2B0=h

0由拉莫進動方程：

0=2

0=

B0;

共振條件：

0=

B0/(2)11:28:44共振條件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁場，能級裂分(3)照射頻率與外磁場的比值

0/B0=

/(2)11:28:44能級分布與弛豫過程不同能級上分布的核數(shù)目可由Boltzmann定律計算：磁場強度2.3488T；25C；1H的共振頻率與分配比：兩能級上核數(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。11:28:44討論:

0=

B0/(2)（1）對于同一種核，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）。掃場方式應用較多。氫核（1H）：1.409T共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz磁場強度B0的單位：1高斯（Gs）=10-4T（特斯拉）11:28:44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)（化學環(huán)境）有關。在高分辨率下，吸收峰產(chǎn)生化學位移和裂分。由有機化合物的核磁共振圖，可獲得質(zhì)子所處化學環(huán)境的信息，進一步確定化合物結(jié)構(gòu)。11:28