第12部分核磁共振波谱法名师编辑PPT课件.ppt
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1、第第1212章章 核磁共振波谱法核磁共振波谱法n利用核磁共振光谱进行结构测定,定性与定利用核磁共振光谱进行结构测定,定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR 将磁性原子核放入强磁场后,用适宜频率的将磁性原子核放入强磁场后,用适宜频率的电磁波照射,它们会吸收能量,发生电磁波照射,它们会吸收能量,发生原子核能级原子核能级跃迁,同时产生核磁共振信号,得到核磁共振跃迁,同时产生核磁共振信号,得到核磁共振n在有机化合物中,经常研究的是在有机化合物中,经常研究的是1H和和13C的共的共振吸收谱,重点介绍振吸收谱,重点介绍H核共振的原理及应用核共振的原理及应用
2、概论概论与紫外、红外比较与紫外、红外比较n共同点都是吸收光谱共同点都是吸收光谱紫外紫外-可见可见红外红外核磁共振核磁共振吸收吸收能量能量紫外可见紫外可见光光200780nm红外光红外光780nm1000 m无线电波无线电波1100m波长波长最长,能量最最长,能量最小小,不能发生不能发生电子振动转动电子振动转动能级跃迁能级跃迁跃迁跃迁类型类型电子能级电子能级跃迁跃迁振动能级振动能级跃迁跃迁自旋原子核发自旋原子核发生能级跃迁生能级跃迁概论概论nNMR是结构分析的重要工具之一,在化是结构分析的重要工具之一,在化学、生物、医学、临床等研究工作中得学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。到了广
3、泛的应用。n分析测定时,样品不会受到破坏,属于分析测定时,样品不会受到破坏,属于无破损分析方法无破损分析方法概论概论12.1核磁共振基本原理核磁共振基本原理 原子核具有质量并带正原子核具有质量并带正电荷,电荷,大多数核有自旋现象大多数核有自旋现象,在自旋时产生在自旋时产生磁矩磁矩,磁矩的,磁矩的方向可用右手定则确定,核方向可用右手定则确定,核磁矩磁矩 和核自旋和核自旋角动量角动量P都是都是矢量,方向相互平行,且磁矢量,方向相互平行,且磁矩随角动量的增加成正比地矩随角动量的增加成正比地增加增加 =Pn 磁旋比,不同的核具有不磁旋比,不同的核具有不同的磁旋比,对某元素是定值。同的磁旋比,对某元素是
4、定值。是磁性核的一个特征常数是磁性核的一个特征常数12.1.1 原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩n例:例:H原子原子 H=2.68108T-1S-1(特特斯拉斯拉-1 秒秒-1)C13核的核的 C=6.73107 T-1S-1等值,可以为 2231210)1(2IIIhpn代入上式得代入上式得:)1(2IIhn当当I=0时时,P=0,原子核没有自旋现象原子核没有自旋现象,只有只有I0,原原子核才有自旋角动量和自旋现象子核才有自旋角动量和自旋现象n核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量子数 I 的关系如下:(=P)12.1.1原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩实践证明实践证明,核自旋与核自
5、旋与核的质量数核的质量数,质质子数和中子数有关子数和中子数有关质量数质量数为偶数为偶数原子序原子序数为偶数为偶数数自旋量子自旋量子数为数为0无自旋无自旋12C6,32S16,16O8质量数质量数为偶数为偶数原子序原子序数为奇数为奇数数自旋量子自旋量子数为数为1,2,3有自旋有自旋14N7质量数质量数为奇数为奇数原子序原子序数为奇数为奇或偶数或偶数自旋量子自旋量子数为数为1/2,3/2,5/2有自旋有自旋1H1,13C6 19F9,31P1512.1.1原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩nI=1/2的原子核的原子核,核电荷球形均匀分布于核电荷球形均匀分布于核表面核表面,如如:1H1,13C6,
6、14N7,19F9,31P15n它们核磁共振现象较简单它们核磁共振现象较简单;谱线窄谱线窄,适宜适宜检测检测,目前研究和应用较多的是目前研究和应用较多的是1H和和13C核磁共振谱核磁共振谱12.1.1原子核的自旋和磁矩原子核的自旋和磁矩(一一)核自旋能级核自旋能级n把自旋核放在把自旋核放在场强为场强为B0的磁场中的磁场中,由于由于磁矩磁矩 与与磁场相互作用磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取核磁矩相对外加磁场有不同的取向向,共有共有2I+1个个,各取向可用磁量子数各取向可用磁量子数m表示表示n m=I,I-1,I-2,-In每种取向各对应一定能量状态每种取向各对应一定能量状态n I=1/
7、2的氢核只有两种取向的氢核只有两种取向n I=1的核在的核在B0中有三种取向中有三种取向12.1.2 磁矩的空间量子化磁矩的空间量子化I=1/2I=1I=2m=1/2m=+1/2m=1m=+1m=m=2m=1m=m=m=zzzB0与外磁场平行,能量较低,与外磁场平行,能量较低,m=+1/2,E 1/2=B0与外磁场方向相反与外磁场方向相反,能量较高能量较高,m=-1/2,E-1/2=B0I=1/2的氢核的氢核12.1.2 磁矩的空间量子化磁矩的空间量子化nPz为自旋角动量在为自旋角动量在Z轴上的分量轴上的分量n核磁矩在磁场方向上的分量核磁矩在磁场方向上的分量n核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁
8、场作用能核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能E,即各能级的能量为即各能级的能量为 E=ZB02hmPZ2hmZ E 1/2=B0E-1/2=B012.1.2 磁矩的空间量子化磁矩的空间量子化I=1/2的核自旋能级裂分与的核自旋能级裂分与B0的关系的关系n由式由式 E=ZB0及图可知及图可知1H核在磁场核在磁场 中中,由低由低能级能级E1向高能级向高能级E2跃迁跃迁,所需能量为所需能量为 E=E2E1=B0(B0)=2 B0nE与核磁矩及外磁场强度成正比与核磁矩及外磁场强度成正比,B0越大越大,能能级分裂越大级分裂越大,E越大越大无磁场无磁场B0外加磁场外加磁场E1=B0E2=B0E=2
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