核磁共振原理及图谱分析技巧

核磁共振氢谱核磁共振氢谱核磁共振氢谱核磁共振氢谱核磁共振氢谱核磁共振氢谱核磁共振氢谱核磁共振氢谱1.1.核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理22..核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪33..氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移44..影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素影响化学位移的因素55..各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移55..各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移各类质子的化学位移66..自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分77..偶合常数与分子结构的关系偶合常数与分子结构的关系偶合常数与分子结构的关系偶合常数与分子结构的关系88..常见的自旋系统常见的自旋系统常见的自旋系统常见的自旋系统常见的自旋系统常见的自旋系统常见的自旋系统常见的自旋系统99..简化简化简化简化简化简化简化简化11HH11NMRNMR谱的实验方法谱的实验方法谱的实验方法谱的实验方法谱的实验方法谱的实验方法谱的实验方法谱的实验方法1010..核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析核磁共振氢谱解析一一一一一一一一..核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理•NMR：：：：磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。。。。是是是是研究分子结构研究分子结构研究分子结构研究分子结构、、、、构型构象等的重要方法构型构象等的重要方法构型构象等的重要方法构型构象等的重要方法。。。。核磁共振的研究对象核磁共振的研究对象核磁共振的研究对象核磁共振的研究对象：：：：磁性核磁性核磁性核磁性核磁性核磁性核磁性核磁性核：：：：具有磁矩的原子核具有磁矩的原子核具有磁矩的原子核具有磁矩的原子核。。。。磁矩是由于核的自旋运动产生的磁矩是由于核的自旋运动产生的磁矩是由于核的自旋运动产生的磁矩是由于核的自旋运动产生的。。。。并非所有同位素的原子核都具有自旋运动并非所有同位素的原子核都具有自旋运动并非所有同位素的原子核都具有自旋运动并非所有同位素的原子核都具有自旋运动。。。。原子核的自旋运动与自旋量子数原子核的自旋运动与自旋量子数原子核的自旋运动与自旋量子数原子核的自旋运动与自旋量子数（（（（I））））有关有关有关有关。。。。自旋量子数自旋量子数自旋量子数自旋量子数I值与原子核的质量数值与原子核的质量数值与原子核的质量数值与原子核的质量数A和核电荷数和核电荷数和核电荷数和核电荷数Z（（（（质子数或原子序数质子数或原子序数质子数或原子序数质子数或原子序数））））有关有关有关有关。。。。质量数质量数质量数质量数质量数质量数质量数质量数核电荷数核电荷数核电荷数核电荷数核电荷数核电荷数核电荷数核电荷数IINMRNMR信号信号信号信号信号信号信号信号电荷分布电荷分布电荷分布电荷分布电荷分布电荷分布电荷分布电荷分布偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数00无无无无无无无无均匀均匀均匀均匀均匀均匀均匀均匀偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数00无无无无无无无无均匀均匀均匀均匀均匀均匀均匀均匀偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数奇数奇数奇数奇数奇数奇数奇数奇数1,2,3,…1,2,3,…有有有有有有有有不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀奇数奇数奇数奇数奇数奇数奇数奇数奇数或偶数奇数或偶数奇数或偶数奇数或偶数奇数或偶数奇数或偶数奇数或偶数奇数或偶数1/21/23/2,5/2,…3/2,5/2,…有有有有有有有有有有有有有有有有均匀均匀均匀均匀均匀均匀均匀均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀不均匀P=)1(+IIπ2hμμ==γγ··PP磁矩磁矩磁矩磁矩（（（（μμμμ））））磁旋比磁旋比磁旋比磁旋比（（（（γγγγγγγγ）：）：）：）：核的特征常数核的特征常数核的特征常数核的特征常数自旋角动量自旋角动量自旋角动量自旋角动量（（（（P））））自旋量子数自旋量子数自旋量子数自旋量子数(I)•I=0:P=0，，，，无自旋无自旋无自旋无自旋，，，，不产生共振信号不产生共振信号不产生共振信号不产生共振信号。。。。I=I=I=I=0000::::12121212CCCC666616161616OOOO888832323232SSSS16161616•I≠0:I≠0:I≠0:I≠0:PPPP≠0≠0≠0≠0，，，，具有自旋现象具有自旋现象具有自旋现象具有自旋现象。。。。IIII＝＝＝＝1/21/21/21/2，，，，核电荷在核表面均匀分布核电荷在核表面均匀分布核电荷在核表面均匀分布核电荷在核表面均匀分布。。。。核磁共振谱线窄核磁共振谱线窄核磁共振谱线窄核磁共振谱线窄，，，，有利于核磁共振检测有利于核磁共振检测有利于核磁共振检测有利于核磁共振检测。。。。I=I=I=I=1111////2222::::1111HHHH111113131313CCCC666615151515NNNN777719191919FFFF999931313131PPPP151515152、、、、自旋核在磁场中的取向和能级自旋核在磁场中的取向和能级自旋核在磁场中的取向和能级自旋核在磁场中的取向和能级•无外磁场无外磁场无外磁场无外磁场（（（（BBBB0000））））时时时时，，，，磁矩磁矩磁矩磁矩μμμμ的取向是任意的的取向是任意的的取向是任意的的取向是任意的。。。。•在在在在BBBB0000中中中中，，，，IIII≠≠≠≠0000的自旋核的自旋核的自旋核的自旋核，，，，磁矩磁矩磁矩磁矩μμμμ的取向不是任意的的取向不是任意的的取向不是任意的的取向不是任意的，，，，而是量子化的而是量子化的而是量子化的而是量子化的，，，，共有共有共有共有（（（（2I+12I+12I+12I+1））））种取向种取向种取向种取向。。。。可用可用可用可用磁量子磁量子磁量子磁量子数数数数mmmm表示表示表示表示：：：：mmmm：：：：IIII，，，，IIII----1111，，，，IIII----2,12,12,12,1…………,,,,----IIII....zzzI=1/2I=1I=2m=----1/2m=+1/2m=----1m=+1m=0000m=----2m=----1m=0000m=++++1111m=++++2222B0对于对于对于对于1111HHHH1111原子核原子核原子核原子核：：：：IIII=1/2=1/2=1/2=1/2共有共有共有共有2222种取向种取向种取向种取向：（：（：（：（+1/2+1/2+1/2+1/2，，，，----1/21/21/21/2））））磁诱导产生自旋核的能级分裂磁诱导产生自旋核的能级分裂磁诱导产生自旋核的能级分裂磁诱导产生自旋核的能级分裂：：：：磁诱导产生自旋核的能级分裂磁诱导产生自旋核的能级分裂磁诱导产生自旋核的能级分裂磁诱导产生自旋核的能级分裂：：：：m=－－－－1/2m=1/2自旋核在自旋核在自旋核在自旋核在自旋核在自旋核在自旋核在自旋核在BBBBBBBB00000000场中的进动场中的进动场中的进动场中的进动场中的进动场中的进动场中的进动场中的进动当当当当当当当当自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场自旋核处在外磁场BBBBBBBB00000000中时中时中时中时，，，，除自旋外除自旋外除自旋外除自旋外中时中时中时中时，，，，除自旋外除自旋外除自旋外除自旋外((((((((自旋轴的方自旋轴的方自旋轴的方自旋轴的方自旋轴的方自旋轴的方自旋轴的方自旋轴的方向与向与向与向与向与向与向与向与μμμμμμμμ一致一致一致一致一致一致一致一致))))))))，，，，还会绕还会绕还会绕还会绕，，，，还会绕还会绕还会绕还会绕BBBBBBBB00000000进动进动进动进动进动进动进动进动,,,,,,,,称称称称称称称称LarmorLarmorLarmorLarmorLarmorLarmorLarmorLarmor进动进动进动进动进动进动进动进动，，，，类似类似类似类似，，，，类似类似类似类似于陀螺在重力场中的进动于陀螺在重力场中的进动于陀螺在重力场中的进动于陀螺在重力场中的进动。。。。于陀螺在重力场中的进动于陀螺在重力场中的进动于陀螺在重力场中的进动于陀螺在重力场中的进动。。。。HHHH0000旋旋旋旋进进进进轨轨轨轨道道道道自自自自旋旋旋旋轴轴轴轴自自自自旋旋旋旋的的的的质质质质子子子子BO核磁距μB0B0回旋轴自旋轴回旋轴自旋轴I=+1/2I=-1/2核磁距μ自旋核在自旋核在自旋核在自旋核在BO场中的进动场中的进动场中的进动场中的进动EB0hhγγγγγγγγ

⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿E=E=————BB002π2πE1E23333、、、、核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振γγγγBB00νννννννν==————hhγγγγγγγγ⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿E=E=————BB在垂直于在垂直于在垂直于在垂直于B0的方向加一个射频场的方向加一个射频场的方向加一个射频场的方向加一个射频场B1，，，，其频率其频率其频率其频率为为为为νννν射射射射射射射射，，，，当当当当当当当当EE射射射射射射射射==hhhhhhhhνννν射射射射射射射射========⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿EE时时时时，，，，自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量，，，，时时时时，，，，自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量自旋核会吸收射频的能量，，，，由低能态跃迁到高能态由低能态跃迁到高能态由低能态跃迁到高能态由低能态跃迁到高能态（（（（核自旋发生反转核自旋发生反转核自旋发生反转核自旋发生反转）。）。）。）。由低能态跃迁到高能态由低能态跃迁到高能态由低能态跃迁到高能态由低能态跃迁到高能态（（（（核自旋发生反转核自旋发生反转核自旋发生反转核自旋发生反转）。）。）。）。00νννννννν射射射射射射射射==————2̟2̟hhγγγγγγγγ⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿E=E=————BB002π2π•磁场强度与射频频率成正比磁场强度与射频频率成正比磁场强度与射频频率成正比磁场强度与射频频率成正比。。。。•仪器的射频频率越大仪器的射频频率越大仪器的射频频率越大仪器的射频频率越大，，，，磁场强度越大磁场强度越大磁场强度越大磁场强度越大，，，，谱图分辨率谱图分辨率谱图分辨率谱图分辨率越高越高越高越高。。。。产生产生产生产生产生产生产生产生NMRNMRNMRNMRNMRNMRNMRNMR条件条件条件条件条件条件条件条件（（（（1111））））IIII≠≠≠≠0000的自旋核的自旋核的自旋核的自旋核（（（（2222））））外磁场外磁场外磁场外磁场BBBB0000（（（（3333））））与与与与BBBB0000相互垂直的射频场相互垂直的射频场相互垂直的射频场相互垂直的射频场BBBB1111γγγγBB00νννννννν射射射射射射射射==————2̟2̟0000HHHH0000低低