第四节 核磁共振.pptVIP

* 第四节 核磁共振 一、基本原理 （3—6） 二、屏蔽效应 （7—9） 三、信号数目 （10—13） 四、信号的位置 （14—34） 核电荷数和质量数为奇数的原子核，如 1H、13C、 15N 、 19F、 31P，以及质量数为偶数和核电荷数为奇数的原子核如2H、10B、14N自旋时，都可产生磁矩，在外磁场的作用下都可发生核磁共振现象。由于几乎所有的有机物都含氢，所以H的核磁共振谱已成为现阶段测定有机分子结构不可缺少的手段。氢的核磁共振也称为质子共振谱用NMR代表，又所有的有机物都含有碳，所以C谱（CMR）近来发展也很迅速（Carbon）。 一、基本原理 我们研究的NMR主要是氢核的核磁共振—即质子的共振： 1、共振条件 自旋氢核在外磁场中有两种取向，一个取向和外磁场Bo方向相同（I），另一种取向和外磁场方向相反（II）。和外磁场方向相同的取向能量低为- μBo ，和外磁场方向相反的取向能量高为+ μBo。从低能态跃迁到高能态所需的能量为： ΔE= + μBo-（ -μBo）=2 μBo M：自旋核的磁矩，和自旋核本身的 性质有关。 Bo：外磁场强度。自旋核在外磁场中的行为很像陀螺在重力场中的运动行为。 陀螺的回旋 陀螺自旋方向 陀螺在重力场中回旋 重力场方向 如果在外磁场中加一个垂直于外磁场方向的电磁振器，它的振荡频率ν和核的回旋频率相等，即可发生核磁共振，自旋核吸收的能量ΔE=2μBo刚好和电磁振荡的能量E=hνo，即 ΔE=E 所以有νo= 2μBo/h（共振条件） 二、屏蔽效应 共振条件νo= 2μBo/h即电磁振荡器发出的电磁波的振动频率等于核自旋由低能态激发到高能态 能量时原子核发生共振。在这里我们仅考虑了原子核没考虑核外电子 对外加磁场的影响，核外电子产生的感应磁场和外加磁场方向相反，相当于抵消了外加磁场的强度Bo。也就是说原子核在外磁场中真正体验到的强度要比Bo小为BN。感应磁场强度和外加磁场Bo，屏蔽常数σ有关，为Boσ。 BN=Bo-σBo=Bo（1-σ） 所以共振条件为νo= 2μBN/h=2μBo（1-σ）/h 式中 Bo 外加磁场的强度 νo 振荡频率 μ 核的磁矩（对于一定的核是定值） σ 屏蔽常数 ( 和核周围电子密度有关) h 布朗克常数 从共振条件可以看出，对于某个特定条件下的质子μ、σ都是定值（常数）。所以Bo一定改变振荡频率或νo固定改变外加磁场强度都可以产生核子旋共振，前者为扫频，后者为扫场。一般的仪器都采用扫场的方法，即将仪器发出的振荡波频率固定而改变外场强度使质子共振。 所以Bo=hνo/[2μ（1-σ）] h、νo、μ都是常数，所以要使质子共振需加外磁场强度的大小仅和σ有关，σ值越大，质子周围电子云密度越大，Bo值越大，也就是共振场强度越高（共振在高场）。 如：乙醇中有三类质子Ha、Hb、Hc 电子的密度：HaHbHc 羟基氧电负性大有-Is效应,吸电子,-Is效应和距离有关,渐远渐减,离羟基越近-Is效应越强,Hc最近吸电子效应最强．电子云密度最低,Ha最远，所以有： σ Ha σ Hb σ Hc Bo Ha Bo Hb Bo Hc 三、信号数目 乙醇分子中有三种质子，在三个不同的场强下共振，这是由于这三种质子有不同的屏蔽常数，屏蔽常数又是对核外电子云密度大小的量度。核外电子云密度除了和核本身电子云密度有关外，还和相邻其它核的核外电子云密度有关，我们称之为化学环境。化学环境相同的乙醇中3个Ha为等性质子，化学环境不同的为不等性质子。乙醇中3个Ha为等性质子，2个Hb为等性质子，Ha、Hb、Hc之间为不等性质子。 不等性质子由于化学环境不同，而使其各自的电子云密度不同因而σ不同,所以共振在不同的场强；在NM