MnovaSuiteTrainingforChemists核磁共振氢谱培训.ppt

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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2.2.核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪核磁共振仪3.3.氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移氢的化学位移4.4.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5.5.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6.6.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7.7.偶合常数与分子结构的关系偶合常数与分子结构的关系8.8.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9.9.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10.10.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.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。

是是研究分子结构、构型构象等的重要方法。

研究分子结构、构型构象等的重要方法。

核磁共振的研究对象：

磁性核磁性核磁性核：

磁性核：

具有磁矩的原子核。

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。

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。

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A和核电荷数和核电荷数Z（质子数或原子序数）有关。

（质子数或原子序数）有关。

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IINMRNMR信号信号信号信号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00无无无无均匀均匀均匀均匀偶数偶数偶数偶数奇数奇数奇数奇数1,2,3,1,2,3,有有有有不均匀不均匀不均匀不均匀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1/21/23/2,5/2,3/2,5/2,有有有有有有有有均匀均匀均匀均匀不均匀不均匀不均匀不均匀P=P磁矩（磁矩（）磁旋比（磁旋比（）：

核的特征常）：

核的特征常数数自旋角动量（自旋角动量（P）自旋量子数自旋量子数（I）I=0:

P=0，无自旋，不产生共振信号。

，无自旋，不产生共振信号。

I=0:

1212CC661616OO883232SS1616II00:

PP00，具有自旋现象。

，具有自旋现象。

II1/21/2，核电荷在核表面均匀分布。

，核电荷在核表面均匀分布。

核磁共振谱线窄，有利于核磁共振检测。

I=1/2:

11HH111313CC661515NN771919FF993131PP15152、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（BB00）时，磁矩）时，磁矩的取向是任意的。

的取向是任意的。

在在BB00中，中，II00的自旋核，磁矩的自旋核，磁矩的取向不是任意的，的取向不是任意的，而是量子化的，而是量子化的，共有共有（2I+12I+1）种取向。

可用种取向。

可用磁量子磁量子数数mm表示：

表示：

mm：

II，I-1I-1，I-2,1I-2,1,-I-I.对于对于11HH11原子核：

原子核：

II=1/2=1/2共有共有22种取向：

（种取向：

（+1/2+1/2，-1/2-1/2）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：

m=1/2m=1/2自旋核在自旋核在BB00场中的进动场中的进动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BBBB0000中时，除自旋外中时，除自旋外中时，除自旋外中时，除自旋外（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一致一致一致一致），还会绕，还会绕，还会绕，还会绕BBBB0000进动进动进动进动,称称称称LarmorLarmorLarmorLarmor进动进动进动进动，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。

BO自旋核在自旋核在BO场中的进动场中的进动hhllE=BE=B002233、核磁共振核磁共振B0射射=2hhE=BE=B0022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，磁场强度越大，谱图分辨率仪器的射频频率越大，磁场强度越大，谱图分辨率越高。

越高。

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B1，其频率，其频率为为射射射射，当当当当EE射射射射=hhhh射射射射=EE时，自旋核会吸收射频的能量，由时，自旋核会吸收射频的能量，由时，自旋核会吸收射频的能量，由时，自旋核会吸收射频的能量，由低能态跃迁到高能态（核自旋发生反转）。

低能态跃迁到高能态（核自旋发生反转）。

产生产生NMRNMR条件条件（11）II00的自旋核的自旋核（22）外磁场外磁场BB00（33）与与BB00相互垂直的射频场相互垂直的射频场BB11B0射射=2要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：

要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：

ll扫频扫频扫频扫频固定磁场强度，改变射电频率对样品扫描固定磁场强度，改变射电频率对样品扫描固定磁场强度，改变射电频率对样品扫描固定磁场强度，改变射电频率对样品扫描ll扫场扫场扫场扫场固定射电频率，改变磁场强度对样品扫描固定射电频率，改变磁场强度对样品扫描固定射电频率，改变磁场强度对样品扫描固定射电频率，改变磁场强度对样品扫描实际上多用后者。

实际上多用后者。

对于对于对于对于11HH核，不同的频率对应的核，不同的频率对应的核，不同的频率对应的核，不同的频率对应的磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度：

射频（射频（射频（射频（MHZMHZ）磁场强度（特斯拉）磁场强度（特斯拉）磁场强度（特斯拉）磁场强度（特斯拉）60601.40921.40921.40921.40921002.35001002.35001002.35001002.35002004.70002004.70002004.70002004.70003007.10003007.10003007.10003007.100050011.750050011.750050011.750050011.7500饱和与弛豫饱和与弛豫饱和：

饱和：

在外磁场作用下，在外磁场作用下，在外磁场作用下，在外磁场作用下，1111HHHH倾向于与外磁场相同取向的排倾向于与外磁场相同取向的排倾向于与外磁场相同取向的排倾向于与外磁场相同取向的排列。

处于低能态的核数目多，由于能级差很小，只列。

处于低能态的核数目多，由于能级差很小，只占微弱的优势。

占微弱的优势。

1111H-NMRH-NMRH-NMRH-NMR的讯号依靠这些微弱过剩，低能态核吸收电磁的讯号依靠这些微弱过剩，低能态核吸收电磁的讯号依靠这些微弱过剩，低能态核吸收电磁的讯号依靠这些微弱过剩，低能态核吸收电磁辐射跃迁到高能级而产生信号。

辐射跃迁到高能级而产生信号。

如果高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的如果高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的如果高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的如果高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，处于低能态的处于低能态的处于低能态的处于低能态的1111HHHH核数目与处于高能态核数目与处于高能态核数目与处于高能态核数目与处于高能态1111HHHH核数目相等，核数目相等，核数目相等，核数目相等，与此同步，与此同步，与此同步，与此同步，NMRNMRNMRNMR的讯号也会逐渐减弱直至最后消失。

的讯号也会逐渐减弱直至最后消失。

上述这种现象称为上述这种现象称为上述这种现象称为上述这种现象称为饱和饱和饱和饱和。

核弛豫：

1111HHHH核可以通过非辐射的方式从高能态转核可以通过非辐射的方式从高能态转核可以通过非辐射的方式从高能态转核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态。

变为低能态。

只有当激发和辐射的几率相等时，才能维持只有当激发和辐射的几率相等时，才能维持只有当激发和辐射的几率相等时，才能维持只有当激发和辐射的几率相等时，才能维持BoltzmannBoltzmannBoltzmannBoltzmann分布，分布，分布，分布，不会出现饱和现象，不会出现饱和现象，不会出现饱和现象，不会出现饱和现象，可以连续观可以连续观可以连续观可以连续观测到光谱信号。

测到光谱信号。

N+-低能态的核数低能态的核数N-高能态的核数高能态的核数k-Boltzmann常数常数T-绝对温度绝对温度NN-/N/N+=1-=1-EE/KT=1/KT=1（hh/2/2）BB00/KTKTBoltzmann分布（分布（低能态的核数高能态的核数）低能态的核数高能态的核数）：

B0越大，越大，N-/N+越大，即越大，即低能态的核数越多。

低能态的核数越多。

弛豫方式：

1、自旋晶格弛豫（纵向弛豫）：

、自旋晶格弛豫（纵向弛豫）：

反映了体系和环境的能量交换。

“晶格晶格”泛指泛指“环境环境”。

高能态的自旋核将能量转移至周围的分。

高能态的自旋核将能量转移至周围的分子子（固体的晶格、液体中同类分子或溶剂分子固体的晶格、液体中同类分子或溶剂分子）而转变而转变为热运动，结果是高能态的核数目有所下降。

为热运动，结果是高能态的核数目有所下降。

2、自旋自旋弛豫（横向弛豫）：

、自旋自旋弛豫（横向弛豫）：

反映核磁矩之间的相互作用。

高能态的自旋核反映核磁矩之间的相互作用。

高能态的自旋核把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋态的核数目不变，总能量不变。

态的核数目不变，总能量不变。

二、核磁共振仪二、核磁共振仪磁体：

磁体：

永久磁体、电磁体永久磁体、电磁体（低频谱仪低频谱仪）超导磁体（高频谱仪）超导磁体（高频谱仪）射频频率：

射频频率：

60，80，100，300，400，600MHz射频源：

射频源：

连续波波谱仪，脉冲傅立叶变换波谱仪连续波波谱仪，脉冲傅立叶变换波谱仪脉冲傅立叶变换核磁共振仪脉冲傅立叶变换核磁共振仪脉冲傅立叶变换核磁共振仪脉冲傅立叶变换核磁共振仪固定磁场：

超导磁体（含铌合金在液氮温度下固定磁场：

超导磁体（含铌合金在液氮温度下的超导性质。

的

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