核磁共振波谱法 (4).ppt
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1、现在学习的是第1页,共55页本章主要内容本章主要内容现在学习的是第2页,共55页现在学习的是第3页,共55页 1、核的自旋角动量:自旋量子数自旋量子数2)1(hII普朗克常数普朗克常数(1)I=0,1,3/2等等(2)I 的取值与原子核的质量和原子序数的奇偶有关的取值与原子核的质量和原子序数的奇偶有关(3)I 的取值规律的取值规律质量数质量数 原子序数原子序数 自旋量子数(自旋量子数(I)例如例如偶数偶数 偶数偶数 0 01212C,C,1616O O偶数偶数奇数奇数整数整数2 2H H和和1414N N(I=1)=1);1010B B(I=2)=2)奇数奇数奇数或偶数奇数或偶数半整数半整数1
2、 1H H、1313C C、1919F F和和3131P P (I=1/2)=1/2);1111B B和和3131ClCl(I=3/2)=3/2)现在学习的是第4页,共55页2 2、核磁矩、核磁矩():磁旋比磁旋比原子核的特征参数,原子核的特征参数,不同的核具有不同的不同的核具有不同的 自旋量子数自旋量子数I I0的原子核,绕一定的自旋轴转动时,会感生磁场,类的原子核,绕一定的自旋轴转动时,会感生磁场,类似一个小磁铁。核自旋时产生的磁场方向可由右手螺旋定则确定似一个小磁铁。核自旋时产生的磁场方向可由右手螺旋定则确定现在学习的是第5页,共55页3、磁性核与非磁性核、磁性核与非磁性核 I=0,p=
3、0,即核的自旋角动量和核磁矩为即核的自旋角动量和核磁矩为0,核无自旋,在磁场中不能产生能级的裂分,核无自旋,在磁场中不能产生能级的裂分,无核磁无核磁共振吸收,称为共振吸收,称为无磁性核无磁性核 I0,p0,核有自旋,能产生核磁核有自旋,能产生核磁共振吸收,称为共振吸收,称为磁性核磁性核磁性核磁性核现在学习的是第6页,共55页描述描述自旋核在外加磁场中的不同取向自旋核在外加磁场中的不同取向的常数的常数1 1、自旋磁量子数、自旋磁量子数(m)m)2 2、核磁能级、核磁能级(E)E)自旋核在外磁场中自旋核在外磁场中的的不同取向所对应的能量不同取向所对应的能量02BhmE外磁场强度外磁场强度现在学习的
4、是第7页,共55页例如:氢核例如:氢核在外磁场中有两种取向在外磁场中有两种取向(1)一种取向与外磁场平行,磁量子数)一种取向与外磁场平行,磁量子数m=+1/2,能量低能量低(2)一种与外磁场逆平行,)一种与外磁场逆平行,磁量子数磁量子数m=-1/2,能量稍高能量稍高(3)磁量子数)磁量子数m=1/2的能级与的能级与 m=-1/2的能级的能量差的能级的能量差I=1/2422100hBBhE40hBE 24200hBhBE思考:思考:I=1、3/2等的磁性核的情况将会怎样?等的磁性核的情况将会怎样?20hBE 现在学习的是第8页,共55页1、核磁共振产生的条件、核磁共振产生的条件20BhmEh20
5、Bhh现在学习的是第9页,共55页2、核磁共振吸收的共振频率、核磁共振吸收的共振频率20B?共振3、几点讨论、几点讨论B0=1.409 T,共振共振60 MHzB0=2.305 T,共振共振100MHz现在学习的是第10页,共55页3、几点讨论、几点讨论20B20B现在学习的是第11页,共55页为什么甲醇中的为什么甲醇中的H会出会出现两条谱带而不是单峰现两条谱带而不是单峰?理想的、裸露的核满足共振条件:理想的、裸露的核满足共振条件:即化合物中所有的氢即化合物中所有的氢只有一个单峰!只有一个单峰!1、化学位移的概念、化学位移的概念在一定入射频率下,相同的磁性核因在分子中的化学环境不同而在在一定入
6、射频率下,相同的磁性核因在分子中的化学环境不同而在不同磁场强度下显示吸收峰的现象称为不同磁场强度下显示吸收峰的现象称为化学位移化学位移一个磁性核的化学位移是由其周围的电子环境决定的一个磁性核的化学位移是由其周围的电子环境决定的20B?共振现在学习的是第12页,共55页处于磁场中的原子核,其核外电子运动(电处于磁场中的原子核,其核外电子运动(电流)会产生感应磁场流)会产生感应磁场(B),其方向与外磁场相反,其方向与外磁场相反,从而抵消了一部分外磁场对核的作用,这种现象,从而抵消了一部分外磁场对核的作用,这种现象称为称为屏蔽效应屏蔽效应 B0B 衡量核外电子对核屏蔽作用大小的参数衡量核外电子对核屏
7、蔽作用大小的参数核外电子云密度越大,抵抗外磁场能力越强,屏蔽效应越大,核外电子云密度越大,抵抗外磁场能力越强,屏蔽效应越大,越大越大不同基团上的核,因核外电子云密度不同,受到的屏蔽作用不不同基团上的核,因核外电子云密度不同,受到的屏蔽作用不同,具有不同的屏蔽常数同,具有不同的屏蔽常数2、化学位移产生的原因、化学位移产生的原因00BBB 称为称为屏蔽常数屏蔽常数现在学习的是第13页,共55页B=B0-B =(1-)B0 核实际所受到的外磁场大小(核实际所受到的外磁场大小(B)为为 实际核的共振频率为实际核的共振频率为B0低场高场屏蔽效应,共振信号移向高场屏蔽效应,共振信号移向低场去 或需要外磁场
8、强度为或需要外磁场强度为0)1(2B?共振)1(20B共振现在学习的是第14页,共55页以合适的化合物为标准,用相对频率变化值表示化学位移以合适的化合物为标准,用相对频率变化值表示化学位移 没有完全裸露的氢核,没有绝对的标准。相对标准(内标)内标)四甲基硅烷(四甲基硅烷(TMS)化学惰性,不会与试样反应化学惰性,不会与试样反应TMS中的中的12个个H和和4个个C处于完全相同的化学环境,处于完全相同的化学环境,1H和和13C 谱只产生一个尖峰谱只产生一个尖峰质子的屏蔽强烈,位移最大,质子的屏蔽强烈,位移最大,1H谱中出现在最大磁场处,谱中出现在最大磁场处,与有机化合物中的质子峰不重迭,并规定其与
9、有机化合物中的质子峰不重迭,并规定其 易溶于有机溶剂,沸点低,易回收易溶于有机溶剂,沸点低,易回收SiCH3CH3H3CCH3现在学习的是第15页,共55页)-(2-0RSRSB?存在问题存在问题与外磁场相关(成正比)与外磁场相关(成正比)太小(对于质子,太小(对于质子,约为约为10-5),精确测定非常困难),精确测定非常困难S样品样品R标准物质标准物质现在学习的是第16页,共55页对扫频法对扫频法66010110RsRRs对扫场法对扫场法6610110ssRRsRBBB仪器入射频率仪器入射频率 一般在一般在10-5 10-3左右左右610)(SR 屏蔽效应增加,屏蔽效应增加,减小,共振减小,
10、共振 吸收频率减小或共振所需磁场吸收频率减小或共振所需磁场 强度大,在高场出现强度大,在高场出现 减小,减小,增大,增大,增加或增加或B B减减 小,在低场出现小,在低场出现 规定规定 TMS=0现在学习的是第17页,共55页现在学习的是第18页,共55页C CH H3 3C CH H2 2O OH Ha ab bc c屏屏蔽蔽效效应应:H Ha aH Hb bH Hc c为什么每类氢核不总表现为单峰,为什么每类氢核不总表现为单峰,而有时为多重峰呢?而有时为多重峰呢?高分辨率谱图高分辨率谱图 低分辨率谱图低分辨率谱图 现在学习的是第19页,共55页C CH Ha aH Ha aC CH Hb
11、bH Hb bH Ha aI IHb对对Ha的作用的作用H在磁场中有两种取向在磁场中有两种取向m=+1/2=+1/2以以表示表示m=-1/2=-1/2以以 表示表示两个两个Hb的自旋取向的排布方式有:的自旋取向的排布方式有:其方向与外磁场一致,相对于在其方向与外磁场一致,相对于在Ha周围增加了周围增加了两个磁场,所以两个磁场,所以Ha发生共振需要的外磁场比发生共振需要的外磁场比B0小,信号出现在小于小,信号出现在小于B0的磁场强度处的磁场强度处相当于在相当于在Ha周围增加了两个大小相等但方向相周围增加了两个大小相等但方向相反的磁场,结果相互抵消,所以反的磁场,结果相互抵消,所以Ha的共振信号的
12、共振信号还在还在B0的磁场强度处出现的磁场强度处出现其方向与外磁场相反,减少了外磁场对其方向与外磁场相反,减少了外磁场对Ha的作的作用,因此信号出现在大于用,因此信号出现在大于B0的磁场强度处的磁场强度处1 1/2 2 +1 1/2 2 =1 11 1/2 2 +(-1 1/2 2)=0 0(-1 1/2 2)+1 1/2 2 =0 0(-1 1/2 2)+(-1 1/2 2)=-1 1现在学习的是第20页,共55页磁场中相邻核间的自旋磁场中相邻核间的自旋相互作用(即干扰)称为相互作用(即干扰)称为自旋偶合自旋偶合由自旋偶合引起的谱线增多(分裂)现象,叫做由自旋偶合引起的谱线增多(分裂)现象,
13、叫做自旋裂分自旋裂分每组吸收峰内各峰之间的距离称为每组吸收峰内各峰之间的距离称为偶合常数(单位偶合常数(单位Hz)Hz)J Ja ab bJ Ja ab b发生偶合的核发生偶合的核AB相隔间的化学键数相隔间的化学键数 偶合常数是一组与仪器与测定偶合常数是一组与仪器与测定条件无关的常数,它的大小与分条件无关的常数,它的大小与分子结构有关子结构有关 相邻两质子彼此的相邻两质子彼此的J 值相等值相等,即,即 Jab=Jba现在学习的是第21页,共55页C CH Ha aH Ha aC CH Hb bH Hb bH Ha aI I现在学习的是第22页,共55页1nN发生偶合作用的核的数目发生偶合作用的
14、核的数目C CH Ha aH Ha aC CH Hb bH Hb bH Ha aI I1;1n;21)1(nn;321)2)(1(nnn;;1当当I=1/2时时12 nIN现在学习的是第23页,共55页基本组成部件基本组成部件按磁场来源:按磁场来源:永久磁铁、电磁铁、超导磁铁永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按照射频率:按照射频率:60MHz、90MHz、200MHz.按扫描方式:按扫描方式:连续波连续波NMR仪仪(CW-NMR)和和 脉冲傅立叶变换脉冲傅立叶变换NMR仪(仪(PFT-NMR)现在学习的是第24页,共55页1 1、磁、磁 体体(1 1)作用:)作用:产生产生稳定的、均匀的、强度大的强度
15、大的外磁场外磁场其其不均匀性小于六千万分之一。不均匀性小于六千万分之一。(3 3)消除磁场不均匀和不稳定的方法)消除磁场不均匀和不稳定的方法(2 2)要求:)要求:现在学习的是第25页,共55页(4 4)种类)种类它对外界温度不敏感,达到稳定状态快,但耗电量大,热它对外界温度不敏感,达到稳定状态快,但耗电量大,热 效应大,需要冷却系统,日常维护难效应大,需要冷却系统,日常维护难 可提供可提供2.349T(相当于质子的共振频率为相当于质子的共振频率为100 MHz)的磁场,的磁场,由软磁铁外绕上激磁线圈做成,通电产生磁场由软磁铁外绕上激磁线圈做成,通电产生磁场 稳定,耗电少,不需冷却,但对室温变
16、化敏感,因此必须将稳定,耗电少,不需冷却,但对室温变化敏感,因此必须将 其置于恒温槽内,再置于金属箱内进行磁屏蔽。其置于恒温槽内,再置于金属箱内进行磁屏蔽。可提供可提供0.7046-1.4092T(相当于质子共振频率相当于质子共振频率30-60MHz)的磁场的磁场 场强大、稳定性好,但仪器价格昂贵,日常维护费用极高场强大、稳定性好,但仪器价格昂贵,日常维护费用极高 可提供相当于质子共振频率可提供相当于质子共振频率800MHz的磁场,由金属的磁场,由金属(如如Nb、Ta合金合金)丝在低温下丝在低温下(液氮液氮)的超导特性而形成的。的超导特性而形成的。磁磁 体体现在学习的是第26页,共55页3 3
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- 核磁共振波谱法 4 核磁共振 波谱
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