核磁共振波谱分析法优秀PPT.ppt
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1、核磁共振波谱分析法你现在浏览的是第一页,共57页v核磁共振基本原理核磁共振基本原理v核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移v自旋耦合与自旋裂分自旋耦合与自旋裂分v图谱解析与结构鉴定图谱解析与结构鉴定v核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪你现在浏览的是第二页,共57页第一节第一节核磁共振基本原理核磁共振基本原理 principle of NMRprinciple of NMR 概述概述 原子核的自旋原子核的自旋 核磁共振现象核磁共振现象 核磁共振条件核磁共振条件你现在浏览的是第三页,共57页一、概述一、概述 introductionintroduction 核磁共振波谱是以兆核磁共振波谱是以兆(10-11
2、02MHz)数量级数量级的电磁波作用于原子核,原子核产生自旋跃迁所的电磁波作用于原子核,原子核产生自旋跃迁所得的吸收谱。得的吸收谱。由于各原子所处化学环境不同,使各种有机由于各原子所处化学环境不同,使各种有机物的核磁共振谱不同,用以测定物的核磁共振谱不同,用以测定纯化合物结构纯化合物结构、混合物成分混合物成分及及定量分析定量分析等。等。你现在浏览的是第四页,共57页特点:特点:与通常的吸收光谱相比,其来源不同,来源于与通常的吸收光谱相比,其来源不同,来源于 原子核自旋跃迁所得吸收谱;原子核自旋跃迁所得吸收谱;应用范围广,有机、无机、定性、结构分析、应用范围广,有机、无机、定性、结构分析、定量等
3、;定量等;不需要标准样品,可直接进行定量;不需要标准样品,可直接进行定量;不破坏样品;不破坏样品;只能研究磁性核只能研究磁性核。你现在浏览的是第五页,共57页二、原子核的自旋二、原子核的自旋 atomic nuclear spinatomic nuclear spin=你现在浏览的是第六页,共57页 若原子核存在自旋,产生自旋角动量:若原子核存在自旋,产生自旋角动量:自旋量子数(自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩。)不为零的核都具有磁矩。核核 磁磁 矩:矩:(:磁旋比)磁旋比)质量数质量数质量数质量数原子序数原子序数原子序数原子序数I INMRNMR信号信号信号信号原子核原子核原子核原子核偶
4、数偶数偶数偶数偶数偶数偶数偶数0 0无无无无1212C C6 6 1616OO8 8 3232S S1616奇数奇数奇数奇数奇或偶数奇或偶数奇或偶数奇或偶数1/21/2有有有有1 1H H1 1 1313C C6 6 1919F F9 9 1515N N7 7 3131P P1515奇数奇数奇数奇数奇或偶数奇或偶数奇或偶数奇或偶数3/2 5/23/2 5/2有有有有1111B B5 5 3535ClCl1717 7979BrBr3535 8181BrBr3535 1717OO8 8 3333S S1616偶数偶数偶数偶数奇数奇数奇数奇数1,2,31,2,3有有有有 2 2H H1 1 1414
5、N N7 7你现在浏览的是第七页,共57页讨论讨论:(1)I=0 的原子核的原子核 16 O;12 C;22 S等等,无自旋,没有磁矩,无自旋,没有磁矩,不产生共振吸收不产生共振吸收(2)I=1 或或 I 1的原子核的原子核 I=1 :2H,14N I=3/2:11B,35Cl,79Br,81Br I=5/2:17O,127I 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分布不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少;布不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少;你现在浏览的是第八页,共57页(3)1/2的原子核的原子核 1H,13C,19F,31P 原子核可看作
6、核电荷均原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并象陀螺一匀分布的球体,并象陀螺一样自旋,有磁矩产生,是核样自旋,有磁矩产生,是核磁共振研究的主要对象,磁共振研究的主要对象,C,H也是有机化合物的主要也是有机化合物的主要组成元素。组成元素。你现在浏览的是第九页,共57页H0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1Prm=1/2 m=-1/2H0HE2=+H H0 0E=E2 E1=2 H H0 0E1=H H0 0你现在浏览的是第十页,共57页三、三、核磁共振现象核磁共振现象 nuclear magnetic resonancenuc
7、lear magnetic resonance 自旋量子数自旋量子数 I=1/2的原子核的原子核(氢核),可当作电荷均匀分布(氢核),可当作电荷均匀分布的球体,绕自旋轴转动时,产生的球体,绕自旋轴转动时,产生磁场,类似一个小磁铁。磁场,类似一个小磁铁。当置于外磁场当置于外磁场H0中时,相对于中时,相对于外磁场有(外磁场有(2I+1)种取向:)种取向:氢核(氢核(I=1/2),两种取向:),两种取向:(1)与外磁场平行,能量低,磁量子与外磁场平行,能量低,磁量子数数1/2;(2)与外磁场相反,能量高,磁量与外磁场相反,能量高,磁量子数子数1/2;你现在浏览的是第十一页,共57页(核磁共振现象核磁
8、共振现象)两种取向不完全与外磁场平行,两种取向不完全与外磁场平行,54 24 和和 125 36 相互作用相互作用,产生进动产生进动(拉莫尔拉莫尔进动进动)进动频率进动频率 0;角速度角速度 0;0=2 0=H0 磁旋比;磁旋比;H0外磁场强度;外磁场强度;两种进动取向不同的氢核之间两种进动取向不同的氢核之间的能级差:的能级差:E=H0(磁矩)磁矩)你现在浏览的是第十二页,共57页四、核磁共振条件四、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonancecondition of nuclear magnetic resonance 在外磁场中,原子核能在外
9、磁场中,原子核能级产生裂分,由低能级向级产生裂分,由低能级向高能级跃迁,需要吸收能高能级跃迁,需要吸收能量。量。能级量子化。射频振荡能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。线圈产生电磁波。对于氢核,能级差:对于氢核,能级差:E=H0 (磁矩)磁矩)产生共振需吸收的能量:产生共振需吸收的能量:E=H0=h 0 由拉莫尔进动方程:由拉莫尔进动方程:0=2 0=H0 ;共振条件:共振条件:0=H0/(2 )你现在浏览的是第十三页,共57页共振条件共振条件(1)核有自旋核有自旋(磁性核磁性核)(2)外磁场外磁场,能级裂分能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值照射频率与外磁场的比值 0/H0=/(2 )你现
10、在浏览的是第十四页,共57页能级分布与弛豫过程能级分布与弛豫过程不同能级上分布的核数目可由不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算:定律计算:磁场强度磁场强度2.3488 T;25 C;1H的共振频率与分配比:的共振频率与分配比:两能级上核数目差:两能级上核数目差:1.6 10-5;弛豫弛豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到低能态。高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和饱和(saturated)低能态的核等于高能态的核。低能态的核等于高能态的核。你现在浏览的是第十五页,共57页 在在NMR中,弛豫过程有两种方式,即中,弛豫过程有两种方式,即 自旋自旋晶格弛豫和自
11、旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋弛豫。自旋自旋晶格弛豫晶格弛豫,又称纵向弛豫,用,又称纵向弛豫,用T1表示;表示;自旋自旋自旋弛豫自旋弛豫,又称横向弛豫,用,又称横向弛豫,用T2表示。表示。你现在浏览的是第十六页,共57页讨论讨论:共振条件:共振条件:0=H0/(2 )(1)对于同一种核对于同一种核,磁旋比,磁旋比 为定值,为定值,H0变,射频频率变,射频频率 变。变。(2)不同原子核,磁旋比不同原子核,磁旋比 不同,产生共振的条件不同,不同,产生共振的条件不同,需要的磁场强度需要的磁场强度H0和射频频率和射频频率 不同。不同。(3)固定固定H0,改变,改变(扫频)(扫频),不同原子核在不同频率
12、,不同原子核在不同频率 处发生共振;也可固定处发生共振;也可固定 ,改变,改变H0(扫场)。扫场(扫场)。扫场 方式应用较多。方式应用较多。氢核(氢核(1H):):1.409 T 共振频率共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率共振频率 100 MHz 你现在浏览的是第十七页,共57页讨论讨论:在在1950年,年,Proctor等人研究发现:质子的共振频率与其结等人研究发现:质子的共振频率与其结构(化学环境)有关。在高分辨率下,吸收峰产生化学位移和构(化学环境)有关。在高分辨率下,吸收峰产生化学位移和裂分,如右图所示。裂分,如右图所示。由有机化合物的核磁共振图,可获得质子所处化学环境的
13、由有机化合物的核磁共振图,可获得质子所处化学环境的信息,进一步确定化合物结构。信息,进一步确定化合物结构。你现在浏览的是第十八页,共57页第二节第二节核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移 NMR and NMR and chemical shift 核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移 影响化学位移的因素影响化学位移的因素你现在浏览的是第十九页,共57页一、核磁共振与化学位移一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic resonance and chemical shift1.1.屏蔽作用与化学位移屏蔽作用与化学位移 理想化的、裸露的氢核,满足共振条件:理想化的、裸露的氢核,满足
14、共振条件:0=H0/(2 )产生单一的吸收峰;产生单一的吸收峰;实际上,氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场实际上,氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下,运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场,作用下,运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场,起到起到屏蔽作用,使氢核实际受到的外磁场作用减小:屏蔽作用,使氢核实际受到的外磁场作用减小:你现在浏览的是第二十页,共57页 H=(1-)H0 :屏蔽常数。:屏蔽常数。越大,屏蔽效应越大。越大,屏蔽效应越大。0=/(2 )(1-)H0 屏蔽的存在,共振需更强的外磁场屏蔽的存在,共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核相对于裸露的氢核)。你
15、现在浏览的是第二十一页,共57页 化学位移:化学位移:chemical shiftchemical shift 0=/(2 )(1-)H0 由于屏蔽作用的存在,氢核产生共振由于屏蔽作用的存在,氢核产生共振需要更大的外磁场强度(相对于裸露的需要更大的外磁场强度(相对于裸露的氢核),来抵消屏蔽影响。氢核),来抵消屏蔽影响。在有机化合物中,各种氢在有机化合物中,各种氢核核 周围的电子云密度不同(结周围的电子云密度不同(结构中不同位置)共振频率有差异,构中不同位置)共振频率有差异,即引起共振吸收峰的位移,这种即引起共振吸收峰的位移,这种现象称为现象称为化学位移,化学位移,用用 表示表示。你现在浏览的是
16、第二十二页,共57页2.2.化学位移的表示方法化学位移的表示方法(1)(1)位移的标准位移的标准没有完全裸露的氢核,没有绝没有完全裸露的氢核,没有绝对的标准。对的标准。相对标准:四甲基硅烷相对标准:四甲基硅烷Si(CH3)4 (TMS)(内标)(内标)位移常数位移常数 TMS=0(2)为什么用为什么用TMS作为基准作为基准?a.12个氢处于完全相同的化学环境,只产生一个尖峰;个氢处于完全相同的化学环境,只产生一个尖峰;b.屏蔽强烈,位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭;屏蔽强烈,位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭;c.化学惰性;易溶于有机溶剂;沸点低,易回收。化学惰性;易溶于有机溶剂;沸
17、点低,易回收。你现在浏览的是第二十三页,共57页位移的表示方法位移的表示方法 与裸露的氢核相比,与裸露的氢核相比,TMS的化学位移最大,但规定的化学位移最大,但规定 TMS=0,其他种类氢核的位移为负值,负号不加。,其他种类氢核的位移为负值,负号不加。=(样样-TMS)/TMS 106 (ppm)小,屏蔽强,共振需要小,屏蔽强,共振需要的磁场强度大,在高场出现,的磁场强度大,在高场出现,图右侧;图右侧;大,屏蔽弱,共振需要大,屏蔽弱,共振需要的磁场强度小,在低场出现,的磁场强度小,在低场出现,图左侧;图左侧;你现在浏览的是第二十四页,共57页二、影响化学位移的因素二、影响化学位移的因素 fac
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