第十一章 核磁共振基本原理优秀PPT.ppt
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1、第十一章 核磁共振基本原理2022/12/4第一页,本课件共有75页问题问题:某化合物由某化合物由C、H、O组成,组成,能否得到能否得到结构式结构式.MSMS谱谱中中:分子式为分子式为C10H12O2。173016051510IRIR光谱光谱光谱光谱UVUVUVUV光谱光谱光谱光谱3050解:解:U=1+10+1U=1+10+12(0-12)=5;2(0-12)=5;IR:IR:CO,苯环苯环 ;UV:UV:有共轭结构;有共轭结构;剩余剩余C C3 3H H7 7,基团基团?核磁共振波谱核磁共振波谱2022/12/4第二页,本课件共有75页图图3 3 苯的苯的1H-NMRNMR光谱光谱图图4
2、4 甲苯的甲苯的1H-NMRNMR光谱光谱图图5 5 十二基葡萄糖苷的十二基葡萄糖苷的13C-NMR谱谱 2022/12/4第三页,本课件共有75页图图6 分子式为分子式为 C10H12O2 的的1H-NMR谱图谱图2022/12/4第四页,本课件共有75页第第1111章章 核磁共振波谱核磁共振波谱 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,NMR2022/12/4第五页,本课件共有75页 内容选择:内容选择:第一节第一节 核磁共振基本原理核磁共振基本原理principle of nuclear magnetic resonance第二节第二节 核磁共振与
3、化学位移核磁共振与化学位移*nuclear magnetic resonance and chemical shift第三节第三节 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分*spin coupling and spin splitting第四节第四节 谱图解析与结构确定谱图解析与结构确定*analysis of spectrograph and structure determination第五节第五节 1313C C核磁共振波谱核磁共振波谱13C nuclear magnetic resonance结束2022/12/4第六页,本课件共有75页发展历程发展历程1946年首次观测到核磁共振信号年首
4、次观测到核磁共振信号年首次观测到核磁共振信号年首次观测到核磁共振信号1952年获年获Nobel物理奖物理奖1953年第一台商品年第一台商品年第一台商品年第一台商品NMR谱仪谱仪谱仪谱仪 (Varian)1960年代用于有机化学领域年代用于有机化学领域1964年第一台超导年第一台超导NMRNMR谱仪谱仪谱仪谱仪(Varian)1970年代脉冲傅立叶变换引入年代脉冲傅立叶变换引入NMR谱仪谱仪19801980年代二维年代二维NMR谱发展谱发展19911991年获年获年获年获Nobel化学奖化学奖(R.Ernst)2002年获年获年获年获NobelNobel化学奖化学奖(K.Wthrich)(1/2
5、)(K.Wthrich)(1/2)2022/12/4第七页,本课件共有75页第一节第一节 核磁共振基本原理核磁共振基本原理一、原子核的自旋一、原子核的自旋二、核磁共振现象二、核磁共振现象三、核磁共振条件三、核磁共振条件*四、核磁共振波谱仪四、核磁共振波谱仪2022/12/4第八页,本课件共有75页一、一、原子核的自旋原子核的自旋 atomic nuclear spin 若原子核存在自旋,产生核磁矩:自旋角动量:核 磁 矩:=磁旋比;自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩,2022/12/4第九页,本课件共有75页讨论讨论:(1)I=0 的原子核的原子核 16 O;12 C;32 S等等,无自旋,
6、无自旋,没有磁矩,没有磁矩,不产生共振吸收不产生共振吸收(2)I=1 或或 I 0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,电荷分布不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少研究应用较少;(3)1/2的原子核的原子核 1H,13C,19F,31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并象陀螺一样自旋,有磁矩产生,是核磁共振研究的主要对象主要对象,C,H也是有也是有机化合物的主要组成元素机化合物的主要组成元素。2022/12/4第十页,本课件共有75页B0m=1/2m=-1/2m=1m=
7、-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzzPrm=1/2 m=-1/2B01HE2=+B B0 0E=E2 E1=2 B B0 0E1=B B0 02022/12/4第十一页,本课件共有75页二、二、核磁共振现象核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 自旋量子数 I=1/2的原子核(氢核),绕自旋轴转动时,产生磁场,类似一个小磁铁。当置于外磁场B0中时,相对于外磁场,有(2I+1)种取向:氢核(I=1/2),两种取向(两个能级):(1)与外磁场平行,能量低,磁量子数1/2;(2)与外磁场相反,能量高,磁量子数1/2;2022/12/4第
8、十二页,本课件共有75页(核磁共振现象核磁共振现象)两种取向不完全与外磁场平行,5424 和 125 36相互作用,产生进动(拉莫进动)进动频率 0;角速度0;0=2 0=B0 两种进动取向不同的氢核两种进动取向不同的氢核之间的能级差之间的能级差:E=2 B0(磁矩)2022/12/4第十三页,本课件共有75页三、核磁共振条件三、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance 对于氢核,能级差:对于氢核,能级差:E=2 B0 (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=2 B0=h 0 由拉莫进动方程:由拉莫进动方程:0=2 0=
9、B0 ;共振条件:共振条件:2022/12/4第十四页,本课件共有75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)照射频率与外磁场满足共振条件照射频率与外磁场满足共振条件 0=B0/(2 )2022/12/4第十五页,本课件共有75页讨论讨论:共振条件:共振条件:0=B0/(2 )(1)对于同一种核)对于同一种核,磁旋比,磁旋比 一定一定,B0变变,射频频率,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,需要的不同,产生共振的条件不同,需要的磁场强度磁场强度B0和射频频率和射频频率 不同。不同。(
10、3)固定固定B0,改变,改变(扫频扫频),不同原子核在不同频率处发生,不同原子核在不同频率处发生共振。也可固定共振。也可固定 ,改变,改变B0(扫场扫场)(图)(图)。扫场方式应用较多。扫场方式应用较多。氢核(1H):1.409 T 共振频率 60 MHz 磁场强度B0的单位:1高斯(GS)=10-4 T(特拉斯)2022/12/4第十六页,本课件共有75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
11、上核数目差:16 10-6;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。2022/12/4第十七页,本课件共有75页四、核磁共振波谱仪四、核磁共振波谱仪 nuclear magnetic resonance spectrometer1永久磁铁永久磁铁:提供稳定均匀的外磁场,不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2 射频振荡器射频振荡器:线圈垂直于外磁场,发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。2022/12/4第十八页,本课件共有75页3 射频
12、信号接受器射频信号接受器(检测器):当质子的进动频率与辐射频率相匹配时,发生能级跃迁,吸收能量,在感应线圈中产生毫伏级信号。4样品管样品管:外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。2022/12/4第十九页,本课件共有75页核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪2022/12/4第二十页,本课件共有75页样品的制备:样品的制备:试样浓度试样浓度:5-10%;需要纯样品15-30 mg;傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg;标样浓度标样浓度(四甲基硅烷 TMS):1%;溶剂溶剂:1H谱 四氯化碳,二硫化碳;氘代溶剂氘代溶剂:氯仿,丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物;2022/12/4第二十一页,
13、本课件共有75页傅立叶变换核磁共振波谱仪傅立叶变换核磁共振波谱仪 不是通过扫场或扫不是通过扫场或扫频产生共振;频产生共振;恒定磁场,施加全频恒定磁场,施加全频脉冲,产生共振,采集脉冲,产生共振,采集产生的感应电流信号,产生的感应电流信号,经过傅立叶变换获得一经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。般核磁共振谱图。(类似于一台多道仪)(类似于一台多道仪)2022/12/4第二十二页,本课件共有75页图图6 分子式为分子式为 C10H12O2 的的1H-NMR谱图谱图2022/12/4第二十三页,本课件共有75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 nuclear magnetic re
14、sonance and chemical shift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 shift二、影响化学位移的因素二、影响化学位移的因素*factors influenced chemical shift2022/12/4第二十四页,本课件共有75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;满足共振条件:
15、0=B0/(2 )产生单一的吸收峰;产生单一的吸收峰;实际上,实际上,氢核受氢核受周围周围运动运动着的着的电子影响电子影响。在在B0作用下,作用下,“动动电生磁电生磁”,起到屏蔽作用,起到屏蔽作用,使氢核实受外磁场作用减小:使氢核实受外磁场作用减小:B=(1-)B0 :屏蔽常数。屏蔽常数。越大,屏蔽效应越大。越大,屏蔽效应越大。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)。2022/12/4第二十五页,本课件共有75页化学位移:化学位移:chemical shift由于屏蔽作用所引起由于屏蔽作用所引起的共振时磁场强度的的共振时磁场强度的移动现
16、象称为移动现象称为化学位化学位移。移。2022/12/4第二十六页,本课件共有75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,没有绝对的标准。相对标准相对标准:四甲基硅烷四甲基硅烷Si(CH3)4 (TMS)(内标)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;b.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。2022/12/4第二十七页,本课件共有75页位移的表示方法位移的表示方法 与裸露的氢核相比,TMS的化学位移最
17、大的化学位移最大,但规定规定 TMS=0,其他种类氢核的位移为负值,负号不加。小,屏蔽强,共振需要的磁场强度大,在高场出现,图右侧;大,屏蔽弱,共振需要的磁场强度小,在低场出现,图左侧;2022/12/4第二十八页,本课件共有75页二、影响化学位移的因素二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift1 1电负性电负性-去屏蔽效应去屏蔽效应 与质子相连元素的电负性越与质子相连元素的电负性越强强,吸电子作用越强,价电子,吸电子作用越强,价电子偏离质子,屏蔽作用减弱,偏离质子,屏蔽作用减弱,信号峰在低场信号峰在低场出现出现。-CH3,=1.62.0,高场;
18、-CH2I,=3.0 3.5,-O-H,-C-H,大 小低场 高场2022/12/4第二十九页,本课件共有75页电负性对化学位移的影响电负性对化学位移的影响2022/12/4第三十页,本课件共有75页2.磁各向异性效应磁各向异性效应 双键的各向异性双键的各向异性 价电子产生诱导磁场,价电子产生诱导磁场,质子位于其磁力线上,质子位于其磁力线上,与外磁场方向一致,去与外磁场方向一致,去屏蔽。低场共振,屏蔽。低场共振,大。大。=4.55.7=9102022/12/4第三十一页,本课件共有75页 三键的各向异性三键的各向异性三键的各向异性三键的各向异性价电子产生诱导磁场,价电子产生诱导磁场,炔上的炔上
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