核磁共振波谱（NMR）的一些相关知识

896 人阅读发布时间：2022-05-09 12:18

核磁共振波谱（NMR）已成为确定有机化合物结构的主要技术，可以从重量不到1毫克的样品中获得准确的数据。 为了分析NMR数据，有必要了解它的物理原理。
许多元素同位素的核具有特征性的自旋（I）。一些原子核具有积分自旋（例如I = 1、2、3 ....），一些原子核具有分数自旋（例如I = 1 / 2、3 / 2、5 / 2 ....），而一些原子核则没有自旋自旋，I = 0（例如12 C，16 O，32 S等）。有机化学家特别关注和使用的同位素是1 H，13 C，19 F和31 P，这些同位素的I = 1/2，分析该自旋态非常简单。
为什么会有NMR现象？
1，旋转的电荷会产生磁场，所得的自旋磁体具有与自旋成比例的磁矩（μ）。
2，在存在外部磁场（B0）的情况下，存在两个自旋状态+1/2和-1/2。较低能量+1/2态的磁矩与外部磁场对齐，但是较高能量-1/2自旋态的磁矩与外部磁场相反。
3，两个自旋状态之间的能量差取决于外部磁场强度，并且始终很小。当外部磁场为零时，两个自旋状态具有相同的能量，但是随着磁场的增加而发散。当电磁辐射的能量等于E时，原子核可以从较稳定的状态转变到不稳定的状态，发生磁共振。
核磁共振仪器是典型的连续波光谱仪，将样品放在均匀的5毫米玻璃管，并安置在两个磁极之间。射频辐射从红色线圈传播到样品中，接收器线圈围绕样品管，并通过专用电子设备和计算机监控接收的射频能量。

为什么在H NMR实验中不同化合物的质子核表现不同？

这个问题的答案取决于质子周围共价化合物和离子中的电子。电子是带电粒子，它们会响应于外部磁场（B o），从而生成次级场，该次级场会屏蔽原子核与外部磁场，因此核磁共振发生在不同的频率。电子的屏蔽性越强，化合物在越高场侧产生共振信号。虽然有屏蔽的磁场强度与外部磁场强度差距小到只有百万分之一（ppm），但是仪器能够灵敏的检测。

5π电子函数

π电子比σ键电子更容易极化，场感应的π电子运动会产生强烈的次级场，扰动附近的原子核。苯环提供π电子，由于感应外部磁场，环平面上方和下方的电子云在环的中心生成相反的场，并在环的边缘生成支撑场。这种空间变化称为各向异性，这是电子的非球形分布所共有的。外部场区域的次级场具有去屏蔽作用，稍弱的外部场会在该区域中引起核共振。然而，其中感应场与外部场相反的区域被称为屏蔽作用。
化学位移
由于电子的屏蔽作用，即使是同一个分子，处于不同环境(不同基团)的氢核仍然具有不同的磁场，吸收能量的频率也不同。因此，磁共振发生在不同的频率，通过这种方法，不同环境下的氢原子核可以被识别。化学位移是指样品的吸收与参考标准品吸收的对比，单位为百万分之一（ppm），并用符号δ 表示。四甲基硅烷(TMS)， Si(CH 3) 4，是参考化合物它的质子信号和样品的信号不重叠，因为硅原子比碳更具正电性。化学位移可由下式计算（νr是参考化合物的频率,νs是样品的频率）：

本文出自微信公众号「高分子材料科学」！「高分子材料科学」

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