Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ CHTHN) viết tắt của tiếng Anh là NMR (nuclear Magnetic Resonance) là một phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu tạo của các hợp chất hữu cơ, nó có ý nghĩa quan trọng để xác định cấu tạo các phân tử phức tạp như các hợp chất thiên nhiên. Phương pháp phổ biến được sử dụng là CHTHN-1H và phổ CHTHN-13C.
6.1. Cơ sở vật lý học
6.1.1. Hạt nhân trong từ trường
- Hạt nhân của mỗi đồng vị của một nguyên tử được đặc trưng bởi số lượng tử spin I và số lượng tử từ m.
I: số lượng tử của spin hạt nhân (I = 0, JA, 1, 3/2, 5/2... ) mI: số lượng tử từ hạt nhân ml = (2I+1) có các giá trị khác nhau là -I, -I + 1, cho đến +I.
- Thực nghiệm: mỗi hạt nhân nguyên tử có một số lượng tử spin I hạt nhân nhất định, phụ thuộc vào số khối của nguyên tử A và số thứ tự của nguyên tử là Z:
Các hạt nhân của nguyên tử tích điện dương, luôn luôn tự quay quanh trục của nó, khi quay như vậy, nó sinh ra một mômen quán tính gọi là momen spin hạt nhân P và momen từ p. Mặt khác, khi hạt nhân nguyên tử quay quanh trục của nó thì điện tích hạt nhân sẽ chuyển động trên một vòng tròn quanh trục quay, làm xuất hiện một dòng điện. Mỗi một dòng điện bao giờ cũng kèm theo một từ trường nên khi hạt
Số khỏi A lẻ chẵn chẵn
Số thử tự z Chẳn/lè Chằn lé
Số lượng nr nr spill Vi, 3/2, 5/2 0 1. 3, 5
nhân quay cũng xuất hiện
một từ trường có mômen từ ^ và hạt nhân trở thành một nam châm vĩnh cửu.
Mômen spin hạt nhân P tỷ lệ thuận với momen từ ^:
6.1
y: hệ số từ thẩm đặc trưng cho mỗi hạt nhân nguyên tử.
Giá trị tuyệt đối của momen spin hạt nhân P tính theo I:
6.2
Giá trị tuyệt đối của momen từ ^ tính theo I:
^ = Y (h/2n).I (5.3) I: số lượng tử spin hạt nhân.
I = 0 thì ^ = P = 0
I ^ 0 thì ^ ^ 0 và P ^ 0: hạt nhân được gọi là hạt nhân từ. Đây là điều kiện để có cộng hưởng từ.
Bảng 6.1. Những hạt nhân thường gặp trong hợp chất hữu cơ
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân phụ thuộc vào % đồng vị và momen từ ^. Khi ^ càng lớn thì độ nhạy càng cao.
đồus vị % ti'0112 tự nhiên số proton số
nơtron
I M độ nhạy tươn2 đổi
‘H 99.98 1 0 a 2,793 1.000
2D 1,56.10'2 1 1 1 0.857 9,64.10'3
12 c 98.89 6 6 0
13 c 1.108 6 7 Vi 0.702 1,59.10'2
14 N
99.635 7 7 0 0.404 1.01.103
13 N 0.365 7 8 5/2 -0.283 1.04.103
,6o 99.96 8 8 3/2
17 0 3,7.10 “ 8 9 3/2 -1.893 2,91. 10’2
35 C1 75,4 17 18 3/2 0.821 4.71.10’3
37 C1 24.6 17 20 3/2 0.683 2,72.10’3
79 Br 50.57 35 44 3/2 2.099 7.86.10’2
81 Br 49.43 35 46 3/2 2,263 9.84.10’2
19 F 100 19 0 ¥t 0,833
31 p 100 31 0 Vi 6.6310-2
1. Kim nam châm nhận bất kỳ năng lượng nào của từ trường ngoài. TS. Nguyễn Văn Sơn- Khoa CN Thanh Hóa-ĐHCN TP HỒ Chí Minh
6.4
E=-BO.|ÌCOS0
6 5
Một kim nam châm trong từ trường của trái đất thì kim nam châm sẽ hướng theo từ trường của trái đất. Nếu làm lệch kim nam châm một góc 0 rồi thả kim nam châm tự do thì nó sẽ chuyển động trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Vị trí cân bằng là vị trí có
mức năng lượng thấp nhất. Góc lệch càng cao thì năng lượng E của kim nam châm càng lớn:
Cos0 = (-1,+1) nên E = (+pB0, -pB0) có giá trị liên tục.
E: năng lượng của kim nam châm; B0: cường độ của từ trường ngoài. p: giá trị tuyệt đối momen từ của nam châm.
0: góc lệch
2. Hạt nhân từ khác với kim nam châm, chỉ nhận năng lượng gián đoạn (lượng tử hoá) Khi không ở trong từ trường, các hạt nhân có cùng p đều ở mức năng lượng bằng nhau.
Khi đặt một hạt nhân từ vào trong một từ trường ngoài có cường độ B0 thì các momen từ p của hạt nhân từ sẽ xoay theo hướng có đường sức từ của từ trường ngoài.
Hạt nhân nguyên tử từ khi ở trong một từ trường ngoài khác với một kim nam châm trong từ trường của trái đất: hạt nhân từ không phải tiếp nhận bất kỳ một vị trí nào của từ trường bên ngoài mà nó chỉ ở một số vị trí nhất định trong không gian tương ứng với một số trạng thái năn lượng xác định nghĩa là năng lượng của hạt nhân từ được thể hiện qua giá trị của cos0: cos0 = m/I (5.6)
I: số lượng tử của spin hạt nhân (I = 0, ^, 1, 3/2, 5/2...) mp số lượng tử từ hạt nhân (m = -I đến +I) có 2I + 1 giá trị Ví dụ 1: Hạt nhân
1H, 13C, 31P; có I = V2