核磁共振氢谱
核磁共振氢谱(NMR)
代谢物变化分析
通过比较不同生理状态下的氢谱数据，可以分析代谢产物的变化，从而研究疾病 、营养状况等对生物体的影响。
药物代谢动力学研究
药物代谢过程研究
氢谱可以用于研究药物在体内的代谢过 程，了解药物在体内的转化和排泄机制 。
反应机理研究
总结词
核磁共振氢谱在反应机理研究中具有重要应用，通过监测反 应过程中谱峰的变化，可以揭示反应的中间产物和反应路径 。
详细描述
核磁共振氢谱可以实时监测反应过程中氢原子所处的化学环 境变化，从而揭示反应的中间产物和反应路径。通过分析谱 峰的变化，可以推断出反应过程中各组分的生成和消耗情况 ，有助于深入理解反应机理。
催化剂活性位点研究
总结词
核磁共振氢谱在催化剂活性位点研究中具有独特的应用价值，通过分析催化剂表面吸附物种的谱峰特 征，可以揭示催化剂的活性位点和反应机制。
详细描述
核磁共振氢谱可以用来研究催化剂表面吸附物种的结构和性质。通过分析谱峰的位置和裂分情况，可 以推断出吸附物种所处的化学环境和与催化剂表面的相互作用关系。这些信息有助于揭示催化剂的活 性位点和反应机制，对于优化催化剂性能和提高催化反应效率具有重要意义。
重要信息。
生物医学
用于研究生物大分子的 结构和功能，为疾病诊
断和治疗提供依据。
02
核磁共振氢谱的基本原理
原子核的自旋与磁矩
原子核自旋
原子核具有自旋角动量，使得原子核 具有一定的磁矩。
磁矩与磁场相互作用
能级跃迁
当外加射频场能量与能级分裂相匹配 时，原子核发生能级跃迁，释放出共 振信号。
原子核磁矩在外部磁场中受到洛伦兹 力，产生能级分裂。
核磁共振氢谱
R''
R'' R'
vA = v中心 + = 819Hz (δ8.19ppm) vB = v中
心
例如：
图中：1，396.6Hz 2, 387.9Hz 3, 386.7Hz 4, 378.0Hz
图中：
ν1 = 396.6Hz，ν2 = 387.9Hz ν3 = 386.7Hz，ν4 = 378.0Hz JAB = 396.6 - 387.9 = 8.7Hz ν1-ν3 = 396.6 - 386.7 = 9.9Hz νAB = 9.92-8.72= 4.72Hz
峰强度比为1:1:1，
2J N-C-H
7.4Hz
核磁共振图谱的类型 核磁共振图谱分为一级谱和高级谱或二级谱图 一级谱 （1）一级谱的条件 (a)一个自旋体系中的两组质子的化学位移差()至少是偶 合常数J 的6倍以上，即/J6。 在此，和J皆用HZ作单位， = 仪器兆周数。
其它核对1H的偶合
13C
-1H
19F
-1H
31P -1H 2H
(D) -1H
14N-1H
13C
-1H
I=1/2, 符合(n + 1)规律。
1J C-H 2J C-C-H 3J C-C-C-H ；变化范围大，
在13CNMR谱中讨论。
13C
的天然丰度 1.1%，
如 CHCl3
98.9%
12CHCl
3 ， 1.1%
(b)各组质子的多重峰中心为该组质子的化学位移，峰形 左右对称，还有“倾斜效应”。 (c)裂距等于偶合常数，偶合常数可以从图上直接给出来。
(d)各组质子的多重峰的强度比为二项式展开式的系数比。
n（核的个数） 0 1 2 3 4 5 ...... 谱线相对强度 1 1 1
核磁共振氢谱(1H-NMR)
两个或两个以上质子在单键快速旋转过程中位置可对映互换
氯乙烷,乙醇中CH3
对称性化学等价
在分子中通过对称操作而发生互换的核
对称轴
对称面
对称中心
(2)磁等价
化学位移相同，对任意另一核的耦合常数相同
磁不等价
化学位移相同
对任意另一核的耦合常数不相同
双键上同碳质子
带有双键性质的单键质子
(3)不等价质子
δ3=5.25-0.35=4.90
δ4=5.25+2.11=7.36
e芳环氢
δHi=7.26+ΣZi
1溶剂影响:
低极性溶剂,CDCL3,CCL4,δoHi =7.26
高极性溶剂, DMSOδoHi =7.41
2.取代基在邻间对位作用不同
f.芳杂环
环上的氢的化学位移与其相对于杂原子的位置有关
g.醛基氢:9-12ppm
可用重水交换
活泼氢积分面积不足或消失
(5).丙环体系
§3自旋耦合与裂分
n+1规律
1.某组环3;1）取向，使与其发生耦合的核裂分为n+1条峰
2.每相邻的两条谱线间距离都是相等的
3.谱线间强度比为（a+b）n展开式的各项系数
耦合常数
裂分峰的数目和J值可判断相互耦合的氢核数目及基团的连接方式
B.邻近基团的磁各向异性
某些化学键和基团可对空间不同空间位置上的质子施加不同的影响，即它们的屏蔽作用是有方向性的。磁各向异性产生的屏蔽作用通过空间传递，是远程的。
（1）芳环
在苯环的外周区域感应磁场的方向与外加磁场的方向相同（顺磁屏蔽），苯环质子处于此去屏蔽区，其所受磁场强度为外加磁场和感应磁场之和，δ值向低场移动。
核磁共振氢谱
核磁共振氢谱核磁共振氢谱（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy，简称NMR）是一种能用来研究化合物中原子构型的分子物理学技术。
它可以用来研究物质的构造或化学结构，它也可以用来识别和鉴定分子特征。
NMR是一种能识别产生信号的分子，也是一种能探测物质内部构型的技术。
NMR可以用来检测氢原子、碳原子和其他同位素在分子中结合的形式、位置以及构型，并能定位其中自由基的存在。
它可以发现未知的结构，以及识别以相同元素为基础的化合物，帮助我们进行有效的化学研究。
NMR的工作原理是通过对模式分子中的官能团（如氢、氧、碳等）进行磁化，并将其与激发源相互作用，以计算分子中核磁共振部分所产生的信号。
果分子是不对称的，则可以通过磁场的强度及宽度，判断原子结构的结合能力及空间位置。
NMR可以通过电脑模型的研究来模拟出不同的构象，以检测分子的构象。
NMR的应用非常广泛，在科学研究、医疗以及化学工业中都有它的身影。
它不仅可以帮助我们识别和鉴定有机分子的结构，而且可以帮助我们了解有机分子的空间构型，为合成化学提供重要参考依据。
在药物分子研究中，NMR可以帮助我们了解药物分子的结构，寻找新药物的分子结构特征，以及分析药物-蛋白质相互作用的机制。
NMR同时也被用来研究有机合成中涉及的重要反应机理，协助分析过程中发生的变化，研究其机理，从而更好地控制和利用反应。
NMR是一种强大的分子物理学技术。
它的发展为化学研究带来了巨大的进步。
它可以非常准确地识别出物质中不同原子的空间位置，从而为化学研究提供重要的线索和信息。
在合成化学、药物分子研究以及其他生物化学研究中，NMR的应用日益广泛，可以帮助我们更好地了解我们所研究的物质。
第五章核磁共振氢谱
C O
CH2
O
C OH
两个羧基缔合状态不同
1）分子中原子核相对静止时: 用对称操作判断化学等价性
X
i)
Ha
C
例： CH2Cl2
X
Hb
两取代基完全相同, Ha 和Hb有C2对称轴和对称平面,这两个氢 称为等位氢（homotopic), (“同偏”氢), 具有相同化学位移, 又 称等频氢（isochronous), 无论在任何环境都是化学等价的.
J : 相邻两峰之间的距离.
3) 一级谱图的规律:
a. 磁等价的质子之间，有偶合，但不发生裂分，如果没 有其他质子的偶合应出单峰。
b. 磁不等价的质子之间的偶合，发生裂分，峰数目符合 n+1规律。
c. 各组质子多重峰中心为质子的化学位移，峰形左右对 称，还有“倾斜效应”。
d. 偶合常数可以从图上直接读出。 e. 各组质子多重峰的强度比为二项式展开式的系数比。 f. 不同类型质子积分面积之比等于质子的个数比。 g. 如果不同邻近基团的核与所研究的核之间有相同的偶
1.化学等价（Chemical equivalence): 若分子中两相同原子（或两相同基团）处于相同化
学环境时,它们是化学等价的.
化学不等价: （1） 在化学反应中反应速度不同; （2） 波谱特征不同.
例如: 柠檬酸
OH HO2C CH2 C CH2 CO2H
CO2H
HO C
O
H2
C
O
C
H O
H
2) 分子内存在着快速运动: 常见分子内运动: 链旋转, 环的翻转（reversal)等. i) 链旋转: RCH2-CXYZ
ii) 环的翻转: 环己烷翻转时, 直立氢和平伏氢交互变化, 二者等频,一个信号.
核磁共振氢谱 (PMR或1HNMR)
核磁共振氢谱(PMR或1HNMR)核磁共振技术是20世纪50年代中期开始应用于有机化学领域，并不断发展成为有机物结构分析的最有用的工具之一。
它可以解决有机领域中的以下问题：（1）结构测定或确定，一定条件下可测定构型和构象；（2）化合物的纯度检查；（3）混合物分析，主要信号不重叠时，可测定混合物中各组分的比例；（4）质子交换、单键旋转、环的转化等化学变化速度的测定及动力学研究。
NMR的优点是：能分析物质分子的空间构型；测定时不破坏样品；信息精密准确。
NMR通常与IR并用，与MS、UV及化学分析方法等配合解决有机物的结构问题，还广泛应用于生化、医学、石油、物理化学等方面的分析鉴定及对微观结构的研究。
一、基本概念核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。
检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。
因此，就本质而言，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱（波谱）范畴。
根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。
发展历史1．1946 年美国斯坦福大学的F. Bloch 和哈佛大学E.M .Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共同荣获1952 年诺贝尔物理奖。
NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。
2．1950 年前后W .G. Proctor等发现处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率，即化学位移。
接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线，即自旋—自旋耦合，这一切开拓了NMR 在化学领域中的应用和发展。
3．20 世纪60 年代，计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广，引起了该领域的革命性进步。
随着NMR 和计算机的理论与技术不断发展并日趋成熟，NMR 无论在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展，具体表现在以下几方面：1）仪器向更高的磁场发展，以获得更高的灵敏度和分辨率，现己有300、400、500、600MHz，甚至1000MHz 的超导NMR 谱仪；2）利用各种新的脉冲系列，发展了NMR 的理论和技术，在应用方面作了重要的开拓；3）提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR 测定新技术，在归属复杂分子的谱线方面非常有用。
核磁共振氢谱 (PMR或1HNMR)
核磁共振氢谱(PMR或1HNMR)核磁共振技术是20世纪50年代中期开始应用于有机化学领域，并不断发展成为有机物结构分析的最有用的工具之一。
它可以解决有机领域中的以下问题：（1）结构测定或确定，一定条件下可测定构型和构象；（2）化合物的纯度检查；（3）混合物分析，主要信号不重叠时，可测定混合物中各组分的比例；（4）质子交换、单键旋转、环的转化等化学变化速度的测定及动力学研究。
NMR的优点是：能分析物质分子的空间构型；测定时不破坏样品；信息精密准确。
NMR通常与IR并用，与MS、UV及化学分析方法等配合解决有机物的结构问题，还广泛应用于生化、医学、石油、物理化学等方面的分析鉴定及对微观结构的研究。
一、基本概念核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。
检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。
因此，就本质而言，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱（波谱）范畴。
根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。
发展历史1．1946 年美国斯坦福大学的F. Bloch 和哈佛大学E.M .Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共同荣获1952 年诺贝尔物理奖。
NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。
2．1950 年前后W .G. Proctor等发现处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率，即化学位移。
接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线，即自旋—自旋耦合，这一切开拓了NMR 在化学领域中的应用和发展。
3．20 世纪60 年代，计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广，引起了该领域的革命性进步。
随着NMR 和计算机的理论与技术不断发展并日趋成熟，NMR 无论在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展，具体表现在以下几方面：1）仪器向更高的磁场发展，以获得更高的灵敏度和分辨率，现己有300、400、500、600MHz，甚至1000MHz 的超导NMR 谱仪；2）利用各种新的脉冲系列，发展了NMR 的理论和技术，在应用方面作了重要的开拓；3）提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR 测定新技术，在归属复杂分子的谱线方面非常有用。
核磁共振之氢谱
1H Υ=26.752(107 rad./s.T), 200MHz 13C Υ=6.728 (107 rad./s.T), 50.3MHz 19F Υ=25.181(107 rad./s.T), 188.2MHz 31P Υ=10.841(107 rad./s.T), 81MHz
118.2(s) 206.5(s)
核弛豫
在电磁波的作用下，当h对应于分子中某种 能级（分子振动能级、转动能级、电子能级、核 能级等）的能量差E时，分子可以吸收能量， 由低能态跃迁到高能态。
在电磁波的作用下，激发态的分子可以放出
能量回到低能态，重建Boltzmann分布。
只有当激发和辐射的几率相等时，才能 维持Boltzmann分布，可以连续观测到光谱信 号。
核磁共振氢谱
(1H Nuclear Magnetic Resonance Spectra,1H NMR)
第一节 核磁共振基本原理
核自旋, 核磁矩 核磁共振 核弛豫
一、核自旋和核磁矩
原子核是带正电的微粒（由质子 +中子组成），大 多数原子核都具有自旋现象。 核的自旋现象，用自旋量子数I表示，I值与原子核
( = ·P )。
自旋核的取向，即磁矩 的取向。
无外磁场（B0）时，磁矩 的取向是任意 的。
在B0中
I 0的自旋核，磁矩的取向不是任意的，而 是量子化的，共有（2I + 1）种取向。可用磁量 子数m表示：m：I，I-1，，-I+1，-I
I = 1/2的自旋核，共有2种取向 （+1/2，-1/2）
的质量A和核电荷数（质子数或原子序数）Z有关。
质量（A） 原子序数（Z）
核磁共振氢谱的原理和应用
核磁共振氢谱的原理和应用1. 引言核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种基于原子核的磁共振现象进行分析的技术。
其中，核磁共振氢谱（Proton Nuclear Magnetic Resonance，^1H NMR）是应用最广泛的一种核磁共振技术，可以对化合物的分子结构和环境提供丰富的信息。
本文将介绍核磁共振氢谱的工作原理和一些常见的应用。
2. 原理核磁共振氢谱的原理基于核磁共振现象，即处于外磁场中的原子核会产生共振吸收现象。
核磁共振氢谱主要利用氢原子核的磁性来获得信息。
氢原子核是由一个质子组成，质子的核自旋会产生磁矩，当样品中的氢原子核受到外磁场作用时，磁矩会根据输入条件来进行翻转，从而发生共振。
具体步骤如下： 1. 设置一个强大的外磁场：核磁共振实验需要一个强大的外磁场，通常用超导磁体来提供。
2. 吸收能量：通过调整一定的能量输入，使得氢原子核进行翻转，从而共振吸收能量。
3. 检测共振信号：通过实验装置中的探头，可以检测到共振信号的强度和频率。
4. 数据处理与分析：根据共振信号的强度和频率，可以对样品进行分析，得到相应的谱图。
3. 应用核磁共振氢谱在化学和生物领域有广泛的应用，下面介绍几个常见的应用：3.1. 分析化合物结构核磁共振氢谱可以提供有关化合物分子结构的丰富信息。
通过观察吸收峰的位置和强度，可以确定原子的类型和环境。
例如，化合物中不同的氢原子在谱图上通常会出现在不同的化学位移位置，由此可以推断出分子中的化学环境和它们的相对位置。
3.2. 确定化合物纯度核磁共振氢谱可以用来检测化合物的纯度。
对于某些化合物而言，纯度是十分重要的，因为杂质可能影响其性质和应用。
通过观察谱图中的峰的数量和形状，可以判断化合物是否纯净。
3.3. 研究化学反应核磁共振氢谱也可以用来研究化学反应的进行情况。
通过对反应过程中样品的谱图进行监测，可以观察到反应物和产物之间的变化。
核磁共振氢谱
核磁共振光谱仪的简单构造示意图
实现核磁共振的方法，只有以下两种： （1）B0不变，改变v 方法是将样品置于强度固定的外加磁场中，并逐步改 变照射用电磁辐射的频率，直至引起共振为止，这种方 法叫扫频（frequency sweep）。 （2）v不变，改变B0 方法是将样品用固定电磁辐射进行照射，并缓缓改变 外加磁场的强度，达到引起共振为止。这种方法叫扫场 （field sweep）。 通常，在实验条件下实现NMR多用2法。
h 2
m:磁量子数(magnetic quantum number)， m = I, I-1, I-2,…-I
对于I = 1/2的核，如1H, 13C，m = 1/2, -1/2
自旋运动的原子核与外加磁场的作用能量：
E =- B0
h E Z B0 m B0 大小： 2 1 h 1 h E1 B0 E B 1 0 I = 1/2时， 2 2 2 2 2 2
能级差：
E E
1 2
E1
2
h B0 2
h B0 2
任意两个能级的能量差：
E m
量子力学选律： m = 1的跃迁是许可跃迁 任意相邻两个能级的能量差：
h E B0 2
核磁共振现象：Larmor(拉莫）进动
当原子核的核磁矩处于外加磁场B0 中，由于核自身 的旋转，而外加磁场又力求它取向于磁场方向，在这两 种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行 回旋，这种运动称为Larmor （拉莫）进动。 近似于陀 螺在重力场中的进动 两种取向不完全与外磁场平行，相互作用, 产生进动 (拉莫进动)进动频率 ； 角速度； = 2 = B0 磁旋比； B0外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E= B0 （磁矩）
《核磁共振氢谱》课件
芳烃的氢谱解析
芳烃的氢谱特征
芳烃的氢谱峰形较复杂，有多个峰，且峰与峰之间的距离较近。
芳烃的氢谱解析要点
根据峰的数量和位置，确定芳烃的类型和碳原子数；根据峰的强度 和形状，确定氢原子的类型和数量。
实例分析
以苯为例，其氢谱有多个峰，分别对应于不同位置上的氢原子。
PART 04
氢谱解析中的常见问题与 解决策略
偶合常数
当两个氢原子之间的距离足够近时， 它们的核磁共振信号会发生偶合，导 致峰分裂成双重峰。偶合常数是衡量 两个氢原子之间距离的指标。
氢谱解析的一般步骤
确定峰的位置和强度
根据核磁共振氢谱中的峰位置和强度，可以推断出分子中氢原子 的类型和数量。
确定氢原子的连接关系
通过分析峰的偶合常数，可以确定氢原子之间的连接关系，从而确 定分子的结构。
峰的简化问题
总结词
峰的简化问题是指某些情况下氢谱峰的数量过多，使得解析变得复杂。
详细描述
在某些情况下，由于分子结构中存在多个等效氢原子，会产生大量的重叠峰。这增加了氢谱解析的难 度。解决策略包括利用分子对称性来简化氢谱，以及利用去偶技术来消除某些峰的干扰，从而使得氢 谱更加简洁明了。
解析中的不确定性问题
多核共振技术
总结词
多核共振技术能够同时研究多个原子核的相 互作用和动态行为，有助于更全面地了解分 子结构和化学反应过程。
详细描述
多核共振技术是一种新兴的技术，它通过同 时研究多个原子核的相互作用和动态行为， 能够提供更全面、更深入的分子结构和化学 反应过程信息。这一技术的应用，将有助于 推动化学、生物学、物理学等领域的发展， 为解决复杂体系的研究提供新的手段。
2023-2026
ONE
第一章核磁共振氢谱解析
1. 2. 2 分类讨论耦合常数
谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位 Hz。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：
nJ n化学键的个数。 2J 同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。 3J 相邻碳上的氢。如HA-CH2-CH2-HB, HA与HB的耦合。 4J 相隔4个化学键，耦合作用很弱。
也就是说在测定核磁共振氢谱时当使用非手性溶剂时这两个相同基团才会具有相同的化学位移数值当使用手性溶剂时这两个相同基团可能具有不同的化学位移数如果该分子存在分子内运动则对于每一种构象来说都应该存在平分xcx角的对称面这两个相同基团才是对映异位的在用非手性溶剂测定核磁共振谱时才会具有相同的化学位移数值
第一章 核磁共振氢谱的解析
耦合作用
每类氢核不总表现为单峰， 有时多重峰。
原因：相邻两个氢核之间的 自旋耦合（自旋干扰）；
n+1 规律的内容是：如果所讨论基团的相邻基团含有n 个 氢原子， 所讨论的基团将被这个相邻的基团裂分为n+1 重峰. 一定要注意：n + 1 规律中的n是产生耦合裂分的磁性核的数 目，而不是所讨论的基团(在氢谱中就是所讨论的含氢的官能 团)的氢原子数目.
氢谱中很重要的一点是, 如果两个氢原子具有相同的化学 位移数值，在氢谱中它们之间的耦合裂分就不会反映出来； 反之，如果它们具有不同的化学位移数值，在氢谱中它们之 间的耦合裂分就会反映出来，而且由于它们仅相距两根化学 键，耦合常数为2J.
总之，无论是连接在同一个碳原子上的两个氢原子，还 是连接在同一个碳原子上的两个相同基团. 它们的化学位移 数值是否相等是不能简单地判定的.
核磁共振氢谱的主要参数有3个：化学位移、峰的裂分和偶合 常数J、峰面积. 核磁共振氢谱的横坐标是化学位移，也就是说化学位移是官能 团出峰位置的表征；核磁共振氢谱的纵坐标是谱峰的强度， 由于氢谱中的谱峰都有一定的宽度，因此以谱峰的面职的积分 数值来量度峰的大小. 从各峰组的积分数值比可以找到各峰组所对应的氢原子数目比. 如果测试的样品是混合物，用这种定量关系则可确定各组分的 定量比.
核磁共振氢谱解析
核磁共振氢谱解析
核磁共振氢谱（NMR）是一种分析有机分子结构的技术。
在该技术中，核磁共振仪会对样品中的氢原子进行激发，使其产生共振信号，然后测量该信号的频率和强度。
利用核磁共振氢谱技术可以确定分子中不同类型氢原子的相对数量和结构。
每种氢原子所产生的信号的位置、强度和形状均有所不同，可以通过与已知的标准进行比较，从而确定分子结构中每个氢原子的位置和数目。
在解析核磁共振氢谱时，可以通过以下步骤进行：
1. 确定信号的化学位移：信号的化学位移是指共振信号在谱图中所处位置的数值。
该数值可以通过将信号的频率与参考化合物的信号频率进行比较得出。
2. 确定信号的数量：每种不同类型的氢原子所产生的信号数量是确定的，可以通过比较谱图中各个信号的峰的面积或积分来确定每种氢原子的相对数量。
3. 确定信号的形状：不同类型氢原子产生的信号的形状可以有所不同，可能是单峰、双峰或多峰。
该信号形状可以提供分子结构的信息。
4. 确定化合物的结构：通过确定化学位移、数量和形状，可以确定化合物中氢原子的位置和数目，从而确定化合物的结构。
总之，核磁共振氢谱解析是一种能够确定有机分子结构的技术，对有机化学和药物化学等领域具有重要的应用价值。
核磁共振氢谱(1H NMR)
第二十二页，共53页。
c)围绕部分双键（受阻旋转）的互变 DMF:
第二十三页，共53页。
• 活泼氢的快速交换反应
分子中的-OH、-NH2、-SH和-COOH等活泼氢可在分子间进行快速交
换。
因此， 酸3
第四页，共53页。
-CH3 ，δ = 1.8，出现在高场 -CH2I，δ= 3.1, 出现在低场
第五页，共53页。
第六页，共53页。
• 判断下列化合物中Ha，Hb化学位移的大小
CH3 CH3 HC OC Hb
CH3 CH3 a
HH I C C Cl
HH ab
CH3CH2CH2I a bc
➢ 邻氯苯酚形成微弱的氢键δ 5.6~6.5，位移范围较宽，但
较苯酚的窄。
第四十二页，共53页。
d) 烯醇
➢ 普通酮类化合物，烯醇含量极少，呈现酮的吸收峰。 ➢ 乙酰丙酮，存在稳定的烯醇式，且室温下酮式和烯醇式
交换缓慢，观察到两种形式的NMR特征。 ➢ 2,3-丁二酮在谱图上只观察到酮式结构。但如下所示环状
➢ 巯基质子和烯醇质子并不与羧酸质子发生交换而观察到 各自的吸收峰。
第四十四页，共53页。
f) 氮原子上的质子
氮原子上质子的交换速率和14N核的电四极矩使谱图复杂。
➢ 交换快速时，NH表现为尖锐单峰，相邻CH上质子不被NH裂分
。大多数脂肪族胺属此种情况。δ= 0.5 ~ 3.0 ➢ 中等交换速率时，NH部分去耦表现为一个宽峰，但相邻CH上质
α-二酮只有稳定的烯醇式出现在NMR谱中。
第四十三页，共53页。
e) 羧酸
核磁共振氢谱
核磁共振氢谱
核磁共振氢谱（Nuclear Magnetic Resonance Hydrogen Spectrum）是一种用于分析和确定化合物结构的技术。
在核磁共振谱仪中，氢原子的核自旋和核磁矩与外加磁场相互作用，产生共振信号。
核磁共振氢谱通过测量氢原子的化学位移（Chemical Shift），研究化合物中氢原子的周围环境及化学结构。
化学位移是一个相对于参考标准（通常为四氢呋喃或二甲基硅烷）的数值，由ppm（部分百万）表示。
不同化学环境下的氢原子具有不同的化学位移，提供了有关它们周围结构的信息。
此外，核磁共振氢谱还提供了关于氢原子的耦合信息。
氢原子之间的耦合是由相邻氢原子间的相互作用引起的，称为耦合常数（Coupling Constants）。
通过分析这些耦合常数，可以确定化合物中各个氢原子的相对位置和它们之间的化学键。
核磁共振氢谱在有机化学、药物学、化学生物学等领域广泛应用，可以帮助确定物质的结构、研究反应机理、鉴定化合物等。
核磁共振氢谱
氢核处于一种低能级状态.
相反时m= -1/2时,
则处于一种高能级状态(E2=＋μz
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高能级与低能级的能量差△E应由下式定:
△E= E (-1/2)- E (+1/2) =(h/2)B0
式中: B0 外加磁场强度
磁矩与外加磁场相反 高能自旋取向 E2 = (+1/2)(h/2)B0 m = +1/2
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二、核磁共振仪
NMR波谱仪按照磁体分类，可分为：永久磁体，电
磁体和超导磁体。
按照射频频率(1H的共振频率)分类，可分为：60，
80，90，100，200，300，400，500，600，700，
900 MHz等。
按照射频源分类，又可以分为：连续波波谱仪(CWNMR)和傅里叶变换波谱仪(PFT-NMR)。
磁距与外加磁场一致 低能自旋取向 E1 = (-1/2)(h/2)B0 m = -1/2
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2.核磁共振
如果以射频照射处于外磁场H0 中的核,且照射频 率υ恰好满足下列关系时 hυ= △E 或 υ= ( /2)B0 处于低能级的核将吸收射频能量而跃迁至高能 级, 这种现象称为核磁共振现象。 由上式可知, 一个核的跃迁频率与磁场强度B0 成正比, 使1H 核发生共振，由自旋m = ½ 取向变成m = -1/2 的取向。应供给△E 的电磁波(射频)。照射频率 与外加磁场强度成正比。
于是得到:
为了使δ所得的数字易读易写,把δ乘以10-6 , δ =（υ样 - υ标） /υ标× 106
δ的单位为 ppm，以此得到的化学位移与仪器条件无
关。
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例如, 用60兆周和100兆周(100MHz)仪器测得的同一
样品化学位移值相同,一般以标准峰(TMS)为原点(δ等
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核磁共振的条件: Δ E = h v迴= h v射= h BO /2π 或 v射= v迴= BO /2π
射频频率与磁场强度Bo是成正比的，在进行核磁共振 实验时，所用的磁强强度越高，发生核磁共振所需的 射频频率也越高。
要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
：
频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率 磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度 实际上多用后者。 各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各 种核的共振频率为：
发生器三者彼此互相垂直。
PFT-NMR谱仪
PFT-NMR谱仪与CW谱仪主要区别：信号观测系统，增加了脉冲程 序器和数据采集、处理系统。各种核同时激发，发生共振，同时 接受信号，得到宏观磁化强度的自由衰减信号（FID信号），通 过计算机进行模数转换和FT变换运算，使FID时间函数变成频率 函数，再经数模变换后，显示或记录下来，即得到通常的NMR谱 图。 FT-NMR谱仪特点： 有很强的累加信号的能力，信噪比高（600：1），灵敏度高， 分辨率好（0.45Hz)。可用于测定1H, 13C, 15N ,19F, 31P等核的一维 和二维谱。可用于少量样品的测定。
NMR Lock Solvents Acetone Chloroform Dichloro Methane Methylnitrile Benzene Water Diethylether (DEE) Dimethylether (DME) CD3COCD3 CDCl3 CD2Cl2 CD3CN C6D6 D2O (CD3CD2)2O (CD3)2O
• • • • 原子核的磁矩 自旋核在磁场中的取向和能级 核的回旋和核磁共振 核的自旋弛豫
原子核的自旋、磁矩
• 质量数与电荷数均为双数，如C12，O16，没有 自旋现象。I=0 • 质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I 为半整数，1/2，3/2，5/2…… • 质量数为双数，但电荷数为单数，如H2 ，N14 ， I为整数，1，2…… • I为自旋量子数
化学等价质子与化学不等价质子的判断
Cl C Cl A Ha Br E Hb Br C Hb Cl B O Br C Cl F a CH 3 b H3C C OCH 3 CH 3 J Ha Hb Hc K Hb Ha Ha Cl C Hb Ha H3C a C Ha Hb CH 3 CH 3 G NO 2 Ha Hb Cl C Hc I C Hb Ha Cl Ha H3C CH C CH 3 Hb L Cl Hb H H3C H3C O CH 3 b Cl Hb D Ha Ha Cl CH 3
磁体：提供强而均匀的磁场
样品管：直径4mm, 长度15cm,质量均匀的玻璃管 射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品
扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供一个附加可
变磁场，用于扫描测定 射频接受器 ：用于探测NMR信号，此线圈与射频发生器、扫描
09 08 07 06 部东 部西 部北 05 04 03 02 01 度季四第 度季三第 度季二第 度季一第 0
原子核的进动
在磁场中，原子核的自旋取向有2I+1个。各个取向由一个自旋量子 数m表示。
磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯
N
2 H0 H0
自旋角速度ω，外磁场H0，进动频率ν
共振条件
原子核在磁场中发生能级分裂，在磁场的垂直方向上加小交变电场， 如频率为v射，当v射等于进动频率ν ，发生共振。低能态原子核吸收 交变电场的能量，跃迁到高能态，称核磁共振。
I=n/2 n = 0 , 1 , 2 , 3 ---（取整数）
一些原子核有自旋现象，因而具有角动量，原子核是带电的粒 子，在自旋的同时将产生磁矩，磁矩和角动量都是矢量，方向是 平行的。 哪些原子核有自旋现象？ 实践证明自旋量子数I与原子核的质量 数A和原子序数Z: A Z I 自旋形状 NMR信号 原子核 12C,16O, 偶数 偶数 0 无自旋现象 无 32S, 28Si, 30Si 1H, 13C, 奇数 奇数或偶数 1/ 2 自旋球体 有 15N, 19F, 31P 奇数 奇数或偶数 3/2, 5/2,--- 自旋惰球体 有 11B,17O,33S,35Cl,79Br,127I 2H, 10B, 偶数 奇数 1, 2, 3, --- 自旋惰球体 有 14N
N,N-Dimethylformamide (DMF)
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) Ethanol Methanol
(CD3)2NCDO
CD3SOCD3 CD3CD2OD CD3OD
Tetrehydrofuran (THF)
Toluene
C4D8O
C6D5CD3
Pyridine
能级分裂
两种取向代表两个能级，m=-1/2能级高于m=1/2能级。
E
N
H 0 2 N H 0
核的回旋和核磁共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场BO中，由于核自身的旋 转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的 作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋， 这种运动称为Larmor进动。
第三章 核磁共振氢谱
1. 核磁共振的基本原理 2. 核磁共振仪与实验方法 3. 氢的化学位移 4. 各类质子的化学位移 5. 自旋偶合和自旋裂分 6. 自旋系统及图谱分类 7. 核磁共振氢谱的解析
前言
过去50年，波谱学已全然改变了化学家、生物学家和 生物医学家的日常工作，波谱技术成为探究大自然中 分子内部秘密的最可靠、最有效的手段。NMR是其中 应用最广泛研究分子性质的最通用的技术：从分子的 三维结构到分子动力学、化学平衡、化学反应性和超 分子集体、有机化学的各个领域。 1945年 Purcell（哈佛大学） 和 Bloch（斯坦福大学） 发现核磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖 1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关 系 1953年 Varian公司试制了第一台NMR仪器
化学等价质子与化学不等价质子的判断
• --- 可通过对称操作或快速机制（如构象转换） 互换的质子是化学等价的。 • --- 不可通过对称操作或快速机制（构象转换） 互换的质子是化学不等价的。 • --- 与手性碳原子相连的 CH2 上的两个质子是 化学不等价的。
对称轴旋转 对称操作 其他对称操作 （如对称面） 对映异位质子 等位质子 化学等价质子 非手性环境为化学等价 手性环境为化学不等价
AB BC
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核磁共振波谱的测定
• • 样品：纯度高，固体样品和粘度大液体样品必须溶解。 溶剂：氘代试剂(CDCl3, C6D6 ,CD3OD, CD3COCD3, C5D5N ) • 标准：四甲基硅烷 (CH3)4Si ，缩写：TMS 优点：信号简单，且在高场，其他信号在低场， 值为正值；沸点低（26。5 C)，利于回收样品； 易溶于有机溶剂；化学惰性 实验方法：内标法、外标法 此外还有：六甲基二硅醚（HMDC, 值为0.07ppm), 4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠（DSS, 水溶性，作为极性化合物的内标， 但三个CH2的 值为0.5~3.0ppm,对样品信号有影响）
Boltzmann分布
• 在质子群中处于高低能态的核各有多少？
• 在绝对温度0度时，全部核处于低能态 • 在无磁场时，二种自旋取向的几率几乎相等 • 在磁场作用下，原子核自旋取向倾向取低能态，但室温时热能比 原子核自旋取向能级差高几个数量级，热运动使这种倾向受破坏， 当达到热平衡时，处于高低能态的核数的分布服从Boltzmann分 布：
Br CH 3
核磁共振仪
分类：按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁场 按交变频率分：40 ，60 ，90 ，100 ， 200 ，500，--，800 MHZ（兆赫兹），频率越高，分辨率越高
按射频源和扫描方式不同分：连续波NMR谱仪（CW-NMR)
脉冲傅立叶变换NMR谱仪(FT-NMR) NMR仪器的主要组成部件：
• 驰豫过程可分为两种类型：自旋-晶格驰 豫和自旋-自旋驰豫。
驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程
• 自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能 量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率 1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。 • 自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量 平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变， 速率1/T2，T2为自旋自旋时间。 • 驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫 时间成反比。 • 饱和：高能级的核不能回到低能级，则NMR信号 消失的现象。
Cyclohexane
C5D5N
C6H12
图3-5 乙醚的氢核磁共振谱
3. 氢的化学位移
• 原子核由于所处的化学环境不同，而在不同的共振磁场下显示吸 收峰的现象。
化学等价
• 分子中若有一组核，其化学位移严格相等， 则这组核称为彼此化学等价的核。例如 CH3CH2Cl中的甲基三个质子，它们的化学 位移相等，为化学等价质子，同样亚甲基 的二个质子也是化学等价的质子。
化学等价
处于相同化学环境的原子 — 化学等价原子
化学等价的质子其化学位移相同，仅出现一组 NMR 信号。
化学不等价的质子在 NMR 谱中出现不同的信号 组。
例1：CH3-O-CH3 例2：CH3-CH2-Br 例3：(CH3)2CHCH(CH3)2 例4：CH3-CH2COO-CH3 一组NMR 信号 二组NMR信号 二组NMR 信号 三组NMR 信号
按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁 按交变频率分：40兆，60兆，90兆，100兆，220兆，250兆，300兆 赫兹…… 频率越高，分辨率越高
2. 核磁共振仪与实验方 法
交变频率与分辨率的关系
Nuclei