核磁共振基本知识

天然有机化合物波谱解析

苏艳芳

yfsuphd@

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�第一章核磁共振谱

�第一节：核磁共振基本知识

�第二节：氢谱

�第三节：碳谱和DEPT谱

�第四节：二维谱（HMQC、COSY、HMBC等）

�第五节：综合练习

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第一节核磁共振基本知识

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1924年：Pauli预言了NMR的基本理论,即,有些核同

时具有自旋和磁量子数,这些核在磁场中会发生分裂；

1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的

Bloch各自首次发现并证实NMR现象,并于1952年分享了

Nobel奖；

1953年：Varian开始商用仪器开发,并于同年制作了第

一台高分辨NMR仪；

1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有

影响,而这一影响与物质分子结构有关。

1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化（早期多

使用的是连续波NMR 仪器）。

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有多位著名科学家因从事NMR或与NMR 有关的研究而获得诺贝尔奖。

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6Edward Mills Purcell, Harvard University

Cambridge, MA, USA

Felix Bloch ，Stanford University

Stanford, CA, USA The Nobel Prize in Physics 1952:

首次观测到宏观物质核磁共振信号。

7 著名的物理学家、教育家、中国核科

技教育主要奠基人之一、北京大学教授、

中国共产党党员。核磁共振化学位移和J 耦

合的发现者之一。

虞福春(1914---2003)，1936年毕业于

北京大学物理系；随后在上海的中央研究

院物理研究所工作。1939年9月至1946年4

月在西南联大物理系工作。1946年至美国

俄亥俄州立大学物理系攻读博士学位，于

1949年6月获博士学位；接着到斯坦福大学

物理系做博士后研究工作，在核磁共振研

究领域取得了重大科研成就，载入二十世

纪科技发展史册。1949年他在布洛赫教授

(F. Bloch ，因发现核磁共振获诺贝尔物理

奖)支持和另一位博士后普洛克特

(WG ．Proctor)合作下发现了核磁共振化学

位移效应和自旋耦合分裂效应，为核磁共

振谱学奠定了基础。1996年在美国举行国

际核磁共振发现五十周年庆祝大会，特地

专函邀请他参加，再次高度评价此项发现。

1950：W.G.Proctor 和当时旅美学者虞福春发现NH 4NO 3中14N 的共振谱线为两条，

说明同一核在不同化学环境会表现出不同的核磁共振信号（化学位移δ不同）。

The Nobel Prize in Chemistry 1991

瑞士科学家

Richard R.

Ernst ，发

明了傅立叶

变换核磁共

振分光法和

二维及多维

的核磁共振

技术。

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The Nobel Prize in Chemistry 2002

Kurt W Wüthrich

�Kurt

“for his development

of nuclear magnetic

resonance

spectroscopy for

determining the three-

dimensional structure

of biological

macromolecules in

solution”

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自1953年出现第一台核磁共振商品仪器以来，核磁共振在仪器、实验方法、理论和应用等方面有着飞跃的进步。

谱仪频率已从60 、80、90、100MHz

（continuous wave, CW，连续波谱仪）

发展到300、400、500、600、900 MHz

（pulse-Frourier tansform，脉冲-傅里叶变换）。

随着多种脉冲序列的采用，所得谱图已从一维谱到二维谱甚至更高维谱。总而言之，核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一。

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Fourier 变换NMR谱仪示意图。磁体用液氦外包液氮冷却

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1. 核磁共振的产生

核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核。

只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。原子核的自旋运动与自旋量子数I 相关，I=0的原子核没有自旋运动。I≠0的原子核有自旋运动。

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原子核可按I 的数值分为以下三类：

（１）中子数、质子数均为偶数，则I=0，如12C,16O,32S。 （２）中子数与质子数其一为偶数，另一为奇数，则I 为半整数，如

I=1/2：1H、13C、15N、19F、31P、37Se。

I=3/2： 7Li、9Be、11B、33S、35Cl、37Cl等；

I=5/2： 17O、25Mg、27Al、55Mn等；

以及I=7/2、9/2等。

（３）中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如2H(D)、6Li、14N等I=1；58Co，I=2；10B，I=3。

其中，I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。

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