核磁共振谱光谱
核磁共振谱光谱解读
第八章核磁共振谱光谱学习要求：1、学会如何借助光学技术来分析化合物的结构。
2、掌握谱图分析，了解各种质子化学位移的位置。
3、知道影响化学位移的因素。
由上面的讨论可知，对于一个未知物，红外光谱可以迅速地鉴定出未知物分子中具有的哪些官能团，能指出是什么类型的化合物，但它难以确定未知物的精细结构。
自20世纪50年代中期，核磁共振技术开始应用于有机化学，对有机化学产生了巨大的影响，已发展成为研究有机化学最重要的工具之一，成为有机化合物结构测定不可缺少的手段。
8.1基本原理（1）核磁共振现象核磁共振是由原子核的自旋运动引起的。
不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。
核的自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在着一定的关系：当原子的质量数和原子序数两者之间是奇数或两者均为奇数时，I≠0，该原子核就有自旋现象，产生自旋磁矩。
如等。
当原子的质量数和原子序数均为偶数时，I=0，原子核不能产生自旋运动，也没有磁矩，如等。
当I≠0的原子核置于一均匀的外磁场（H O）中时，核的自旋具有（2I+1）个不同的取向。
对于氢原子核（I=1/2），其自旋产生的磁矩在外磁场中可有两种取向：一种是与外磁场方向相同，称为顺磁取向。
该取向的磁量子数m=+1/2,或用α表示。
另一种是与外磁场方向相反，称为反磁取向。
该取向的磁量子数m=-1/2，或用β表示。
反磁取向的能量较顺磁取向的能量高，这两种取向的能量差⊿E与外加磁场的强度成正比。
⊿E=式中h为普朗克常量，γ为核常数，称为核磁比。
对于氢原子，γ=26750。
以上关系如图9-28所示。
不过即使在很强的外加磁场中，⊿E数值也很小。
对于氢原子核，当H0=14092G（高斯，1G=10-4T）时，⊿E仅为2.5×10-5kJ/mol,当H0=23468G时，⊿E约为4×10-5kJ/mol,相当于电磁波谱中射频区的能量。
若外界提供电磁波，其频率适当，能量恰好等于核的两个自旋能级之差，hγ=⊿E则此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，发生核磁共振吸收。
核磁共振波谱与紫外可见光谱及红外光谱的区别解读
核磁共振波谱与紫外可见光谱及红外光谱的区别
核磁共振波谱与紫外可见光谱及红外光谱的主要不同有两点：
①照射频率不同，引起的跃迁类型也不同。
紫外可见吸收光谱是分子吸收200～700nm的电磁波，主要是引起价电子（最外层电子）能级发生跃迁。
红外光谱是分子吸收2.5～50um（2500～50000nm）的电磁波，引起分子的振动-转动能级发生跃迁。
核磁共振波谱则是在外磁场下，吸收60cm～300m的电磁波，引起原子核的自旋能级发生跃迁。
②测定方法不同。
紫外和红外等一般光谱是通过测定不同波长下的透光率（T%=出射光强/入射光强）来获得物质的吸收光谱。
这种方法只适用于透过光强度变化较大的能级跃迁。
60cm～300m的电磁波穿透力很弱，故核磁共振无法通过测定透光率来获得核磁共振光谱，它是通过“共振吸收法”来测定核磁共振信号的。
共振吸收法是指：在一定磁场强度下，原子核在一定频率的电磁波照射下发生自旋能级跃迁时引起核磁矩方向改变进而产生感应电流，通过放大、记录此感应电流便得到核磁共振信号。
依次改变磁场强度（或电磁波的照射频率）使满足不同化学环境核的共振条件，收集共振引起的磁感应信号，经过数学处理，就获得核磁共振波谱图。
核磁共振谱、红外光谱和质谱
② 结构对化学位移的影响 芳环,双键和叁键化合物的各向异性. 芳环,双键和叁键化合物的各向异性.
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a. 芳环
苯环的电子在外加磁场影响下, 苯环的电子在外加磁场影响下,产生一 个环电流,同时生成一个感应磁场, 个环电流,同时生成一个感应磁场,感 应磁场方向在环内与外加磁场相反, 应磁场方向在环内与外加磁场相反,在 环外与外加磁场同向. 环外与外加磁场同向.苯环上的质子在 环外,处于去屏蔽区,因此, 环外,处于去屏蔽区,因此,苯环上的 质子出现在低场,化学位移 值较大 值较大, 质子出现在低场,化学位移δ值较大,
12
假定核磁共振仪所用的射频固定在60MHz,慢慢改变 , 假定核磁共振仪所用的射频固定在 外加磁场强度,使其略有增加, 外加磁场强度,使其略有增加,当增加到一定程度 时,独立质子的 hν = r h H 2π o 此时发生共振(自旋转向),产生共振信号. ),产生共振信号 此时发生共振(自旋转向),产生共振信号.而有机 分子中的质子,由于屏蔽效应, 分子中的质子,由于屏蔽效应,必须在外加磁场强度 略大于H 时才发生共振. 略大于 o时才发生共振. 即屏蔽使吸收移向高场.去屏蔽使吸收移向低场. 即屏蔽使吸收移向高场.去屏蔽使吸收移向低场. 有屏蔽 无屏蔽 低磁场
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原子核作为带电荷的质点,它自旋也可产生磁矩. 原子核作为带电荷的质点,它自旋也可产生磁矩. 但并非所有原子核都具有磁炬. 但并非所有原子核都具有磁炬. 例:下面一些原子核自旋产生磁矩: 下面一些原子核自旋产生磁矩:
1H 13C 15N 17O 19F 31P等. 等
有机化合物主要由碳,氢两种元素组成,现以氢为例说 有机化合物主要由碳,氢两种元素组成, 明核磁共振的基本原理. 明核磁共振的基本原理.
核磁共振光谱NMR在化学成分分析上的作用
核磁共振光谱NMR在化学成分分析上的作用陈老师（浙大国家大学科技园,杭州哲博化工科技有限公司哲博检测，Email:zhebocs@，杭州310023）在各种各样的化学分析仪器中，核磁共振谱仪被公认为是一种非常重要的研究和测试工具，它的许多功能是其它手段无法代替的。
核磁共振谱仪可以给出小到原子核在分子中的精确位置及其周边环境的微小变化，大到整个人体的断层成像等具有丰富内涵的信息。
被广泛用于工业、农业、化学、生物、医药、地球科学和环境科学等领域。
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学F.Block和哈佛大学E.M.Purcell各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。
50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。
一、基本原理自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。
如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为ΔE = γhB0（1）其中：γ为旋磁比，h为约化普朗可常数，B0为稳恒外磁场。
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为hν（2）其中：ν为交变电磁场的频率。
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：hν = γh B0（3）2πν = γ B0（4）低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。
简单地说，核磁共振波谱法就是将自旋核放入磁场中，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱的实验方法。
二、实验方法1. 试样配制：取混合烃样0.05mL（约1滴液体试样）小心装入样品管中，加0.6mL氘代氯仿(含0.1％TMS)溶液，盖好盖子，振荡使试样完全溶解；将3种卤代烃溶液分别放入3根NMR管内。
2. 样品管的准备：将外壁擦拭干净的样品管套上磁子，并用量规调整好磁子位置。
3. 启动空压机；启动NMR操作软件。
核磁共振光谱的原理
核磁共振光谱的原理核磁共振光谱，简称NMR，是一种分析化学中常用的非破坏性技术。
它基于原子或分子的核磁共振现象，通过测量核磁共振信号的强度和频率，得到样品中不同核的化学环境及其数量等信息。
核磁共振光谱的原理主要涉及核磁共振现象、核自旋、磁共振现象等。
本文将对核磁共振光谱的原理进行详细解析。
一、核磁共振现象核磁共振现象是物理学中的一种现象，它是原子核的原子核磁矩与外加磁场相互作用的结果。
在外加磁场的作用下，原子核会处于能量较低的基态或者激发态，不同核在磁场下的能量差异和跃迁导致核磁共振现象的出现。
核磁共振现象的存在可以通过核磁共振光谱的测量得到。
二、核自旋核自旋是核磁共振现象的基础，也是核磁共振光谱的理论基础之一。
核自旋指的是原子核的一个固有性质，表示核内部的质子和中子的自旋状态。
核自旋量子数用I表示，同一个原子中不同核的I值不同，常见的有I=1/2（例如氢（1H）核）、I=1（例如碳（13C）核）、I=3/2（例如氟（19F）核）等。
三、磁共振现象磁共振现象指的是原子核在外加静磁场和射频磁场作用下发生共振吸收和发射。
在核磁共振实验中，样品被置于静磁场中，使核在基态或者激发态中占据不同的能级，在此基础上加上一个与原子核自旋固有方向针对性的高频交变电磁场，当外加磁场（静磁场）强度满足磁场共振条件时，核能够吸收或发射一定频率的电磁波。
这就是核磁共振信号，信号强度和频率与样品中核的数量和周围化学环境有关。
四、核磁共振谱核磁共振谱是一种通过核磁共振光谱技术得到的谱图，它是通过测量样品中核吸收或发射的共振信号所得到的。
核磁共振谱是一种通常用于分析样品组成的技术，可以用以确定分子中不同原子核的数量和化学环境，因此被广泛应用于化学、生化、药物学等领域。
根据谱图形状和位置等特征，可以进一步分析样品的结构和组成等信息。
五、结论核磁共振光谱是一种利用原子核磁共振现象、核自旋、磁共振现象等原理得到的分析化学技术。
通过测量核磁共振信号的强度和频率等参数，可以得到样品中核的数量和化学环境等信息。
核磁共振波谱与紫外可见光谱及红外光谱的区别
核磁共振波谱与紫外可见光谱及红外光谱的区别核磁共振波谱与紫外可见光谱及红外光谱的主要不同有两点：①原理不同紫外可见吸收光谱是分子吸收200～700nm的电磁波，吸收紫外光能量，引起分子中电子能级的跃迁，主要是引起最外层电子能级发生跃迁。
红外光谱是分子吸收2.5～50um（2500～50000nm）的电磁波，吸收红外光能量，引起具有偶极矩变化的分子的振动、转动能级跃迁。
核磁共振波谱则是在外磁场下，吸收60cm～300m 的电磁波，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁。
②测定方法不同。
紫外和红外等一般光谱是通过测定不同波长下的透光率（T%=出射光强/入射光强）来获得物质的吸收光谱。
这种方法只适用于透过光强度变化较大的能级跃迁。
60cm～300m的电磁波穿透力很弱，故核磁共振无法通过测定透光率来获得核磁共振光谱，它是通过“共振吸收法”来测定核磁共振信号的。
共振吸收法是指：在一定磁场强度下，原子核在一定频率的电磁波照射下发生自旋能级跃迁时引起核磁矩方向改变进而产生感应电流，通过放大、记录此感应电流便得到核磁共振信号。
依次改变磁场强度（或电磁波的照射频率）使满足不同化学环境核的共振条件，收集共振引起的磁感应信号，经过数学处理，就获得核磁共振波谱图。
③谱图的表示方法不同：紫外谱图的表示方法：相对吸收光能量随吸收光波长的变化。
红外谱图的表示方法：相对透射光能量随透射光频率变化。
核磁谱图的表示方法：吸收光能量随化学位移的变化。
④提供的信息不同：紫外提供的信息：吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中不同电子结构的信息。
红外提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率。
核磁提供的信息：峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息。
核磁共振谱的优缺点：优点：(仪器的灵敏度和分辨率非常高，较容易解析NMR图(随着计算机技术的应用，多脉冲激发的方法的采用及由此产生的二维谱图、多维谱图等许多新技术，是许多复杂化合物的结构测定引刃而解，NMR可以说是化学研究中最有力的武器之一。
核磁共振光谱 NMR光谱
经典力学和量子力学模型都说明：
并非所有的核都有自旋，在外加磁场中发生能级分裂！
a) I=0的原子核没有自旋现象。
b) I=整数，该类核有自旋，但NMR复杂，通常不用于
NMR分析。如2H，14N等。 c) I=半整数，可以用于NMR分析，特别是I=1/2的核如
1H，13C。
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。 当置于外加磁场H0中时， 相对于外磁场，可以有 （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ｍ＝＋1/2; (2)与外磁场相反，能量高， 磁量子数ｍ＝－1/2;
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，C，H也是有 机化合物的主要组成元素。
原子核的量子力学模型 带电原子核自旋 磁场 磁矩(沿自旋轴方向)
1H 1
磁矩的大小值。 如1H： = 26.752； 13C： = 6.728 ，单位：107rad.T-1.S-1
会造成什么后果？
随实验进行，低能级核越来越少，最后高、低能级上的 核数目相等--------饱和-----从低到高与从高到低能级的 跃迁的数目相同---体系净吸收为0-----共振信号消失！ 幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！
因为有弛豫 弛豫 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到 低能态的过程称为弛豫。
Boltzmann分布。否则饱和现象容易发生
低能态重建Boltzmann分布。
两种弛豫过程：
N h N + R elaxation
红外光谱与核磁共振光谱
单色器：把通过试样池和参比池而进入入射狭缝的复
合光散射成单色光，再投射到检测器上进行测量。色
散元件为棱镜或光栅。
检测器 ：检测器的作用是接收红外辐射并使之转换成电
信号。
常用的有三种：真空热电偶、高莱池和电阻测辐射热计。
IR与UV的主要区别：
(1)IR谱仪的试样放在光源与单色器之间，而UV的试
样放在单色器之后、检测器之前。
定性好，均匀，不均匀性小于六千万
分之一。扫场线圈。
2 ．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。
3 ．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，
中红外光谱法又简称为红外光谱法。
认识IR
T透过率
红外吸收光谱一般用T~曲线或T~ 波数曲线表
示。纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，
向上则为谷；横坐标是波长（单位为µm ），或波
数（单位为cm-1）。中红外区的波数范围是4000 ~
400 cm-1 。
二、红外光谱法的特点
➢分子的振动、转动光谱
➢吸收能量较低，波长范围在红外区的电磁波
➢分子不产生电子能级的跃迁
➢只产生分子的振动和转动
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特
别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要
研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物，几乎所有
的有机化合物在红外光谱区均有吸收。凡是具有结构
不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。
在4000~1300cm-1 区域内有一个明显的特点，即每一
个吸收峰都和一定的官能团相对应，而且有机化合物
分子中的一些主要官能团的特征吸收，多发生在这个
核磁共振光谱原理
核磁共振光谱原理核磁共振（NMR）光谱是一种非常重要的分析技术，广泛应用于化学、生物化学、生物医学、化学工程、材料科学等领域。
核磁共振光谱可以用来研究分子的结构、动力学、反应机理、动力学和热力学性质等，并且已经成为现代分析化学的重要工具。
核磁共振光谱基于磁共振原理，即核磁矩在外部磁场中的取向受到外部磁场对它的取向的作用而发生变化。
当处于一个静态高强度的外部磁场中时，核自旋可以发生两种取向：平行或反平行于外磁场方向，这种取向状态被称为核自旋磁量子数。
当一个核检测到一个外部射频脉冲时，这个脉冲的射频能量将会抵消相邻核的磁性相互作用，从而导致这些核的共振频率被准确测定。
核磁共振光谱通常使用氢、碳、氧等核的磁共振来进行分析，因为这些原子在大多数有机和生物分子中都是丰富的。
在分析中，样品通常是通过将其溶解在有机溶剂中，并在核磁共振仪内通过一个探头进行检测得到的。
探头包含一个产生高强度的外部磁场的磁铁圆筒，一个产生射频脉冲的射频发生器和一个接收机来检测并记录反馈信号。
核磁共振光谱的光谱图通常展示了核的吸收峰或信号，这些峰或信号与特定的核自旋产生的共振频率有关。
通过测量这些峰的位置、积分强度和形状，分析人员可以确定样品分子的结构和相对数量。
氢核的化学位移可以由环境的埃及螺旋度和磁场大致相互作用的变化来解释。
核磁共振光谱在现代分析化学和其他领域中的广泛应用，使其成为一种非常重要的分析工具。
在化学和生物化学方面，核磁共振光谱可以用于确定新物质的结构和合成过程中的反应，从而帮助理解生命过程中的化学反应。
在生物医学和化学工程方面，核磁共振光谱可以用于定量分析和疾病诊断。
在材料科学中，核磁共振光谱可以用于研究材料的结构和特性，并有助于合成新材料。
核磁共振光谱由于其独特的分析能力和广泛的应用领域，已成为现代分析化学的重要工具。
通过使用核磁共振光谱，化学家、生物化学家、生物医学家、化学工程师和材料科学家等研究人员可以更好地理解分子的结构和特性，从而推动化学、生物学、医学和工程学的研究。
核磁共振光谱NMR光谱
弛豫可分为纵向弛豫和横向弛豫。
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纵向弛豫：
处于高能级的核将其能量及时转移给周围分子骨架(晶格)
中的其它核，从而使自己返回到低能态的现象。又称自旋
-晶格弛豫。
其半衰期用T1表示
横向弛豫： 当两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同时，高 能级核与低能级核通过自旋状态的交换而实现能量转移 所发生的弛豫现象。又称自旋-自旋弛豫。
N NH i N NL
j
E
h
e kT e kT
通 过 计 算 ， 在 常 温 下 ， 1H 处 于 B0 为 2.3488T的磁场中，处于低能级的1H 核数目仅比高能级的核数目多出百万 分之十六！
会造成什么后果？
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随实验进行，低能级核越来越少，最后高、低能级上的 核数目相等--------饱和-----从低到高与从高到低能级的 跃迁的数目相同---体系净吸收为0-----共振信号消失！
问世，NMR开始广泛应用
4
第二阶段 70年代：Fourier Transform的应用
13C-NMR技术（碳骨架） （GC，TLC，HPLC技术的发展） 第三阶段 80年代：Two-dimensional (2D) NMR诞生 （COSY，碳骨架连接顺序，非键原 子间距离，生物大分子结构，……）
5
这个过程称之弛豫过程(Relaxation),即 高能态的核以非辐射的形式放出能量回到 低能态重建Boltzmann分布。
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两种弛豫过程：
N
h
Relaxation
N+
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谱线宽度
据Heisenberg测不准原理，激发能量E与体系处于激发态的平均时 间(寿命)成反比，与谱线变宽成正比，即：
核磁共振光谱法
核磁共振光谱法
第15页
（二）脉冲傅里叶变换核磁共振波谱(PFT-NMR)
CW-NMR采取是单频发射和接收方式，在某一时刻内， 只能统计谱图中很窄一个别信号，即单位时间内取得信息很 少,对于低浓度及信号强度弱试样（如13C）测定灵敏度低。
电负性对化学位移影响
CH3Si(CH3)3 ， CH 3-H， CH3-N ， CH3-Br，
0
0.2
2.2
2.7
CH3-C1， CH3-OH ， CH3-NO2 CH2Cl2
3.0
3.2
4.3
5.3
核磁共振光谱法
第25页
（2） 磁各向异性效应
磁各向异性效应是因为置于外加磁场中分子所产生感 应磁场，使分子所在空间出现屏蔽区和去屏蔽区，造成 不一样区域内质子移向高场和低场。各向异性效应经过 空间感应磁场起作用，包括范围大，所以又称远程屏蔽。
（一）连续波核磁共振
磁铁
谱仪(CW-NMR) ：
由磁铁、磁场扫描发生
器、射频发生器、射频
接收器及信号统计系统
等组成
核磁共振光谱法
第13页
1、 磁铁与磁场扫描发生器
磁铁质量和强度决定了核磁共振波谱仪灵敏度和分辨率。
灵敏度和分辨率随磁场强度增加而增加。
对磁场要求：均匀性、稳定性及重现性必须十分良好。
磁铁类型：永久磁铁、电磁铁以及超导磁铁。
核磁共振光谱法
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2、射频发射和接收器
核磁共振光谱 作用
核磁共振光谱作用
核磁共振光谱是一种分析化学技术，用于研究分子的结构和化学性质。
它基于核磁共振现象，通过检测原子核在磁场中的共振吸收来提供有关分子结构和动态的信息。
以下是核磁共振光谱的一些主要作用：
1. 分子结构的确定：核磁共振光谱可以提供关于分子中原子的化学环境和键的信息。
通过分析光谱中的化学位移、耦合常数和峰的形状等参数，可以推断出分子的结构，包括官能团的存在、化学键的类型以及立体构型等。
2. 纯度和成分分析：核磁共振光谱可以用于确定混合物中不同成分的存在和相对数量。
通过比较光谱中各个峰的强度，可以推断出混合物中各个成分的比例。
3. 动力学研究：核磁共振光谱可以用于研究分子的动态过程，如分子内的旋转、化学键的振动和化学反应的速率等。
通过监测光谱中峰的变化，可以获取有关分子运动和反应机制的信息。
4. 聚合物研究：核磁共振光谱在聚合物领域有广泛应用，可以分析聚合物的结构、分子量分布、立构规整性以及聚合物链的动力学等。
5. 药物研发：核磁共振光谱在药物研发中用于药物分子的结构鉴定、纯度分析和药物代谢产物的研究。
【2024版】核磁共振光谱基本原理及实验操作
E=-μHHo
HO为外加磁场强度，μH为磁矩在外磁场方向的分量，μH=mh/2,所以
E=-mh/2Ho
由于自旋核在外磁场中有（2I+1）个能级，这说明自旋原子核在外加磁场中的能量是量子化的，不同能级之间的能量差为△E。根据量子力学选率，只有△m=±1的跃迁才是允许的，则相邻能级之间跃迁的能极差为
△E=△mh/2Ho
4核磁共振的产生
4.1拉莫尔进动
如图3-1所示，在外加磁场Ho中，自旋核绕自旋轴旋转，而自旋轴与磁场Ho又以特定夹角绕Ho旋转，类似一陀螺在重力场中运动，这样的运动称为拉莫尔进动。进动频率（又称拉莫尔频率）由下式算出
Wo=20=H0
而自旋角动量是量子化的，其在磁场方向的分量Pz和磁量子数（m）关系为Pz=mh/2,因为m共有2I+1个值，与此相应，Pz也有2I+1个值，与此相对应自旋核在z轴上的磁矩：
R为照射线圈，提供一定频率的电磁波；Helmholtz线圈为扫场线圈，其通直流电所产生的附加磁场用以调节磁场的强度；D为接收线圈，与放大器和记录系统相连。这三组线圈互相垂直，互不干扰。若所提供的照射频率和磁场强度满足某种原子核的共振条件时，则该核发生能级跃迁，核磁矩方向改变，在接收线圈D中产生感应电流（不共振时无感应电流）。感应电流被放大、记录，即得核磁共振信号。
什么是核磁共振光谱
什么是核磁共振光谱
核磁共振光谱（NMR Spectroscopy）是研究原子核在磁场中的行为，并利用核磁共振现象进行分析的一种光谱技术。
在核磁共振中，样品置于强大的磁场中，通常是一个超导磁体。
然后，通过施加射频脉冲，原子核可以被激发到高能级。
当核自旋返回到低能级时，会发射出特定的射频信号。
这些信号被接收和分析，以获取关于样品中原子核类型、数量和化学环境的信息。
NMR可以提供多种光谱信息，其中最常见的是质子核磁共振（1H NMR）。
1H NMR用于确定有机化合物中氢原子的位置和数量，因为氢是最常见的原子之一，并且对于化学结构的解析非常重要。
此外，还有碳-13核磁共振（13C NMR）用于分析有机化合物中的碳原子，以及其他一些核素（如氮-15、氧-17等）的核磁共振谱。
NMR技术在化学、生物化学、药物研发、材料科学等领域具有广泛的应用。
核磁共振光谱(NMR)
4、氢键效应
分子形成氢键后，使质子周围电子云密度降低，产生
去屏蔽作用而使化学位移移向低场。
例如，一化合物其结构可能为（1）、（2）或（3），又 知 它 的 两 个 羟 基 氢 的 化 学 位 移 测 定 值 分 别 为 δ10.5 和 δ5.2 ，试问其结构为哪一种?
2、原子核的磁矩
原子核是带正电荷的粒子，当作自旋运动时，会产生 循环电流，也就会产生磁场，用磁矩μ来表示这种磁性质， 其大小与角动量 P 成正比。
P
称为磁旋比，是原子核的重要属性。
二、自旋核在磁场中的行为
无外磁场时，原子核的自旋取向是任意的，但有外磁场 存在时，原子核就会相对于外磁场发生自旋取向。按照量子 力学理论，核的自旋取向数为：
的绝对值为：
P h I (I 1)
2
式中，P 为核自旋角动量的最大可观察值，I 为核自旋量 子数，h 为普朗克常数。
核自旋量子数与原子量与原子序数有关，详见下表。
I = 0 的核没有自旋现象，不产生 NMR 信号；I＞1/2 的核，有电四极矩，不适于 NMR 研究； I = 1/2 的核，其 电荷呈球形发布，是 NMR 中最主要的研究对象，尤以 1H1 和 13C6 核研究的最多。
OH COOC2H5
OH
HO
COOC2H5
COOC2H5
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磁的各向异性效应是通过空间传递的。在氢谱中，这种 效应很重要。
① 叁键的磁的各向异性效应
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第八章核磁共振谱光谱学习要求：1、学会如何借助光学技术来分析化合物的结构。
2、掌握谱图分析，了解各种质子化学位移的位置。
3、知道影响化学位移的因素。
由上面的讨论可知，对于一个未知物，红外光谱可以迅速地鉴定出未知物分子中具有的哪些官能团，能指出是什么类型的化合物，但它难以确定未知物的精细结构。
自20世纪50年代中期，核磁共振技术开始应用于有机化学，对有机化学产生了巨大的影响，已发展成为研究有机化学最重要的工具之一，成为有机化合物结构测定不可缺少的手段。
8.1基本原理（1）核磁共振现象核磁共振是由原子核的自旋运动引起的。
不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。
核的自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在着一定的关系：当原子的质量数和原子序数两者之间是奇数或两者均为奇数时，I≠0，该原子核就有自旋现象，产生自旋磁矩。
如等。
当原子的质量数和原子序数均为偶数时，I=0，原子核不能产生自旋运动，也没有磁矩，如等。
当I≠0的原子核置于一均匀的外磁场（H O）中时，核的自旋具有（2I+1）个不同的取向。
对于氢原子核（I=1/2），其自旋产生的磁矩在外磁场中可有两种取向：一种是与外磁场方向相同，称为顺磁取向。
该取向的磁量子数m=+1/2,或用α表示。
另一种是与外磁场方向相反，称为反磁取向。
该取向的磁量子数m=-1/2，或用β表示。
反磁取向的能量较顺磁取向的能量高，这两种取向的能量差⊿E与外加磁场的强度成正比。
⊿E=式中h为普朗克常量，γ为核常数，称为核磁比。
对于氢原子，γ=26750。
以上关系如图9-28所示。
不过即使在很强的外加磁场中，⊿E数值也很小。
对于氢原子核，当H0=14092G（高斯，1G=10-4T）时，⊿E仅为2.5×10-5kJ/mol,当H0=23468G时，⊿E约为4×10-5kJ/mol,相当于电磁波谱中射频区的能量。
若外界提供电磁波，其频率适当，能量恰好等于核的两个自旋能级之差，hγ=⊿E则此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，发生核磁共振吸收。
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance）谱就是描述在不同电磁频率下的核磁共振吸收情况。
由上面的公式可得：bfsdjbchvbhsd从上式可看出，一个特定的核（γ=常数），只有一种共振频率能使核从低能级跃迁至高能级，发生核磁共振。
上式又叫共振条件。
例如1H，当H0=1.0×104G时，γ=100MHz。
而当H0=14092G时，13C和19F产生核磁共振所需要的频率分别为24.29和15.08MHz。
有机化学中研究得最多，应用得最广泛的是氢原子核（即质子1H）的核磁共振谱，又叫质子磁共振谱(Proton Magnetic Resonance),简写为PMR或1HNMR。
近年来13C的核磁共振谱（13CNMR）有较大的发展，限于篇幅，这里只介绍核磁共振氢谱（1HNMR）。
（2）核磁共振仪简介：图9-29为核磁共振仪示意图。
其核心部件是一个强度很大的磁铁，样品管放在磁铁两极之间，样品管周围为射频线圈。
其轴垂直于磁场方向，输入线圈的轴垂直输出线圈的轴。
因而三者相互垂直，互不干扰。
实现核磁共振的方法有两种：一是固定磁场H0，改变频率γ，这种方法叫扫频；另一是固定频率γ改变磁场H0，这种方法叫扫场。
一般的核磁共振仪中多用扫场的方法。
当磁场Ho和频率满足共振条件时，样品中的质子便发生能级跃迁，接收器就会收到信号，有记录仪记录下来。
实验室中常用的核磁共振仪有60MHz,90MHz,100MHz,220MHz,甚至可到400MHz。
（3）化学位移和屏蔽效应：按照上面的公式，在一固定的外加磁场（H0）中，1H核磁共振谱应该只有一个峰，即在处。
事实并非如此，例如乙醇的1HNMR中就有三个峰（图9-30）。
我们知道，有机化合物中的氢原子核与独立的质子不同，其周围还有电子。
在电子的影响下，它们发生核磁共振信号的位置与独立的质子不同。
这种原子核由于化学环境所引起的核磁共振信号位置的变化叫化学位移，它是核外电子云的屏蔽效应引起的。
所谓屏蔽效应，就是有机化合物分子中的氢核与独立质子相比较，由于分子中的电子对氢核有屏蔽作用，其核磁共振信号出现在高磁场。
电子在外加磁场中产生感应磁场，起感应磁场的方向与外加磁场相反，所以作用于原子核的磁场强度比外加磁场略小一些（图9-31）。
由于屏蔽效应，外加磁场的强度要略为增加，才能产生核磁共振信号。
显然，核周围的电子云密度越大，屏蔽效应亦愈大，共振信号将移向高磁场区。
核周围的电子云密度受到所连基团的影响，因此不同化学环境的核，它们所受的屏蔽作用不同，它们的核磁共振信号就出现在不同的地方。
这样就可以根据吸收峰的多少知道化合物中有多少不同环境的质子。
再根据峰的位置推测出是哪一类质子。
从乙醇（CH3CH2OH）的结构来看，它有三种不同的氢原子，它的1HNMR 应该有三组信号三个峰（如图9-30）。
由于屏蔽效应所造成的磁场强度的改变数量很小，通常难以准确地测出其绝对值，因此需要一个参考标准来对比。
常用的标准物质是四甲基硅烷，（CH3）4Si，简写为TMS，它只有一个峰，而且TMS中氢核所经受的屏蔽效应很高，一般质子的吸收峰都出现在它的左边—低场。
其他峰与四甲基硅烷峰之间的距离称为化学位移（chemical shift）,常用δ表示。
其定义为：样品质子吸收峰频率与TMS质子吸收峰频率之差与共振仪辐射频率之比。
因为由此所得数值很小，故乘以106，即以ppm为单位表示。
其中δ为样品的化学位移，γ为样品吸收峰的频率，γTMS为四甲基硅烷的吸收峰的频率，γo为核磁共振仪的辐射频率。
按IUPAC的建议，将TMS的δ值规定为0，其他质子的δ值应为负值，但文献中常将负号略去，改为正值。
因此δ值大的出现在低场，δ值小的出现在高场。
一般环境相同的质子，不论它在哪一个分子中，都有大致相同的化学位移。
表9-8列出了一些不同类型质子的化学位移。
表9-8 一些基团质子的化学位移δ值应用方便，对于分子中给定的氢与所用仪器的射频无关，均具有相同的数值。
除用δ度量外，化学位移亦可用τ表示，他们的关系如下：τ=10-δ（4）影响化学位移的因素影响化学位移的因素，即影响屏蔽效应的因素一般有以下几种：电子效应我们已经知道，由于氢核（质子）外面的电子围绕氢核运动而产生屏蔽效应，显然屏蔽效应的大小与核外电子密度有关，电子密度越高，屏蔽效应越大，质子在较高的磁场吸收。
当与质子相连的碳上连有电负性大的原子或官能团（例如卤素、硝基、氰基、羰基、烷氧基、氨基等）时，质子周围的电子密度减小，在较低的磁场发生吸收，例如：CH3-C：δ=0.9;CH3-N: δ=2.3;CH3-O-:δ=3.3。
同样在卤代烷中，甲基氢的化学位移δ随卤原子电负性的增大而增大。
如：ＣH4:δ=0.9;CH3I: δ=2.2;CH3Br: =2.7;CH3-Cl: δ=3.1;CH3-F: δ=4.3。
而在CH4,CH3Cl,CH2Cl2,CHCl3系列中，δ=值随氢原子被氯取代的程度而增加（向低场移动），它们分别为：0.9,3.1,5.3和7.3ppm。
电负性大的原子（或基团）可以影响邻近质子的化学位移，但是当它们之间有碳原子将它们隔开时，影响减弱。
例如：ＣH3Cl: δ=3.1;CH3-C-Cl: δ=1.5;CH3-C-C-Cl: δ=1.0。
因此，我们通常只考虑相邻碳原子上的基团对化学位移的影响。
此外，烷烃中不同类型的氢原子的δ值按ＲＣＨ３、Ｒ２ＣＨ２、Ｒ３ＣＨ的顺序增加，即伯氢出现在高场，仲氢次之，叔氢出现在较低场。
碳的各向异向效应为什么乙烯性质子（δ＝4.5～5.9）、醛基质子（δ＝９～１０）和苯环质子（δ＝６.４～９.０）的δ值这么大？这是由于磁各向异性效应引起的。
由电子组成的化学键在空间形成小的磁场,它与化学键不对尘世,称为”各向异性”．当存在外场Ｈ０时，由于π电子比δ电子容易流动。
当它环流时就产生一个附加磁场（诱导磁场），其磁力线的方向在双键中间与外加磁场的方向相反（屏蔽区域），而在双键质子处与外加磁场相同（去屏蔽区域），是双键上的质子可以在较低场发生吸收，δ值增大（图9－３２）。
根据同样道理，我们可以设想炔烃的δ值应该很大，可是实际上它只有２－３。
这里有两种效应在起作用。
首先，由于叁键是直线结构，π电子云围绕Ｃ－Ｃ轴呈筒状分布，它所产生的诱导磁场与双键时不一样，磁力线正好以和外加磁场相反的方向通过叁键，这样就产生了屏蔽效应，使叁键质子的吸收移向高场。
其次，叁键碳的ｓ成分较大，C≡C要吸电子，使Ｃ－Ｈ键中的电子远离Ｈ，产生了去屏蔽效应，使叁键质子在低场吸收。
这两种效应的综合结果，使叁键质子在δ＝２－３处吸收。
同理，苯环中环流效应产生的附加磁场，环内为屏蔽区，而质子所处的位置为去屏蔽区（图9－３２），质子在较低场发生吸收，δ值较大。
在［１８］轮烯分子中，环外质子的位置与苯环上的质子相似，处于去屏蔽区，其δ值较大为８.２ｐｐｍ；而环内质子的化学环境与环外质子的化学环境相差很大，处于屏蔽区，质子在较高场发生吸收，δ值甚至超过ＴＭＳ的δ值，为－１．９ｐｐｍ。
同样的方法可以分析，羰基中的氢处于去屏蔽区，δ值较大。
除上述因素外，氢健、样品浓度、溶剂的类型和测量温度等也能影响化学位移。
（５）等价值子与积分曲线判断两个侄子是否化学等价的方法是将它们分别用一个实验基团取代，如果取代后得到同一结构，则它们是等价的，反之则为不等价质子，如ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ３中，六个甲基氢都是等价的，两个亚甲基氢也是等价的。
等价的质子具有相同的化学位移。
再如２－溴丙烯分子中双键碳上的两个情事不等价的。
因为将它们用氯原子取代，得到两个异构体：由于这两个侄子的化学环境相似，它们的化学位移差别不大（分别为５．３，５．５ｐｐｍ），有时不容易区分。
在１ＨＮＭＲ图中，有几组峰表示有几种化学不等价的质子，每一组峰的强度，即其面积，则与质子数目成正比。
根据各组峰的面积比，可以推则各种质子的数目比。
峰的面积用电子积分仪测定，得到的结果在谱图上用积分曲线表示，积分曲线为阶梯形，各个阶梯的高度表示不同化学位移的质子数之比。
如果再知道化合物的分子式或它的质子总数，那么各类质子的具体数目就可以知道了。
图9－３３是苯基丙酮的１ＨＮＭＲ谱图，其中积分曲线所给出的三个峰的面积之比为３：２：５，即为甲基质子、亚甲基质子和苯环上质子的数目比（３：２：５）。
从苯基丙酮的核磁共振谱来看，每一组氢原子都呈现为单峰，但并不是所有的谱图都是这样。
例如：氯乙烷ＣＨ３ＣＨ２Ｃｌ，从结构看它有两种不同类型的氢。
从它的１ＨＮＭＲ谱（图9－３４）来看有两组峰，以δ＝３．６为中心的四重峰是亚甲基氢，以δ＝１．５为中心的三重峰是甲基氢（这种峰的裂分现象将在下节讨论）。