核磁共振氢谱和碳谱介绍和基本原理
【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。
核磁共振氢谱和碳谱确定同分异构体
核磁共振（NMR）技术是一种非常重要的化学分析方法，它在有机化学和药物研究等领域中得到了广泛的应用。
其中，核磁共振氢谱和碳谱确定同分异构体是其中一项重要的应用。
1. 概述核磁共振是一种实验技术，通过核磁共振现象来研究原子核周围的环境。
而核磁共振氢谱和碳谱是两种常见的NMR技术，它们通过观察分子内氢原子和碳原子的核磁共振信号来确定化合物的结构和构型。
2. 同分异构体的概念同分异构体是指分子式相同、结构不同的化合物。
它们具有相同的分子式，但由于原子的排列方式不同，导致了化合物的性质也不同。
3. 核磁共振氢谱和碳谱在确定同分异构体中的应用核磁共振氢谱和碳谱可以通过观察氢原子和碳原子的化学位移、耦合常数和积分峰面积来确定分子中原子的环境和相对数量。
这些信息可以帮助我们确定同分异构体的结构和构型。
4. 核磁共振氢谱的解析在核磁共振氢谱中，化学位移可以告诉我们不同氢原子的化学环境，耦合常数可以揭示氢原子之间的相对位置关系，而峰面积则可以给出氢原子的数量信息。
通过这些信息，我们可以确定同分异构体中不同原子的位置和数量。
5. 核磁共振碳谱的解析与氢谱类似，碳谱也可以通过化学位移、耦合常数和峰面积来确定同分异构体中碳原子的环境和数量。
碳谱对于确定分子中碳原子的排列和连接方式非常重要，尤其在复杂结构的有机化合物中。
6. 个人观点和理解从我个人的角度来看，核磁共振氢谱和碳谱在确定同分异构体中的应用是非常重要的。
它们为化学家提供了一种强大的工具，可以帮助他们确定未知化合物的结构和构型，并且对于有机合成、天然产物和药物研究具有重要意义。
总结在本文中，我们对核磁共振氢谱和碳谱在确定同分异构体中的应用进行了全面的介绍。
通过分析化学位移、耦合常数和峰面积等信息，我们可以确定同分异构体分子的结构和构型。
这两种技术为化学研究提供了重要的帮助，也为未来的科学研究和产业应用提供了新的思路和方法。
通过本文的阅读，我相信您对核磁共振氢谱和碳谱在确定同分异构体中的应用有了更深入的理解。
核磁共振碳谱和氢谱中 化学位移产生的原因
核磁共振（NMR）技术是一种应用广泛的谱学技术，常用于分析有机物和生物分子的结构和性质。
在核磁共振谱中，化学位移是一个重要的参数，它与化合物中原子核周围的电子环境有关。
化学位移在碳谱和氢谱中都是十分常见的，在本文中，我们将探讨化学位移在核磁共振碳谱和氢谱中产生的原因。
1. 基本概念在核磁共振谱中，化学位移是指核磁共振信号的频率与参考物质（通常是三氯化甲烷或二甲基硅烷）信号频率之差。
化学位移通常用ppm （parts per million）表示，它是一个相对值，可以用来比较不同化合物中原子核的化学环境差异。
2. 碳谱中化学位移的影响因素碳谱中的化学位移受到多种因素的影响，其中主要包括化学环境、电子效应和磁场效应。
- 化学环境：不同化学环境下的碳原子核受到不同的化学位移影响。
芳香环上的碳原子与脂肪链上的碳原子所受的化学环境不同，因此它们的化学位移也会有所差异。
- 电子效应：分子中的电子密度分布会影响到周围原子核的化学位移。
含有电子丰富基团的碳原子通常会表现出较低的化学位移，而含有电子贫瘠基团的碳原子则会表现出较高的化学位移。
- 磁场效应：外加磁场对原子核周围的电子运动轨迹会产生影响，从而影响原子核的化学位移。
这种效应在核磁共振谱分析中是不可忽视的。
3. 氢谱中化学位移的影响因素类似于碳谱，氢谱中的化学位移也受到化学环境、电子效应和磁场效应的影响。
- 化学环境：不同化学环境下的氢原子核受到不同的化学位移影响。
α-位置上的氢原子与β-位置上的氢原子所受的化学环境不同，因此它们的化学位移也会有所差异。
- 电子效应：分子中的电子密度分布会影响到周围原子核的化学位移。
对甲苯中的甲基氢和对位氢受到的电子效应不同，因此它们的化学位移也会有所差异。
- 磁场效应：外加磁场对原子核周围的电子运动轨迹会产生影响，从而影响原子核的化学位移。
这种效应在氢谱分析中同样需要考虑。
4. 结语化学位移在核磁共振碳谱和氢谱中的产生是一个复杂而又精密的过程，受到多种因素的影响。
核磁共振氢谱(化学位移)
核磁共振氢谱(化学位移)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1．1946 年斯坦福大学的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。
实用波谱学：氢谱和碳谱
B
E
ｍ＝－1/2（高能态） ｍ＝＋1/2（低能态）
此时，当吸收外来电磁辐射时，将发生核能级的跃迁， 产生核磁共振（NMR）现象。
磁场中的原子核(能级分裂) ──射频辐射──吸收──能级跃迁
2020年12月14日12时17分
HNMR
11
E
B0
h 2
B0
2020年12月14日12时17分
HNMR
18
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后测定。 溶剂：氘代试剂(CDCl3, C6D6 ,CD3OD,CD3COCD3, C5D5N ) 标准物：四甲基硅烷 (CH3)4Si （缩写：TMS），其优点：
信号简单，且在高场，其他信号在低场， 值为正值； 沸点低（26.5 oC)，易于回收样品； 易溶于有机溶剂且化学惰性； 也可根据情况选择其它标准物。含水介质：三甲基硅基丙烷磺
5.25
6.38
H
COOCH3
CC
H
H
5.82
6.20
2020年12月14日12时17分
HNMR
30
化学键的各向异性
CH4 CH3CH3 CH2=CH2 HC≡CH δ(ppm): 0.23 0.86 5.25 1.80
各向异性：
氢核与某功能基空间位置不同，导致其化学位移不同。
2020年12月14日12时17分
P m h (其中m I, I 1,...,I )
2
h为Planck常数 (6.62610-34J.s)； m为磁量子数，其大小和数目由自旋量子数I决定。m共有 2I+1个取值（角动量P有2I+1个状态，有2I+1个核磁矩） 。
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。
核磁共振氢谱和碳谱讲解
核磁共振氢谱核磁共振---NMR1945年美国斯坦福大学的 F. Block 和哈佛大学的 E. M. Purcell 同时发现了核磁共振现象，并因此荣获了1952年的 Nobel 物理奖。
核磁共振谱可为化合物鉴定提供下列信息：1.磁核的类型：由化学位移来判别，如在1HNMR 中，可判别甲基氢、芳氢、烯氢、醛氢等。
2.磁核的化学环境：由偶合常数和自旋－自旋裂分来判别，如在 1H-NMR 中可判定甲基是与-CH 2-相连，还是与苯环相连。
3.各类磁核的相对数量：氢谱中，通过积分面积或积分曲线来判断。
4 .核自旋弛豫时间：13CNMR 可提供 T 1，并用于结构归属指定，构象的测定，以及窥测体 系的运动情况。
5 .核间相对距离：通过核的 Overhause 效应可测得。
3.1核磁共振的基本原理3.1.1原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，自旋将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核有自旋，只有有自旋才有磁矩。
具有自旋运动的原子核具有一定自旋量子数（I ），I=1/2 *n ，那1，2，3···1. 核电荷数和和质量数均为偶数的原子核没自旋。
2. 核电荷数为奇数或偶数，核质量数为奇数，有自旋现象。
3. 核电荷数为奇数，核质量数为偶数，I 为整数的原子核有自旋现象。
对于自旋不为零的核来说，当其自旋时由于形成环电流，故而产生一个小磁场，这个小磁场可用核磁矩 μ 表示。
μ 是矢量，其大小由下式确定：πγγμ2)1(hI I p +==式中 γ ---核的磁旋比 p---自旋角动量不同的核有不同的 γ 值，是确定同位素核的特征常数。
3.1.2自旋核在磁场中的取向和能级对于I 不为零的核来说，如果不受外来磁场的干扰，其自旋轴的取向将是任意的。
当它们处于外加静磁场（磁场强度为H0）中时，根据量子力学理论，它们的自旋轴的取向不再是任意的，而只有(2I+1)种，这叫核自旋的空间量子化。
每一种取向可用一个磁量子数m 表示，则m=I，I-1，I-2，…-I+1，-I。
核磁共振氢谱（PMR或1HNMR）
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。
核磁共振氢谱和碳谱
2020/10/18
这类原子的核电荷分布呈现球体分布，核电荷分布 均匀,并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，对应的 核磁共振波谱图简单明了。自旋量子数 I=1/2原子 核是核磁共振研究的主要内容。例如1H核可看作核 电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，除了产 生核磁矩还会产生一感应磁场，类似于一小磁体。
电磁波的能量（h）等于核能级差△E就会有NMR
（核自旋发生倒转）。
E
h 2
HO
h (电磁波频率)
2
HO,
o
2
HO，
o
2020/10/18
共振条件
(1)核有自旋(磁性核)
(2)外磁场，能级裂分;
(3)照射频率与进动频率相等
0
2
H0
(4)符合跃迁选 m律 ： 1(只能发生在相邻 ) 能
2020/10/18
2020/10/18
z
z
z
m=1/2Байду номын сангаас
m=1
m=2
H0
m=1
m=0
m=0
m= -1
m=-1/2
m= -1
m= -2
I = 1/2
I=1
I=2
2020/10/18
（2）核磁矩在外加磁场（Z轴）上的分量μz取决于
角动量在该轴上的分量（Pz），且
Pz
m
h
2
Pz 的取值与m有关，只能取不连续的数值。
由μz=γ×Pz
轴与外磁场保持一夹角θ的回旋(摇头旋转），这 种回旋称为核的进动 。进动频率o 与外加磁场关 系可用 Larmor 方程表示：ω(角速度)=2πo=γHO
核磁共振波谱 核磁4
2.偏共振去偶(OFR)
偏共振去偶谱的特点：
1）大于1JC-H 的偶合消除（即消除了2J 的偶合），谱图大大简化。 2）保留了同碳质子的偶合信息，以识别碳级 CH3 (q) quartet singlet CH2 (t) CH (d) C (s) doublet triplet
H2 C b n m g e j c d CH2 v q l CH 2 pCH3 u s t f h CH2 k o w k HO x t z y l
(A)
(B)
a 11.9 b 12.9 c 19.5 d 21.3 e 22.6 f 22.8 g 24.1 h 24.4 i 25.1 j 28.4 k 32.1 l 32.3 m 36.0
n 36.4 o 36.7 p 37.7 q 39.7 r 40.0 s 42.4 t 43.2 u 50.4 v56.4 w 56.9 x 71.0 y120.9 z141.7
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0 3.0 / ppm
2.0
1.0
0 160 150 140 130120110100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 / ppm
-效应, -效应为正值,-效应为负值, 效应和 -效应一般较小(1-2), 可忽略不 计.
-C的高场位移(–2～–7), 不能用诱导效应
沿键传递解释,是空间因素的影响(下面讨
论).
I 的重原子效应(即碘对邻接原子的抗磁屏
蔽作用).
5).立体效应 位效应：链烃的 -邻位交叉，相互 排斥，从而屏蔽作用增加，向高场位移
3
4
2
第三章核磁共振氢谱
通过计算处于低能级核数目仅比高能级多百 万分之16
• 处于低能级的核数目仅比高能级的核数目 多出百万分之十六！当低能级的核吸收了 射频辐射后，被激发至高能态，同时给出 共振吸收信号。但随实验进行，只占微弱 多数的低能级核越来越少，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！
• 自旋角动量
– 一些原子核有自旋现象，因而具有自旋角动 量。由于核是带电粒子，故在自旋同时将产 生磁矩。核磁矩与角动量都是矢量，磁矩的 方向可用右手定则确定。 – 核的自旋角动量P是量子化的，不能任意取 数，并可用核的自旋量子数I表示。
h hI p I I 1 2 π 2
• 自旋量子数不为零的原子核都有磁矩， 核磁矩的方向服从右手法则（如图7-2所 示），其大小与自旋角动量成正比。
2μ B h
hν 2 B0 1 σ ） B μ （ 0 2 (1 σ ) μ h 2ν B0 1 σ ） （ B0 2 (1 σ )
B 把B B0 (1 ）代入得 2
由于氢核具有不同的屏蔽常数σ，引起外磁场或 共振频率的移动，这种现象称为化学位移。固定 照射频率, σ大的原子出现在高磁场处, σ小的原子 出现在低磁场处
• 原子实际上受到的磁场强度B等于外加磁 场强度B0 减去外围电子产生的次级磁场强 度（σB0） • B= B0-σB0=B0(1-σ) • σ为屏蔽常数， σB0为感应产生的次级磁场 强度，B为氢核真正受到的有效外磁场强 度 • 外电子云产生感应磁场,抵消一部分磁场,产 生共振向高场方向移动
•
• 思考下面问题： • 我们知道，大多数有机物都含有氢原子(1H 核)，从前述公式 可以看出，在B0一定的 磁场中，若分子中的所有1H都是一样的性 质，即H都相等，则共振频率0一致，这 时只将出现一个吸收峰 • 也就是说，无论这样的氢核处于分子的何 种位置或处于何种基团中，在核磁共振图 谱中，只产生一个共振吸收峰。 • 这样的图谱有意义吗？
核磁共振氢谱及碳谱(NMR)
伯碳 < 仲碳 < 叔碳 < 季碳
15
烷烃中C的化学位移
b．g-邻位交叉效应
a位的取代基使g位C移向高场（d 减小）：
当g处于邻位交叉构象时，R“挤压”Cg的H，使电子移向Cg。
Cb Cg
X Ca
在开链烷烃中，邻位交叉存在的几率为30%； a位甲基取代平均使
Cg 产生2ppm高场位移；而卤素取代会有多达7ppm的位移
小，|p|减小，dC减小。
• 如电子体系：电子密度r与dC有一个线性关
系
dC = 160r + 287.5 (ppm)
即电子密度r越大，化学位移越小
11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
烷烃中C的化学位移
• 取代基电负性对化学位移的影响
a. 取代基电负性越大，相邻的a-C原子越往低场移，
d 增大。
F > Cl > Br > OH > NH2 > SH > CH3 > H > I
5.3 H3C
36 .5
O
20 1.5 H
O
7.3 H3C
36 .1
20 7 .1 CH3 24 .5
O
13 6.0 H2C
13 6.4
19 2.4 H
O
12 8.0 H2C
13 7.6
19 6.5 CH3 27 .0
O
8.7 H3C
27 .5
18 0 .1 OH
O
13 1.9 H2C
12 7.2
17 0.4 OH
35
异核NOE
For nuclei having positive g : (e.g. 13C)
核磁共振氢谱和碳谱
核磁共振氢谱核磁共振---NMR1945年美国斯坦福大学的 F. Block 和哈佛大学的 E. M. Purcell 同时发现了核磁共振现象，并因此荣获了1952年的 Nobel 物理奖。
核磁共振谱可为化合物鉴定提供下列信息：1.磁核的类型：由化学位移来判别，如在1HNMR 中，可判别甲基氢、芳氢、烯氢、醛氢等。
2.磁核的化学环境：由偶合常数和自旋－自旋裂分来判别，如在 1H-NMR 中可判定甲基是与-CH 2-相连，还是与苯环相连。
3.各类磁核的相对数量：氢谱中，通过积分面积或积分曲线来判断。
4 .核自旋弛豫时间：13CNMR 可提供 T 1，并用于结构归属指定，构象的测定，以及窥测体 系的运动情况。
5 .核间相对距离：通过核的 Overhause 效应可测得。
3.1核磁共振的基本原理3.1.1原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，自旋将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核有自旋，只有有自旋才有磁矩。
具有自旋运动的原子核具有一定自旋量子数（I ），I=1/2 *n ，那1，2，3···1. 核电荷数和和质量数均为偶数的原子核没自旋。
2. 核电荷数为奇数或偶数，核质量数为奇数，有自旋现象。
3. 核电荷数为奇数，核质量数为偶数，I 为整数的原子核有自旋现象。
对于自旋不为零的核来说，当其自旋时由于形成环电流，故而产生一个小磁场，这个小磁场可用核磁矩 μ 表示。
μ 是矢量，其大小由下式确定：πγγμ2)1(hI I p +==式中 γ ---核的磁旋比 p---自旋角动量不同的核有不同的 γ 值，是确定同位素核的特征常数。
3.1.2自旋核在磁场中的取向和能级对于I 不为零的核来说，如果不受外来磁场的干扰，其自旋轴的取向将是任意的。
当它们处于外加静磁场（磁场强度为H0）中时，根据量子力学理论，它们的自旋轴的取向不再是任意的，而只有(2I+1)种，这叫核自旋的空间量子化。
每一种取向可用一个磁量子数m 表示，则m=I，I-1，I-2，…-I+1，-I。
氢谱,碳谱和质谱
氢谱，碳谱和质谱
氢谱、碳谱和质谱是研究分子结构及其性质的重要工具。
氢谱是利用氢原子在不同电磁场下的吸收和发射谱线来确定分子中氢原子的位置和化学环境的技术。
碳谱则是利用碳原子在不同电磁场下的谱线来确定分子中碳原子的位置和化学环境的技术。
而质谱则是通过分子离子在质量光谱中的分离和检测来确定分子的分子量和结构的技术。
这些技术的应用范围广泛，包括化学、生物、医学、工业等领域，对于分子的结构解析、化学反应机理研究等方面具有重要意义。
- 1 -。
05 氢谱
( ppm)
106
例：CH3Br（标准物：四甲基硅烷）
当 B0=1.4092T，vTMS=60MHz, vCH3=60MHz+162Hz
162 Hz 6 10 2.70 ppm 6 60 10 Hz
当 B0=2.3487T，vTMS=100MHz，vCH3=100MHz+270Hz
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。
2018年7月16日10时49分
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1H
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磁矩的大小与磁场方向的自旋角动量P有关：
P
角动量P有2I+1个状态， 有2I+1个核磁矩
其中为磁旋比，每种核有其固定值。 如1H： = 26.752；13C： = 6.728 （单位：107 rad.T-1.S-1）
h Pm (其中 m I , I 1,..., I ) 2
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核磁共振仪与实验方法
NMR仪器的主要组成部件： 磁体; 样品管; 射频振荡器; 扫描发生器; 射频接受器 按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、低温超导磁铁 按交变频率分：300兆，400兆，600兆，900兆赫兹 （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(PFT-NMR)
氢谱解析核磁共振碳谱
CH 3
非常好的对称性，分子中有9个碳
=10 50 ppm 只可能出现三个峰
CH 3
1r-3-反-5-反三甲基环己烷
分子中有9个碳 =10 50 ppm
出现6个共振峰
CH 3 CH 3
CH 3
CH 3 CH 3
CH 3
CH 3 CH 3
CH 3
谢谢大家！
s 电子的百分数和 J 值 近似计算式 1J=5(s%）100 Hz
例如： CH4 （sp3 杂化 s%=25%） 1J=125Hz
CH2=CH2 (sp2 杂化 s%=33%） 1J=157Hz C6H6 （sp2CH （sp 杂化 s%=50%） 1J=249Hz
C=O
C-O C6H6（苯） C-N
65~85 100~150 170~210
40~80 110~160 30~65
sp3:
=0~100 ppm
sp2:
=100~210 ppm
羰基碳: =170~210 ppm
13C NMR 谱
不一定解析每一个峰
峰的个数分子的对称性
特征共振峰的信息可能结构
开链烷烃
4.4.2 13C NMR化学位移
化学位移 1) TMS为参考标准，c=0 ppm 2) 以各种溶剂的溶剂峰作为参数标准
碳的类型 化学位移（ppm）
C-I
C-Br
C-Cl
—CH3 —CH2 —CH—
0~40 25~65 35~80
8~30 15~55 20~60
碳的类型
化学位移 （ppm）
C—（炔） =C—（烯）
取代基对13C的值影响
i = 2.6+9.1n+9.4n2.5n
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z
z
z
m=1/2
m=1
m=2
H0
m=1
m=0
m=0
m= -1
m=-1/2
m= -1
m= -2
I = 1/2
I=1
I=2
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（2）核磁矩在外加磁场（Z轴）上的分量μz取决于
角动量在该轴上的分量（Pz），且
Pz
m
h
2
Pz 的取值与m有关，只能取不连续的数值。
由μz=γ×Pz
自旋轴
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右手法则
2、原子核自旋能级分裂 （1）核磁矩的取向：当核置于外磁场H0中时，相 对于外磁场，原子核到底有多少种取向？通常用m （磁量子数）表示,取值范围为I，I-1，…，-I共 （2I+1）种取向。 核磁矩在外磁场空间的取向不 是任意的，是量子化的。这种现象称为核磁矩的空 间量子化。
号就是靠所多出的低能级核的净吸收而产生的。
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磁核在各能级上的玻尔兹曼分布是热运态平衡。当 低能级的磁核吸收了射频辐射后，被激发至高能级 ，同时给出共振吸收信号。但随着实验的进行，只 占微弱多数的低能级磁核越来越少，最后高、低能 级上的磁核数目相等（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 信号应消失）。但是上述“饱和”情况并未发生！ 说明必然存在着使低能级上的磁核保持微弱多数的 内在因素，这种内在因素就是核的驰豫过程。
匀，共振吸收复杂，研究应用较少 (3) I=1/2: 1H1，13C6，19F9，31P15
I=3/2：11B5，35Cl17，79Br35， I=5/2：17O8，127I
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这类原子的核电荷分布呈现球体分布，核电荷分布 均匀,并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，对应的 核磁共振波谱图简单明了。自旋量子数 I=1/2原子 核是核磁共振研究的主要内容。例如1H核可看作核 电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，除了产 生核磁矩还会产生一感应磁场，类似于一小磁体。
EzH0m2h H0
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1H :E 11 22 h H 0, E 11 22 h H 0
2
2
E
h
2
H0
由核能级分裂现象说明，高场强（外磁场强度大） 的仪器比低场强仪器测得的核磁共振信号清晰。
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4.1.2 原子核的磁共振吸收 1、原子核的进动
当带正电荷的、且具有自旋量子数的核绕自旋轴 旋转时则会产生磁场，当这个自旋核置于外磁场中 时，该核的自旋磁场与外加磁场相互作用，使自旋
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例：计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。
2 .6 0 2H 0
7 1 5 8 0 2 1 .39 4 (T 1 8 s 1 8 T ) 1M 00 H 2 3 .14
例：计算1H共振频率为500MHz所需要的Ho。
H 02 2 2 3 ..6 1 7 4 5 51 0 1 1 80 069 0 1.7 1T 2
轴与外磁场保持一夹角θ的回旋(摇头旋转），这 种回旋称为核的进动 。进动频率o 与外加磁场关 系可用 Larmor 方程表示：ω(角速度)=2πo=γHO
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回旋轴
0
2
H0
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2、核磁共振吸收条件 在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高 能级跃迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生
4.1.3 原子核磁能级上粒子的分布 不同能级上分布核数目可由Boltzmann 定律计算：
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N N ij ex E p ik E T j ex k p E T ex h k p T
磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比
共振 2H 频 0 2 .6 率 7 2 1 3 5 .2 8 0 2 1 .4 39 4 1 8 .0 0 8 M 0 0
电磁波的能量（h）等于核能级差△E就会有NMR
（核自旋发生倒转）。
E
h 2
HO
h (电磁波频率)
2
HO,
o
2
HO， o
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共振条件
(1)核有自旋(磁性核)
(2)外磁场，能级裂分;
(3)照射频率与进动频率相等
0
2
H0
(4)符合跃迁选 m律 ： 1(只能发生在相邻 ) 能
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N N ij ex 6 .p 6 1 .3 2 1 8 6 3 0 0 1 41 2 6 0. 0 3 0 2 6 0 0 1 960 8 JJ K s 1 s K 1 0.999
Ni、Nj分别为高能级（激发态）和低能级（基态） 核的数目，两能级上核数目相差1.610-5；核磁信
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§4.2 核磁共振仪 1、永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀， 不均匀性小于六千万分之一，扫场线圈。 2、射频振荡线圈：线圈垂直于外磁场，发射一定 频率的电磁辐射信号。主要发射60MHz或100MHz。 3、射频信号接受线圈（检测器）：当氢核的进动 频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能 量，在感应线圈中产生毫伏级信号。
值为2.67519108 T-1s-1 ;Ⅰ为自旋量子数。
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1、核自旋分类（用核自旋量子数Ⅰ来描述）
(1) I=0的原子核: 16 O8； 12 C6； 32 S16 无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收
(2) I=1或正整数的原子核: 2H1，14N7 原子的核电荷分布呈现一个椭圆体分布，电荷分布不均
核磁共振氢谱和碳谱介绍和基 本原理
2020/5/25
2020/5/25
§4.1 核磁共振基本原理 4.1.1 原子核的磁矩
原子核是带电粒子，通过对原子光谱精细结构研
究，发现了核的自旋运动，若原子核存在自旋，就 会产生核磁矩。
p
p h I(I1)
2
称为磁旋比，每种核都有特定值对于1H1 核，其
（1）对同一种核 ,为定值, H0变则射频频率变。 1H：1.409 T 共振频率为60MHz 2.3488T 共振频率为100MHz
（2）不同原子核, 不同产生共振条件不同,需要 磁场强度H0和射频频率不同。
（3）固定H0，改变（扫频），不同核在不同频率 处发生共振产生吸收。也可固定，改变H0（扫场） 不同核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。
知，3）核能级分裂：若无外磁场，由于核的无序排 列，不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁 场作用下，核磁矩按一定方向排列，对1H核磁矩有 两种取向，即m=1/2,是顺磁场,能量低；m=-1/2， 逆磁场，能量高。从而产生了能级的分裂现象。每 一种核磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。