NMR(核磁共振)
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。
NMR-核磁共振(含化学位移概念)
NMRNMR（Nuclear Magnetic Resonance）为核磁共振。
是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生蔡曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。
核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核蔡曼能级上的跃迁。
国内叫NMR，国外叫MR，因为国外比较避讳Nuclear这个单词。
目录基本原理核磁共振应用核磁共振发展动向二维核磁共振波谱的基本原理划分区域基本原理自旋量子数I不为零的核与外磁场 H0相互作用，使核能级发生2I+1重分裂，此为蔡曼分裂。
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(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。
核磁共振应用核磁共振适合于液体、固体。
如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。
核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。
在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。
而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。
在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。
但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。
核磁共振发展动向20世纪后半叶，NMR技术和仪器发展十分快速，从永磁到超导，从60MHz到800MHz的NMR谱仪磁体的磁场差不多每五年提高一点五倍，这是被NMR在有机结构分析和医疗诊断上特有功能所促进的。
现在有机化学研究中NMR已经成为分析常规测试手段，同样，在医疗上MRI（核磁共振成像仪器）亦成为某些疾病的诊断手段。
核磁共振(NMR)
1，原子核的塞曼效应与核磁共振
• 原子核有角动量，因而有磁矩。如果原子核的自 旋量子数为I，相应的角动量为 PI ，则原子核的磁 矩为 e • （1） gN PI
2m p
• 设外磁场的方向沿Z轴，则磁场与原子核磁矩的相 互作用能为
•
E B g N N mB
2，NMR过程的经典描述：共振与弛豫
• 共振前后磁化强度的方向
2，NMR过程的经典描述：共振与弛豫
• 一旦射频信号消失，或者不再满足共振条件，则 射频信号就不再起作用，这时候，原子核系统吸 收的能量要放出来，具体过程是：磁化强度M逐 渐向Z轴靠拢并最后回到Z轴方向，而磁化强度在 XOY平面内的分量Mxy要逐渐趋于0。这里，磁化 强度的Z分量与XOY平面内的分量Mxy是独立变化 的，一般来说，分量Mxy在Z分量完全恢复到平衡 值以前先变为0。整个恢复平衡的过程叫弛豫过程。 从实验室坐标系来看，磁化强度恢复平衡的过程 是磁化强度绕Z轴进动的过程，具体图象如下：
2 2 2 B0
3 2 3 ( B0 Bm2 )
• 由此可以计算出磁场B0和Bm，并能检验扫描磁场 的对称性。要求在5个以上的扫描电压下，分别测 出对应的共振点的参数。
4，实验任务与测量方法
• 峰点共振
4，实验任务与测量方法
• 过零点共振
4，实验任务与测量方法
• 谷点共振
4，实验任务与测量方法
• 典型结果
4，实验任务与测量方法
• 装置框图
4，实验任务与测量方法
• • • • 4.2 P-NMR实验：测量横向弛豫时间T2。 共振条件： B0 方法：自旋回波法 采用双脉冲，先发90o脉冲，经过时间τ，再 发180o脉冲，则在2τ时刻，出现回波。详细 分析见讲义。
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
OH
(1)
OH
(2)
OH
(3)
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
核磁共振波谱法(NMR)
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。
讨论：
（1）磁场固定时（ B0一定），不同的核具有不同的共振频率， 共振频率取决于核本身，大的核，发生共振所需的照射频率也大； 反之，则小。 （2）同样的核（一定），外加磁场B0越大，共振频率越大。 （3）若共振频率一定， 越大， B0越小。 例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） 1H 和13C的共振 频率为
样品，溶剂CDCl3, CD2Cl2, THF, etc.
当B = B0 +δB，使ν恰好等于照射样品的固定无线电波
频率ν0，样品中的氢原子核发生自旋能级跃迁。 B0 为核磁共振仪电磁铁的磁场强度，δB为扫描线圈产
生的磁场增量，5-10mG· min-1。
要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
1. I=0 的原子核O（16）；C（12）；S（32）等 ，无自旋， 无磁性，称为非磁性核，这类核不会发生核磁共振。不产生 共振吸收。
2. I=1 或 I>0的原子核： I=1 ： 2H，14N， I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2： 17O，127I
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布 不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；
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 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：
1H 13C 19F 31P
60.000 15.086 56.444 24.288
MHZ MHZ MHZ MHZ
磁场强度 0.9400 特斯拉 1.4092 2.3500 4.7000 7.1000 11.7500
核磁共振(NMR)
实验九 核磁共振（NMR ）实验目的1、了解核磁共振基本原理和实验方法。
2、以含氢核的水作样品，观测影响核磁共振吸收信号大小及线宽的因素。
3、学会利用核磁共振测量磁场强度。
4、测量原子核的旋磁比γ和朗德因子。
核磁共振（Neclear Magnetic resonance 简称NMR ）现象是1939年发现的。
到1946年应用了射频技术，简化了实验设备，使NMR 实验走向实用阶段。
近年来随着实验技术的发展，特别是计算机的应用，使NMR 实验方法更加完善。
因此它已成为物理、化学、生物、医学、材料科学等许多领域内进行研究的重要手段和方法。
NMR 技术以快速，准确和不破坏样品等显著的优点，通过对原子核磁性质的研究，获得物质结构方面的丰富信息。
在基本计量测试方面也是精确测量磁场标准方法之一，其精度可达0.001%以上。
因此NMR 实验已成为国内外高等院校近代物理实验基本内容之一。
实验原理一、NMR 现象的经典描述原子核具有固有磁矩u I ，其值为 1μ=I m e Np g p2式中g N 为原子核的朗德因子，p I 为核的自旋角动量，m P 的质子的质量。
当原子核处于稳恒磁场B 0中，则它受到由磁场产生的力矩作用，其值为L=M l ⨯B 0。
此力矩使原子核的角动量P l 发生变化，角动量的变化率就是力矩0p B L dtd I⨯==μ (12-1)由于力矩的方向垂直于B 0和P l ，它不改变角动量的大小，而使角动量的方向不断改变，即使P l 在图12-1所示的方向连续地旋进。
从图12-1（a ）上面向下看，Pl 的端点作半径为P l sinaw 0的圆周运动，如图12-1（b ）所示。
设其角速度为ω0，则线速度为P l sinaw 0，由此可求出P l 的时间变化率=0sin θωI dt dp p I= ，则根据（12-1）式有θμθωsin sin 00B p I I = 000B B II p γωμ==(12-2)式中 hNp NI g μμπγ21== 称为核的旋磁比，不同元素的核有不现的g N 值，故其γ值也不同，所以γ也是一个反映核的固有性质的物理理，其值可由实验测定。
核磁共振波谱法(NMR)
1H
60.000 MHZ
13C
15.086 MHZ
19F
56.444 MHZ
31P
24.288 MHZ
对于1H 核，不同的频率对应的磁场强度：
射频 40 MHz 磁场强度 0.9400 特斯拉
60
1.4092
100
2.3500
200
4.7000
300
7.1000
500
11.7500
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）
奇数 奇数或偶数 1/ 2
自旋球体
有
1H, 13C, 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
偶数 奇数
1, 2, 3, --- 自旋惰球体
有
2H, 10B, 14N
1. I=0 的原子核O（16）；C（12）；S（32）等 ，无自旋， 无磁性，称为非磁性核，这类核不会发生核磁共振。不产生 共振吸收。
CD3COCD3 CDCl3 CD2Cl2 CD3CN C6D6 D2O (CD3CD2)2O (CD3)2O (CD3)2NCDO CD3SOCD3 CD3CD2OD CD3OD C4D8O C6D5CD3 C5D5N C6H12
核磁共振波谱主要参数
用于结构分析的主要参数有化学位移， 自旋偶合常数，信号强度（峰面积）。
NMR(核磁共振)解析
（2）自旋—自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋— 自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转 移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃 迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全 体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表 示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固 定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液 体样品，T2约1s。
在化学领域中的应用
１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型； ２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用 层析和纸层析检查不出来的杂质； ３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能 测定出混合物的比率； ４质子交换，单键的旋转和环的转化等。
5.2 核磁共振基本原理
5.2.1 原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子 核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生 核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平 行，且磁矩与角动量成正比，即 μ=γp ( 5.1 ) 式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad· T−1· s−1，即核磁 矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比， 它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核 磁子单位等于5.05×10−27J· T−1；
p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
h p I（I 1） 2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
核磁共振的原理及应用
核磁共振的原理及应用核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种基于原子核的物理现象，通过磁场对原子核进行激发并测量其电磁信号来获得有关样品结构和性质的信息。
本文将介绍核磁共振的基本原理以及其在医学、化学和材料科学等领域的应用。
一、核磁共振的原理核磁共振的原理基于原子核具有自旋（spin）的特性。
当样品中的原子核处于静态磁场中时，它们的自旋轴会与磁场方向产生内禀的取向。
外加的射频脉冲能够改变原子核自旋的取向，使其发生共振。
当射频脉冲结束后，原子核会重新恢复到基态，并释放出一定的能量。
通过检测和分析这些能量的释放，可以获得样品的谱图。
二、核磁共振的应用1. 医学应用核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是医学诊断中常用的无创检测技术之一。
它利用核磁共振的原理对人体或动物进行扫描，生成具有空间分辨率的图像，可以用于观察身体各部位的结构、病变以及器官的功能。
MRI在肿瘤、神经系统疾病和心血管疾病等方面有着广泛的应用。
2. 化学应用核磁共振光谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）是化学领域中常用的结构分析方法。
它可以通过检测不同化学环境下原子核的共振信号，推断出样品中各种化合物的结构和相对含量。
核磁共振光谱可以应用于有机化学、无机化学、生物化学等各个领域，为化学研究提供了重要的分析手段。
3. 材料科学应用核磁共振可以用于材料科学中对材料的表征和研究。
通过对材料样品进行核磁共振实验，可以获得材料中原子核的结构、动力学和相互作用等信息。
核磁共振在催化剂、聚合物、金属合金等材料研究中具有重要的应用价值。
此外，核磁共振还可以用于测量材料的纯度、含量和质量等。
总结：核磁共振作为一种基于原子核的物理现象，具有重要的科学研究和应用前景。
它在医学、化学和材料科学等领域发挥着重要的作用，为人们深入理解物质的结构和性质提供了强有力的手段。
核磁共振(NMR)工作原理及基本操作
根据分析结果，对样品的组成和性质进行解释和推断。
06
NMR的未来发展与挑战
高场强与超导技术
总结词
高场强与超导技术是NMR领域的重要发 展方向，它们能够提高信号强度和分辨 率，从而更好地应用于复杂样品和生物 医学研究。
VS
详细描述
随着科学技术的不断发展，高场强核磁共 振技术已经成为一种重要的研究手段。高 场强NMR具有更高的磁场强度和分辨率 ，能够提供更精确的化学位移和更强的核 自旋磁化率，从而更好地解析分子结构和 动力学。超导技术是实现高场强NMR的 关键技术之一，它能够产生更强的磁场， 同时保持长时间的稳定性和可靠性。
NMR的定义和重要性
核磁共振(NMR)是一种基于原 子核磁性的物理检测方法，用 于研究物质的微观结构和动态
行为。
NMR技术具有非破坏性、高 灵敏度和高分辨率等优点， 广泛应用于化学、物理、生
物医学等领域。
NMR技术对于推动科学研究 和工业生产的发展具有重要意 义，是现代科技领域不可或缺
的重要工具之一。
样品准备
选择合适的样品容器，确保样品 纯净、无磁性杂质，并按照实验 要求进行样品制备。
实验步骤与参数设置
实验步骤 打开核磁共振谱仪，进行系统自检； 调整磁场强度和射频频率，确保与实验需求匹配；
实验步骤与参数设置
01
进行样品测量，记录数据；
02
分析数据，得出结论。
参数设置
03
实验步骤与参数设置
磁场强度
固态核磁技术
要点一
总结词
固态核磁技术是研究固体材料结构和性质的重要工具，具 有广泛的应用前景。
要点二
详细描述
固态核磁技术是利用核自旋磁矩进行研究的技术，它可以 提供关于物质结构和动态行为的详细信息。由于固态样品 在自然状态下处于非晶态或晶体状态，因此其结构和性质 与液态样品存在显著差异。通过固态核磁技术，可以深入 了解固体材料的晶体结构、化学键、电子结构等信息，对 于材料科学、化学、物理学等领域的研究具有重要意义。
nmr核磁共振 蛋白结构
nmr核磁共振蛋白结构
核磁共振（NMR）是一种强大的技术，可用于研究蛋白质的结构。
通过 NMR 技术，可以获得有关蛋白质分子中原子的化学环境和相互作用的信息，从而推断出蛋白质的三维结构。
NMR 技术在蛋白质结构研究中的应用主要基于以下原理：
1. 化学位移：不同化学环境中的原子核会感受到不同的磁场强度，导致它们在 NMR 谱图上出现不同的化学位移。
通过分析这些化学位移，可以获得有关蛋白质分子中原子的化学环境的信息。
2. 自旋-自旋耦合：相邻的原子核之间存在着自旋-自旋耦合相互作用，这种相互作用会导致在 NMR 谱图上出现多重峰。
通过分析这些多重峰的间距和强度，可以获得有关蛋白质分子中原子之间的距离和化学键类型的信息。
3. 弛豫时间：NMR 谱图中的信号强度会随时间发生变化，这种变化称为弛豫。
通过分析弛豫时间，可以获得有关蛋白质分子的动态特性和分子间相互作用的信息。
基于以上原理，NMR 技术可以用于测定蛋白质的三维结构、研究蛋白质-配体相互作用、探测蛋白质的动态特性等。
同时，NMR 技术具有不需要结晶、能够研究溶液中的蛋白质等优点，因此在蛋白质结构研究中具有重要的应用价值。
国内核磁共振波谱 nmr 存量
1. 前言核磁共振波谱（NMR）是一种非常重要的化学分析技术，它通过对原子核在外加磁场中吸收和发射电磁辐射的行为进行分析，可以提供物质的结构和组成信息。
在国内，随着科技水平的不断提高，NMR技术的应用也得到了广泛推广，因此我将在本文中对国内核磁共振波谱的存量进行全面评估和探讨。
2. 国内核磁共振波谱的科研应用核磁共振波谱技术在国内的科研领域应用非常广泛，主要集中在以下几个方面：- 生物医学领域：核磁共振成像（MRI）在医学影像诊断中扮演着极其重要的角色，国内各大医疗机构都广泛使用NMR技术来进行脑部、心脏和其他器官的成像诊断。
- 化学领域：许多高校和科研机构都在进行新材料的研发过程中使用核磁共振技术来对物质的结构和性质进行研究。
- 药物研发领域：许多制药公司使用核磁共振技术来对潜在药物分子进行结构表征和研究，并且在新药研发的各个阶段都能看到NMR的身影。
从技术角度来看，在国内各类高校、科研机构和医疗机构中，核磁共振仪器已经得到了广泛的应用。
先进的高场核磁共振仪器不仅在国内知名科研单位中得到了广泛应用，在一些医疗机构中也有了较大的普及。
各类核磁共振仪器的存量逐年增长，这也体现了国内核磁共振技术的快速发展和应用前景的广阔。
4. 个人观点和理解NMR技术的快速发展和广泛应用，不仅体现了国内科技水平的提高，也为化学、医学和生物学等领域的研究工作提供了强有力的技术支撑。
作为一种准确而强大的分析技术，核磁共振波谱不仅可以提供物质的结构和组成信息，还可以在医学影像、新药研发、材料研究等领域发挥重要作用。
国内核磁共振波谱的存量的不断增长将会为科学研究和工程应用提供更广阔的空间，我对其发展充满信心。
5. 总结通过对国内核磁共振波谱（NMR）存量的全面评估和探讨，我们可以看到NMR技术在国内的广泛应用和存量逐年增长的现象。
国内各类高校、科研机构和医疗机构中都有着成熟的核磁共振仪器，其在化学、医学和生物学等领域的应用将继续推动科技进步和产业发展。
材料的核磁共振-(NMR)
表7-2列举了数种磁性核的磁旋比和它们发生
共振时ν 0和H0的相对值。即在相同的磁场中，
不同原子核发生共振时的频率各不相同，根据这一点
可以鉴别各种元素及同位素。
（2） 对于同一种核， 值一定。当外加磁场一定时，
共振频率也一定；当磁场强度改变时，共振频率也随
着改变。例如氢核在1.409T的磁场中，共振频率为
m = -1/2 的取向由于与外磁场方向相反，能量较 m = +1/2者为高，其能量差E 等于：
E
由于I =1/2，故
H 0
I
E 2H 0
式中 为自旋核产生的磁矩。
图7-3 在外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图
在磁场中，核旋转所产生的磁矩与外磁场之间的相互作
用使核受到力矩的作用而偏转；同样自转核的赤道平面 也因受到力矩作用而发生偏转，其结果是使核磁矩绕着磁场方向 转动－－拉莫尔进动，进动时有一定的频率，称拉摩尔频率。
处于静磁场中的核自旋体系，当其拉莫尔进动频率与作
用于该体系的射频场频率相等时，所发生的吸收电磁波
的现象－－核磁共振。
发生核磁共振的条件：
H 0 0 2
发生共振时射电频率ν0与磁场强度H0之间的关系。 讨论： （1）对于不同的原子核，由于 (磁旋比)不同，发生
共振的条件不同，即发生共振时的ν 0与H0相对值不同。
在外磁场H0的作用下核的共振频率为：
H 0 (1 ) 2
γ 为磁旋比
化学位移：
由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大
的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。
在有机化合物中，
各种氢核 周围的电子云
密度不同（结构中不同 位置）共振频率有差异， 即引起共振吸收峰的位 移，这种现象称为化学
NMR(核磁共振)分析
p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
h p I（I 1） 2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
原子核在磁场中的回旋, 这种现象与一个自旋的陀螺 与地球重力线做回旋的情况相似。 换句话说：由于磁场的作用，原子核一方面绕轴 自旋，另一方面自旋轴又围绕着磁场方向进动。其进动 频率，除与原子核本身特征有关外，还与外界的磁场强 度有关。进动时的频率、自旋质点的角速度与外加磁场 的关系可用Larmor方程表示： ω = 2 π v = γ B0 （5.4） v = γ / 2π B0 （5.5） 式中：ω— 角速度；v — 进动频率（回旋频率）； γ— 旋磁比（特征性常数）
在化学领域中的应用
１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型； ２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用 层析和纸层析检查不出来的杂质； ３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能 测定出混合物的比率； ４质子交换，单键的旋转和环的转化等。
5.2 核磁共振基本原理
5.2.1 原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子 核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生 核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平 行，且磁矩与角动量成正比，即 μ=γp ( 5.1 ) 式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad· T−1· s−1，即核磁 矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比， 它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核 磁子单位等于5.05×10−27J· T−1；
核磁共振光谱NMR光谱
自旋量子数（I）不为零的核都具有自旋现象和磁矩， 原子的自旋情况可以用（I）表征：
质量数 偶数
偶数 奇数
电荷数 偶数
奇数 奇数或偶数
自旋量子数I
0
16O8；12C8；32S16
1，2，3…
2H1，14N7
1/2；3/2；5/2… 1H1，13C6，19F9 17O8
a
12
(1) I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（22） 等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。
a
19
原子核的经典力学模型
当带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋 磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为拉莫进动， 如下图。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用拉 莫（Larmor）方程表示：
E2B0 2 hB0
当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，氢核有两种取向 (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;
a
18
又因为，
E2B0 2 hB0
E h0
h 2
B0
h0
所以，
0
2
B0
也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起 能级跃迁并产生吸收。
a
7
NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收 ，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的 工具之一，有时亦可进行定量分析。在有机化合物结构鉴定中要求掌 握的是1H NMR（氢谱）和 13C NMR的应用。
（测定有机化合
物的结构，氢原
子的位置、环境 以及官能团和C 骨架上的H原子 相对数目）
nmr名词解释
NMR名词解释
NMR（核磁共振）是一种分析化学技术，利用原子核在外磁场作用下的共振吸收现象来获得物质的结构和环境信息。
化学位移是NMR中的一个重要参数，表示一种化合物中特定原子核共振频率与参考化合物共振频率的差异。
峰是一个NMR谱图中的特征信号，表示不同化学位移的原子核吸收信号强度。
耦合常数是NMR谱图中的一个参数，表示相邻原子核之间的相互作用强度。
弛豫时间是NMR中的一个重要参数，表示原子核自旋重新恢复平衡所需的时间。
NMR(核磁共振)解析
自旋—自旋驰豫虽然与体系保持共振条件无关，但却 影响谱线的宽度。核磁共振谱线宽度与核在激发状态的 寿命成反比。对于固体样品来说，T1很长，T2却很短， T2起着控制和支配作用，所以谱线很宽。而在非粘稠液 体样品中，T1和T2一般为1s左右。所以要得到高分辨 的NMR谱图，通常把固体样品配成溶液进行测定。
到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程称为驰豫 （relaxation）过程
驰豫过程可分为两种：自旋—晶格驰豫和自旋— 自旋驰豫
（1）自旋—晶格驰豫（spin-lattice relaxation）：自旋—晶格 驰豫也称为纵向驰豫，是处于高能态的核自旋体系与其周围的 环境之间的能量交换过程。当一些核由高能态回到低能态时， 其能量转移到周围的粒子中去，对固体样品，则传给晶格，如 果是液体样品，则传给周围的分子或溶剂。自旋—晶格驰豫的 结果使高能态的核数减少，低能态的核数增加，全体核的总能 量下降。
E
hv回
hv射
hγ
2
B0
(5.7)
或
v射
v回
γ
2
B0
(5.8)
可见射频频率与磁场强度B0是成正比的，在进行核磁 共振实验时，所用磁场强度越高，发生核磁共振所需的 射频频率越高。
5.2.5 核的自旋弛豫
前面讨论的是单个自旋核在磁场中的行为，而实际测定 中，观察到的是大量自旋核组成的体系。一组1H核在 磁场作用下能级被一分为二，如果这些核平均分布在高 低能态，也就是说，由低能态吸收能量跃迁到高能态和 高能态释放出能量回到低能态的速度相等时，就不会有 静吸收，也测不出核磁共振信号。但事实上，在热力学 温度0K时，全部1H核都处于低能态（取顺磁方向）， 而在常温下，由于热运动使一部分的1H核处于高能态 （取反磁方向），在一定温度下处于高低能态的核数会 达到一个热平衡。处于低能态的核和处于高能态的核的 分布，可由玻尔兹曼分配定律算出。例如 B0=1.4092T , T=300K时，则:
nmr氧谱
nmr氧谱
NMR（核磁共振）氧谱是一种测量化合物中氧原子核的核磁共振光谱的方法。
在NMR氧谱中，通过对化合物中氧原子核的化学位移、自旋-自旋耦合常数和峰面积等参数进行分析，可以获得有关化合物中氧原子的信息，如氧原子的数量、位置和键合状态等。
NMR氧谱在化学、生物学和医学等领域有广泛的应用。
例如，它可以用于研究生物体内的代谢过程，探索化合物的合成机理，以及鉴定化学物质的成分和结构等。
由于NMR氧谱技术可以提供分子中氧原子的详细信息，因此对于化合物的鉴定和结构解析具有重要的应用价值。
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驰豫过程可分为两种：自旋—晶格驰豫和自旋— 自旋驰豫
（1）自旋—晶格驰豫（spin-lattice relaxation）：自旋—晶格 驰豫也称为纵向驰豫，是处于高能态的核自旋体系与其周围的 环境之间的能量交换过程。当一些核由高能态回到低能态时， 其能量转移到周围的粒子中去，对固体样品，则传给晶格，如 果是液体样品，则传给周围的分子或溶剂。自旋—晶格驰豫的 结果使高能态的核数减少，低能态的核数增加，全体核的总能 量下降。
（2）自旋—自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋— 自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转
移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃
迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全 体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表 示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固 定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液 体样品，T2约1s。
（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。
核磁共振波谱仪主要由磁铁、射频振荡器、射频接收器等 组成
（1）磁铁
可以是永久磁铁，也可以是电磁铁，前者稳定性好。磁场 要求在足够大的范围内十分均匀。当磁场强度为1.409T时，其 不均匀性应小于六千万分之一。这个要求很高，即使细心加工 也极难达到。因此在磁铁上备有特殊的绕组，以抵消磁场的不 均匀性。磁铁上还备有扫描线圈，可以连续改变磁场强度的百 万分之十几。可在射频振荡器的频率固定时，改变磁场强度， 进行扫描。
e e N 1 / 2 E / kT hB0 / 2T 1.0000099
N 1/ 2
式中：N+ — 处于低能态核的数目； N—— 处于高能态核的数目； △E— 高低能态的能量差； K— 玻耳兹曼常数； T—热力学温度。
对于氢核，处于低能态的核比高能态的核稍多一点，约百万分
之十左右。也就是说，在1 000 000个氢核中，低能态的核仅 比高能态的核多十个左右，而NMR信号就是靠这极弱量过剩的 低能态氢核产生的。如果低能态的核吸收电磁波能量向高能态 跃迁的过程连续下去，那么这极微量过剩的低能态氢核就会减
p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
p h I（I 1） 2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
5.2.4 核跃迁与电磁辐射(核磁共振)
已知核从低能级自旋态向高能态跃迁时，需要一定能 量，通常，这个能量可由照射体系用的电磁辐射来供给。 如果用一频率为ν射的电磁波照射磁场中的1H核时，电 磁波的能量为
E射 = h v射
(5.6)
当电磁波的频率与该核的回旋频率ν回相等时，电磁波 的能量就会被吸收，核的自旋取向就会由低能态跃迁到 高能态，即发生核磁共振。此外E射=ΔE，所以发生核 磁共振的条件是:
原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子 核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生 核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平 行，且磁矩与角动量成正比，即
μ=γp
( 5.1 )
式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad·T−1·s−1，即核磁 矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比， 它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核 磁子单位等于5.05×10−27J·T−1；
当I=0时，p=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I＞0时，p≠ 0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。 I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布，见 图5.1（b）核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是NMR主 要的研究对象。I＞1/2的原子核，自旋过程中电荷在核表面非均 匀分布
核
5.2.3 核的回旋
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进动。
原子核在磁场中的回旋, 这种现象与一个自旋的陀螺 与地球重力线做回旋的情况相似。
换句话说：由于磁场的作用，原子核一方面绕轴 自旋，另一方面自旋轴又围绕着磁场方向进动。其进动 频率，除与原子核本身特征有关外，还与外界的磁场强 度有关。进动时的频率、自旋质点的角速度与外加磁场 的关系可用Larmor方程表示：
5.2.2 自旋核在外加磁场中的取向数和能级
按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取向 数不是任意的，可按下式计算：
自旋取向数= 2I＋1 以H核为例，因I =1/2，故在外加磁场中，自旋取向 数=2（1/2）＋1=2，即有两个且自旋相反的两个取 向，其中一个取向磁矩与外加磁场B0一致；另一取向， 磁矩与外加磁场B0相反。两种取向与外加磁场间的夹 角经计算分别为54024'（θ1）及125036'（θ2）。见 图5.2
第五章 核磁共振波谱分析 （NMR）
1 概述
核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR）类似于红外或 紫外吸收光谱，是吸收光谱的另一种形式。
核磁共振波谱是测量原子核对射频辐射（4～ 600MHz）的吸收，这种吸收只有在高磁场中才能产生。 核磁共振是近几十年发展起来的新技术，它与元素分析、 紫外光谱、红外光谱、质谱等方法配合，已成为化合物 结构测定的有力工具。目前核磁共振波谱的应用已经渗 透到化学学科的各个领域，广泛应用于有机化学、药物 化学、生物化学、环境化学等与化学相关的各个学科。
在化学领域中的应用
１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型； ２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用
层析和纸层析检查不出来的杂质； ３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能
测定出混合物的比率； ４质子交换，单键的旋转和环的转化等。
5.2 核磁共振基本原理
5.2.1 原子核的磁矩
由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.4T，这相 应于氢核的共振频率为100MHz。对于200MHz以上高频谱仪 采用超导磁体。由含铌合金丝缠绕的超导线圈完全浸泡在液氦 中间，对超导线圈缓慢地通入电流，当超导线圈中的电流达到 额定值（即产生额定的磁场强度时），使线圈的两接头闭合， 只要液氦始终浸泡线圈，含铌合金在此温度下的超导性则使电 流一直维持下去。使用超导磁体，可获得10~17.5T的磁场， 其相应的氢核共振频率为400~750 MHz。
5.3 核磁共振波谱仪与实验方法
5.3.1 仪器原理及组成 我们知道，实现NMR即满足核跃迁的条件 是：
△E（核跃迁能）= △E，（辐射能）
即
2μB0 = h vຫໍສະໝຸດ 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）。
少，吸收信号的强度也随之减弱。最后低能态与高能态的核数
趋于相等，使吸收信号完全消失，这时发生“饱和”现象。但
是，若较高能态的核能够及时回复到较低能态，就可以保持稳 定信号。由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量△E是很 小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失
去能量返回到低能态（如发射光谱那样），这种由高能态回复
图5.2 H核在磁场中的行为
应当注意，每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态，
并可用磁量子数（m）来表示，它是不连续的量子化能级。m取值
可由 －I……0……＋I决定。例如：I=1/2，则m= −1/2，0，＋
1/2；I=1，则m = －1，0，＋1。
在上图中，当自旋取向与外加磁场一致时（m =＋1/2），氢核 处于一种低能级状态（E=－μB0）；相反时（m=－1/2），氢核 处于一种高能级状态（E=＋μB0）两种取向间的能级差，可用ΔE 来表示：
自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系见表：
质量数A 偶数 奇数
原子序数Z 偶数 奇或偶数
31P15 奇数 奇或偶数
偶数
奇数
自旋量子数 0 ½
INMR信号
原子核
无
12C6 16O832S16
有
1H1，13C6
19F9，15N7，
3/2,5/2 … 1,2,3
有
17O8，33S16
有
2H1，14N7
图5.1 原子核的自旋形状
有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P 等都有核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振 信号相对简单，已广泛用于有机化合物的结构测定
然而，核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然 丰度和旋磁比的立方成正比的，如1H的天然丰度为 99.985%，19F和31P的丰度均为100%，因此，它们 的共振信号较强，容易测定，而13C的天然丰度只有 1.1%，很有用的15N和17O核的丰度也在1%以下，它 们的共振信号都很弱，必须在傅里叶变换核磁共振波谱仪 上经过多次扫描才能得到有用的信息。
ΔE = E2－E1 =＋μB0－(－μB0) = 2μB0 式中：μ为氢核磁矩；B0为外加磁场强度
(5.3)
上式表明：氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能量ΔE与外 加磁场强度B0及氢核磁矩μ成正比
图5.3 能级裂分与外加磁场强度的关系