核磁共振波谱法幻灯片
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v低能态的核吸收能量自低能态跃迁到高能态，能量 将不再吸收。与此相应，作为核磁共振的信号也将 逐渐减退，直至完全消失。此种状态称作“饱和” 状态。
v在核磁共振条件下，在低能态的核通过吸收能量向 高能态跃迁的同时，高能态的核也通过以非辐射的 方式将能量释放到周围环境中由高能态回到低能态， 从而保持Boltzman分布的热平衡状态。这种通过无 辐射的释放能量途径核由高能态回到低能态的过程 14 称作“弛豫”。
则：处于低能级态的1H就会吸收电磁波的能量，跃迁到 高能级态，发生核磁共振。
11
1.2.4 核磁共振的条件 发生核磁共振时，必须满足下式：
③式称为核磁共振基本关系式。 ❖ 可见，固定H0，改变ν射或固定ν射，改变H0都可满足③
式，发生核磁共振。 但为了便于操作，通常采用后一种方法。
12
1.2.5 核磁共振的产生
4
1.1 原子核的自旋和自旋磁矩
1.1.1 原子核的自旋运动：自旋量子数(I) 原子的质量数(A) 和原子序数(Z)
• 自旋量子数I = 0 的原子核：没有自旋运动 • 自旋量子数I≠0 的原子核：都有自旋运动
5
原子核自旋
微电流
磁性核
自旋磁矩（μ） μ= γ·P
γ为旋磁比：γ值越大，核的磁性越强，
• 弛豫过程：激发核通过非辐途径损失能量而恢复至基 态的过程。弛豫是维持连续共振信号的必要条件
• 饱和：若无弛豫过程，高、低能级的粒子数很快就能 相等，将不再有核磁共振信号，该现象为饱和。
15
§2 核磁共振谱
2.1 核磁共振谱的表示方法
（1）核磁共振谱图
16
核磁共振氢谱图示
C6H5CH2CH3 C6H5
1 2
H0
9
1.2.2 核磁矩在外磁场中的能量
1H核自旋能级分裂及其与H0的强弱有关：
E＝
g
h 2p
Ho
1
10
根据量子化学，有：
n=
g 2p
Ho
3
γ——磁旋比；h ——普朗克常数；H0 ——外加磁场强度。 Ø 如果用一个处于射频范围的电磁波照射处于H0中的1H， 当电磁波的频率ν射恰好满足
DE＝hν ——②
这种现象称为核磁共振。
2
兆赫频 率器
接受器及 放大器
示波器及 记录器
磁
磁
铁
铁
图16—1 核磁共振仪示意图
v核磁共振仪示意图解释
照射的无线电波(射频波)是由照射频率发生器产生，通 过照射线圈R作用于样品上。样品溶液装在样品管中插入磁 场，样品管匀速旋转以保障所受磁场的均匀性。用扫场线圈 调节外加磁场强度,若满足某种化学环境的原子核的共振条 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(不共振时无电流)。感应电流被放大、记 录，即得NMR信号。若依次改变磁场强度，满足不同化学环 境核的共振条件，则获得核磁共振谱。
• 在外磁场中，有自旋磁矩的原子核的两个相 邻核磁能级的能量差与无线电波的能量相当。 如用一无线电波来照射样品，当无线电波的 能量与原子核的两个相邻核磁能级的能量差 相等时，原子核就会吸收该无线电波的能量， 发生能级跃迁，由低能自旋状态变成高能自 旋状态。这种现象就是核磁共振现象。
13
1.3 饱和与弛豫
1 2
N
H0
N
m=+
1 2
核回旋的频率(ν0) Larmor频率
8
1.2.1自旋核在外磁场中的空间取向-量子化
在外加磁场（HO）中，质子自旋所产生的磁矩有两种取向：
与HO同向或反向，对应于或两个自旋态。
与H0反向，m=-12 高能级
与H0同向，m=+12
产生能级差 E 低能级
0
m=-
1 2
DE
m=+
• s—单峰；d—双峰（二重峰）；t—三峰 （三重峰）；q—四峰（四重峰）；m—多 峰（多重峰）
19
§3 化学位移 (Chemical shift)
化学环境不同 的1H 核在不 同位置（ν） 产生共振吸 收
化学环境不同的1H 核在外磁场中 以不同的Larmor频率进动；1H 核在分子中所处的化学环境不同 导致Larmor频率位移
检测灵敏度越高
• 1H 26.7519 ×107 T-1 s-1
• 13C 6.7283 ×107 T-1 s-1
• 自旋角动量（P）
6
自旋磁矩 μ
自 旋 轴
1.2 原子核在外磁场B0中的自旋运动 ——进动
重力场中陀螺的运动
7
自旋量子数I= 1/2 的自旋核在外磁场中的运动
Larmor进动
m=-
CH3
CH2
17
17Leabharlann 核磁共振氢谱信号 结构信息
信号的位置 （化学位移）
信号的数目
信号的强度 （积分面积）
信号的裂分 （自旋偶合）
质子的化学环境 化学等价质子的组数 引起该信号的氢原子数目
邻近质子的数目，J（偶 合常数）单位：Hz
18
（2）核磁共振数据
• 乙酸乙酯的核磁共振氢谱 1H NMR ( 300 MHz, CDCl3 ),δ( ppm) 1.867 ( t, J= 7.2 Hz, 3H ), 2.626 ( s, 3H ), 4.716 ( q, J= 7.2 Hz, 2H )
自旋裂分 自旋偶合
No Image
24
4.2 自旋裂分的规律（一级裂分）
4.2.1 裂分峰的数目 • n + 1 规律（n 为产生偶合的邻近质子数目） （1）自旋偶合的邻近质子相同时，n 个相同
20
3.1 化学位移产生的原因
• 核外电子运动的感应磁场强度 B感应=σB0
• 1H 核实际感受到的磁场强度 B= B0 −B感应 = B0 −σB0 = B0 ( 1 −σ)
21
❖屏蔽效应和屏蔽常数
• 核外电子运动产生的 感应磁场导致1H核实
际感受到的磁场强度 小于外磁场强度。
屏蔽效应 σ 屏蔽常数
Larmor频率位移
22
❖化学位移的来源
不同化学环境的质子，因其周围电子云密度不同， 裸露程度不同，其σ值也不同，从而发生核磁共振的 H0不同。这就是化学位移的来源。 Ø 所以，化学位移也可定义为由于屏蔽程度不同而引 起的NMR吸收峰位置的变化。
23
§4 自旋偶合和自旋裂分
4.1 峰的裂分 邻近质子自旋磁矩间的相互作用
核磁共振波谱法
Nuclear Magnetic Resonance NMR
1
§1 核磁共振的基本原理
核磁共振
强磁场中原子 核的自旋运动
无线电波 电磁辐射
v核磁共振
（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) NMR是由磁性核在强磁场中，受无线电波幅射而产生
核自旋能级跃迁，导致核磁矩方向改变而产生感应电流，
v在核磁共振条件下，在低能态的核通过吸收能量向 高能态跃迁的同时，高能态的核也通过以非辐射的 方式将能量释放到周围环境中由高能态回到低能态， 从而保持Boltzman分布的热平衡状态。这种通过无 辐射的释放能量途径核由高能态回到低能态的过程 14 称作“弛豫”。
则：处于低能级态的1H就会吸收电磁波的能量，跃迁到 高能级态，发生核磁共振。
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1.2.4 核磁共振的条件 发生核磁共振时，必须满足下式：
③式称为核磁共振基本关系式。 ❖ 可见，固定H0，改变ν射或固定ν射，改变H0都可满足③
式，发生核磁共振。 但为了便于操作，通常采用后一种方法。
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1.2.5 核磁共振的产生
4
1.1 原子核的自旋和自旋磁矩
1.1.1 原子核的自旋运动：自旋量子数(I) 原子的质量数(A) 和原子序数(Z)
• 自旋量子数I = 0 的原子核：没有自旋运动 • 自旋量子数I≠0 的原子核：都有自旋运动
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原子核自旋
微电流
磁性核
自旋磁矩（μ） μ= γ·P
γ为旋磁比：γ值越大，核的磁性越强，
• 弛豫过程：激发核通过非辐途径损失能量而恢复至基 态的过程。弛豫是维持连续共振信号的必要条件
• 饱和：若无弛豫过程，高、低能级的粒子数很快就能 相等，将不再有核磁共振信号，该现象为饱和。
15
§2 核磁共振谱
2.1 核磁共振谱的表示方法
（1）核磁共振谱图
16
核磁共振氢谱图示
C6H5CH2CH3 C6H5
1 2
H0
9
1.2.2 核磁矩在外磁场中的能量
1H核自旋能级分裂及其与H0的强弱有关：
E＝
g
h 2p
Ho
1
10
根据量子化学，有：
n=
g 2p
Ho
3
γ——磁旋比；h ——普朗克常数；H0 ——外加磁场强度。 Ø 如果用一个处于射频范围的电磁波照射处于H0中的1H， 当电磁波的频率ν射恰好满足
DE＝hν ——②
这种现象称为核磁共振。
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兆赫频 率器
接受器及 放大器
示波器及 记录器
磁
磁
铁
铁
图16—1 核磁共振仪示意图
v核磁共振仪示意图解释
照射的无线电波(射频波)是由照射频率发生器产生，通 过照射线圈R作用于样品上。样品溶液装在样品管中插入磁 场，样品管匀速旋转以保障所受磁场的均匀性。用扫场线圈 调节外加磁场强度,若满足某种化学环境的原子核的共振条 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(不共振时无电流)。感应电流被放大、记 录，即得NMR信号。若依次改变磁场强度，满足不同化学环 境核的共振条件，则获得核磁共振谱。
• 在外磁场中，有自旋磁矩的原子核的两个相 邻核磁能级的能量差与无线电波的能量相当。 如用一无线电波来照射样品，当无线电波的 能量与原子核的两个相邻核磁能级的能量差 相等时，原子核就会吸收该无线电波的能量， 发生能级跃迁，由低能自旋状态变成高能自 旋状态。这种现象就是核磁共振现象。
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1.3 饱和与弛豫
1 2
N
H0
N
m=+
1 2
核回旋的频率(ν0) Larmor频率
8
1.2.1自旋核在外磁场中的空间取向-量子化
在外加磁场（HO）中，质子自旋所产生的磁矩有两种取向：
与HO同向或反向，对应于或两个自旋态。
与H0反向，m=-12 高能级
与H0同向，m=+12
产生能级差 E 低能级
0
m=-
1 2
DE
m=+
• s—单峰；d—双峰（二重峰）；t—三峰 （三重峰）；q—四峰（四重峰）；m—多 峰（多重峰）
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§3 化学位移 (Chemical shift)
化学环境不同 的1H 核在不 同位置（ν） 产生共振吸 收
化学环境不同的1H 核在外磁场中 以不同的Larmor频率进动；1H 核在分子中所处的化学环境不同 导致Larmor频率位移
检测灵敏度越高
• 1H 26.7519 ×107 T-1 s-1
• 13C 6.7283 ×107 T-1 s-1
• 自旋角动量（P）
6
自旋磁矩 μ
自 旋 轴
1.2 原子核在外磁场B0中的自旋运动 ——进动
重力场中陀螺的运动
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自旋量子数I= 1/2 的自旋核在外磁场中的运动
Larmor进动
m=-
CH3
CH2
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17Leabharlann 核磁共振氢谱信号 结构信息
信号的位置 （化学位移）
信号的数目
信号的强度 （积分面积）
信号的裂分 （自旋偶合）
质子的化学环境 化学等价质子的组数 引起该信号的氢原子数目
邻近质子的数目，J（偶 合常数）单位：Hz
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（2）核磁共振数据
• 乙酸乙酯的核磁共振氢谱 1H NMR ( 300 MHz, CDCl3 ),δ( ppm) 1.867 ( t, J= 7.2 Hz, 3H ), 2.626 ( s, 3H ), 4.716 ( q, J= 7.2 Hz, 2H )
自旋裂分 自旋偶合
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4.2 自旋裂分的规律（一级裂分）
4.2.1 裂分峰的数目 • n + 1 规律（n 为产生偶合的邻近质子数目） （1）自旋偶合的邻近质子相同时，n 个相同
20
3.1 化学位移产生的原因
• 核外电子运动的感应磁场强度 B感应=σB0
• 1H 核实际感受到的磁场强度 B= B0 −B感应 = B0 −σB0 = B0 ( 1 −σ)
21
❖屏蔽效应和屏蔽常数
• 核外电子运动产生的 感应磁场导致1H核实
际感受到的磁场强度 小于外磁场强度。
屏蔽效应 σ 屏蔽常数
Larmor频率位移
22
❖化学位移的来源
不同化学环境的质子，因其周围电子云密度不同， 裸露程度不同，其σ值也不同，从而发生核磁共振的 H0不同。这就是化学位移的来源。 Ø 所以，化学位移也可定义为由于屏蔽程度不同而引 起的NMR吸收峰位置的变化。
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§4 自旋偶合和自旋裂分
4.1 峰的裂分 邻近质子自旋磁矩间的相互作用
核磁共振波谱法
Nuclear Magnetic Resonance NMR
1
§1 核磁共振的基本原理
核磁共振
强磁场中原子 核的自旋运动
无线电波 电磁辐射
v核磁共振
（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) NMR是由磁性核在强磁场中，受无线电波幅射而产生
核自旋能级跃迁，导致核磁矩方向改变而产生感应电流，