核磁共振氢谱解析共100页文档
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核磁共振氢谱解析
CH3
I b c 0.9 2.6
II 0.9 +0.35=1.25 1.3+0.3=1.6
3．1H NMR谱图解析时的注意事项
区分杂质峰、溶剂峰和旋转边带等非样 品峰；
注意分子是否有对称性；
注意分子中活泼氢产生的信号；
注意不符合一级谱图的情况。
.. CH3 b C N H CH3 a O
O
+ CH3 b C N H CH3 a
- 在氘代氯仿溶剂中，b2.88；a2.97。 - 逐步加入各向异性溶剂苯，a和b甲基的化学 位移逐渐靠近，然后交换位置。
£ O
b
£ C H3C « H N CH3
a
由于存在溶剂效应，在查阅或报道核磁共振 数据时应注意标明测试时所用的溶剂。如使用 混合溶剂，还应说明两种者的比例。
HA X HA' HB Y HB' X HA' Y HA Y HB
2. 耦合作用的一般规则
一组磁等价的核如果与另外 n 个磁等价的核 相邻时，这一组核的谱峰将被裂分为2nI＋1 个峰，如I＝1/2，裂分峰数目等于n＋1个， 通常称为“n＋1规律”。 如某组核既与一组 n 个磁等价的核耦合，又 与另一组 m个磁等价的核耦合，且两种耦合 常数不同，则裂分峰数目为 (n+1)(m+1)。
(7) 交换反应
当一个分子有两种或两种以上的形式，且各 种形式的转换速度不同时，会影响谱峰位置和 形状。如N,N-二甲基甲酰胺在不同温度下甲基 信号的变化：
分子之间的交换反应
－OH、－NH2等活泼氢可在分子间交换。如羧 酸水溶液中发生如下交换反应：
RCOOH(a)＋HOH(b) RCOOH(b)＋HOH(a)
核磁共振氢谱解析
7
扫频：固定外加磁场 强度H0，通过逐渐改 变电磁辐射频率来检 测共振信号。
扫场：固定电磁辐射 频率，通过逐渐改变 磁场强度来检测共振 信号。
核磁共振所需辐射频率：=（2μ/h）H0
8
9
屏蔽效应
核外电子在与外加磁场垂直的平面上绕核旋转同时将产生一 个与外加磁场相对抗的第二磁场。结果对氢核来说，等于增 加了一个免受外加磁场影响的防御措施。这种作用叫做电子 的屏蔽效应。
R
O C 2.2 CH3
AR
O O 2.1 CH3
13
3）化学位移的影响因素 （1）电负性 随着相连基团电负性的增加氢核外围电子云密度不断降低， 故化学位移值（d ）不断增大
化 合 物 氢核的化学位移
(CH3)4Si
(CH3)3-Si(CD2)2CO2－Na+ CH3I CH3Br CH3Cl CH3F CH3NO2
0.00
0.00 2.2 2.6 3.1 4.3 4.3
CH2Cl2
CHCl3
5.5
7.3
14
3）化学位移的影响因素 （2）磁各向异性
烯氢：4.5~5.7 醛氢：9.4~10.0 6.0-9.0
RH
～1
1.8~3.0
15
单键的磁各向异性
H C C H H
C C C H H
C C C C H
甲基 0.85～0.95
21
质子化学位移的经验计算
取代基对苯环芳氢的影响（d=7.27+Ss）
取代基 供电基团 -OH -OCH3 -CH3 吸电基团 -COCH3 +0.64 +0.09 +0.30 -0.50 -0.43 -0.17 -0.14 -0.09 -0.09 -0.40 -0.37 -0.18 o m p
有机化合物谱图解析-核磁共振氢谱(一)
[18] 抗磁环流 -2.99(环内6H, -60)，9.28(环外12H, -60) [20] 顺磁环流 10.9~13.9(环内7H, -105)，4.1~6.6(环外13H,
-105) [22] 抗磁环流 -0.4~1.2(环内8H, -90)，9.3~9.65(环外14H,
-90)
[24] 顺磁环流 11.43~12.9(环内9H, -80)，4.73(环外15H, -80)
2）它们对任意另一核的耦合常数J相同（数值及符号）。
HA'
磁不等价： X
HA
HB' Y
HB
HA C
HB
FA C
FB
磁等价：
HA' X
HA
Y HB
Y
第十五页，共33页。
2.3.3 自旋体系（Spin system）
相互耦合的核组成自旋体系
1）化学位移相同的核构成一个核组。用A, B, M, X, ……标注；
芳环氢： 3J：6~9Hz; 4J：1~3Hz; 5J：0~1Hz
杂芳环：与杂原子位置有关，紧接杂原子的3J较小
第八页，共33页。
2.3 自旋耦合体系及核磁共振谱图的分类 2.3.1 化学等价（Chemical equivalent) 1. 分子中各原子核处于相对静止的情况 • 分子中的两基团（或质子）通过旋转操作可互换，则为化
2.6.2 重氢交换 2.6.3 介质效应
2.6.4 位移试剂
2.6.5 计算机模拟谱图
第三十二页，共33页。
Eu(dpm)3
内容总结
第二章 核磁共振氢谱。2）取代基的电负性：随着电负性的增加，3J下降。杂芳环：与杂原子位置有关 ，紧接杂原子的3J较小。若与某碳原子相连的四个基团互不等同时，该碳原子则是一手性中心（chiral center ）。若某碳原子连有一对相同的基团时，该碳原子则是前手性中心（prochiral center）。4）若核组内的核磁 不等价，用AA’A’’,。A3MM’XX’。只要存在强耦合体系，就可表现出“虚假” 耦合
-105) [22] 抗磁环流 -0.4~1.2(环内8H, -90)，9.3~9.65(环外14H,
-90)
[24] 顺磁环流 11.43~12.9(环内9H, -80)，4.73(环外15H, -80)
2）它们对任意另一核的耦合常数J相同（数值及符号）。
HA'
磁不等价： X
HA
HB' Y
HB
HA C
HB
FA C
FB
磁等价：
HA' X
HA
Y HB
Y
第十五页，共33页。
2.3.3 自旋体系（Spin system）
相互耦合的核组成自旋体系
1）化学位移相同的核构成一个核组。用A, B, M, X, ……标注；
芳环氢： 3J：6~9Hz; 4J：1~3Hz; 5J：0~1Hz
杂芳环：与杂原子位置有关，紧接杂原子的3J较小
第八页，共33页。
2.3 自旋耦合体系及核磁共振谱图的分类 2.3.1 化学等价（Chemical equivalent) 1. 分子中各原子核处于相对静止的情况 • 分子中的两基团（或质子）通过旋转操作可互换，则为化
2.6.2 重氢交换 2.6.3 介质效应
2.6.4 位移试剂
2.6.5 计算机模拟谱图
第三十二页，共33页。
Eu(dpm)3
内容总结
第二章 核磁共振氢谱。2）取代基的电负性：随着电负性的增加，3J下降。杂芳环：与杂原子位置有关 ，紧接杂原子的3J较小。若与某碳原子相连的四个基团互不等同时，该碳原子则是一手性中心（chiral center ）。若某碳原子连有一对相同的基团时，该碳原子则是前手性中心（prochiral center）。4）若核组内的核磁 不等价，用AA’A’’,。A3MM’XX’。只要存在强耦合体系，就可表现出“虚假” 耦合
核磁共振氢谱
核——原子核自旋 磁——外加磁场B0 共振——外界= 0进动 I≠0 诱导产生自旋能级分裂 能级跃迁
ν =
γ H0
2π
γ — 磁旋比(物质的特征常数)
射频频率与磁场H0有正比关系， 即磁场强度愈高，发生核磁共 振所需的射频频率也愈高。
E = hν = γ
h 2π
H0
例：60MHz的NMR谱仪，其磁铁的磁场 强度多大？
1
H 核：
自旋取向数 = 2×1/2 + 1 = 2
如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用, 即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。 氢核的磁场方向会发生变化:
H' H'
一 致
H0
相 反
每一种取向都对映一个能级状态，有一个ms 。如： 1H核：标记ms为－1/2 和 +1/2
高能态
ν= 数)
Proton NMR, Sample #1
Analysis:
C3H6O2 Help with Analysis
Proton NMR, Sample #2
Analysis:
C5H10O Help with Analysis
Advanced Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
1，氢的类型：通过化学位移来判断。例如，在氢谱中，可以制定甲基氢、芳 氢、烯氢、醛氢等等。
2，氢的化学环境：通过偶尔常数和自旋－自旋裂分来判断。例如，在氢谱中 可以判别甲基是与CH2相连，还是和CH相连。 3，氢的相对数量：可以通过峰面积或积分曲线显示各组质子间的相对数量。
4，氢的相对距离：通过核的Overhause效应可以测得质子在空间的相对距离。
1945年12月，珀塞尔和他的小组在石蜡样品中观察到质子的 核磁共振吸收信号，1946年1月，布洛赫和他的小组在水样品 中也观察到质子的核感应信号。他们两人用的方法稍有不同， 几乎同时在凝聚态物质中发现了核磁共振。他们发展了斯特恩 开创的分子束方法和拉比的分子束磁共振方法，精确地测定了 核磁矩。以后许多物理学家进入了这个领域，形成了一门新兴 实验技术，几年内便取得了丰硕的成果
ν =
γ H0
2π
γ — 磁旋比(物质的特征常数)
射频频率与磁场H0有正比关系， 即磁场强度愈高，发生核磁共 振所需的射频频率也愈高。
E = hν = γ
h 2π
H0
例：60MHz的NMR谱仪，其磁铁的磁场 强度多大？
1
H 核：
自旋取向数 = 2×1/2 + 1 = 2
如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用, 即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。 氢核的磁场方向会发生变化:
H' H'
一 致
H0
相 反
每一种取向都对映一个能级状态，有一个ms 。如： 1H核：标记ms为－1/2 和 +1/2
高能态
ν= 数)
Proton NMR, Sample #1
Analysis:
C3H6O2 Help with Analysis
Proton NMR, Sample #2
Analysis:
C5H10O Help with Analysis
Advanced Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
1，氢的类型：通过化学位移来判断。例如，在氢谱中，可以制定甲基氢、芳 氢、烯氢、醛氢等等。
2，氢的化学环境：通过偶尔常数和自旋－自旋裂分来判断。例如，在氢谱中 可以判别甲基是与CH2相连，还是和CH相连。 3，氢的相对数量：可以通过峰面积或积分曲线显示各组质子间的相对数量。
4，氢的相对距离：通过核的Overhause效应可以测得质子在空间的相对距离。
1945年12月，珀塞尔和他的小组在石蜡样品中观察到质子的 核磁共振吸收信号，1946年1月，布洛赫和他的小组在水样品 中也观察到质子的核感应信号。他们两人用的方法稍有不同， 几乎同时在凝聚态物质中发现了核磁共振。他们发展了斯特恩 开创的分子束方法和拉比的分子束磁共振方法，精确地测定了 核磁矩。以后许多物理学家进入了这个领域，形成了一门新兴 实验技术，几年内便取得了丰硕的成果
《核磁共振氢谱解析》PPT课件
在解析糖类的氢谱时，需要注意 区分不同糖环类型的影响，以便 准确推断出糖类分子的结构特征 。
由于糖类分子结构的复杂性，其 氢谱信号可能会出现重叠现象， 需要仔细解析以获得准确的结论 。
05
氢谱解析的挑战与展望
复杂样品与混合物的解析
挑战
复杂样品和混合物中的多种成分可能 导致谱线重叠和干扰，增加了氢谱解 析的难度。
峰面积
表示某一峰的强度或高 度，通常与产生该峰的
质子数成正比。
积分线
对谱线进行积分，得到 积分线，可以用于定量
分析。
校正因子
由于不同化学环境对质 子自旋耦合的影响，需 要引入校正因子来准确
计算质子数。
03
氢谱解析实践
简单分子的氢谱解析
总结词
掌握基础解析方法
01
总结词
熟悉常见峰型
03
总结词
注意杂质的干扰
解决方案
采用先进的谱图解析技术和化学位移 差异法，结合分子结构和物理状态信 息，对重叠的谱线进行分离和鉴别。
高磁场下的氢谱解析
挑战
高磁场条件下，氢谱的分辨率和灵敏度得到提高，但同时也带来了谱线复杂化 和解析难度增加的问题。
解决方案
利用高磁场下的多量子跃迁和异核耦合等效应，结合计算机模拟和量子化学计 算，对高磁场下的氢谱进行解析。
氢谱解析技巧与注意事项
总结词
重视峰的归属与确认
总结词
在复杂氢谱中，应注意分辨和区分重 叠的峰，运用适当的技巧和方法进行 解析。
详细描述
在解析氢谱时，应重视每个峰的归属 与确认，确保解析结果的准确性。
详细描述
注意峰的重叠与分辨
04
氢谱解析案例分析
案例一：醇类的氢谱解析
核磁共振氢谱的解析
2.2核磁共振氢谱的解析1、自旋偶合系统及分类（1）自旋－自旋偶合机理自旋核与自旋核之间的相互作用称自旋－自旋偶合（spin-spin coupling），简称自旋偶合。
下图是1,1，2－三氯乙烷的1HNMR谱。
双峰和三峰的出现是由于相邻的氢核在外加磁场B中产生不同的局部磁场且相互影响造成的。
CHCl2中有两种取向，与B同向和与B反向，粗略认为二者几率相等。
同向取向使CH2Cl的氢感受到外磁场强度稍稍增强，其共振吸收稍向低场（高频）位移，反向取向使CH2Cl的氢感受到的外磁场强度稍稍降低，其共振吸收稍向高场（低频）端位移，故CH使CH2裂分为双峰。
这种自旋－自旋偶合机理，认为是空间磁性传递的，即偶极－偶极相互作用。
对自旋－自旋偶合的另一种解释，认为是接触机理。
即自旋核之间的相互偶合是通过核之间成键电子对传递的。
根据Pauling原理（成键电子类的自旋方向相反）和Hund规则（同一原子对成键电子应自旋平行）及对应的电子自旋取向与核的自旋取向相同时，势能稍有降低，以Ha －C－C－Hb为例分析。
无偶合时Hb有一种跃迁方式，所吸收的能量为，在Ha 的偶合作用下，Hb有两种跃迁方式，对应的能量分别为E1，E2。
在Hb 的偶合作用下，Ha也被裂分为双峰，分别出现在处，峰间距等于Jab，J为偶合常数。
所以自旋－自旋偶合是相互的，偶合的结果产生谱线增多，即自旋裂分。
偶合常数（J）是推导结构的又一重要参数。
在1HNMR谱中，化学位移（δ）提供不同化学环境的氢。
积分高度（h）代表峰面积，其简化为各组数目之比。
裂分峰的数目和J值可判断相互偶合的氢核数目及基团的连接方式。
（2）n+1规律某组环境完全相等的n个核(I=1/2)，在B中共有(n+1)种取向，使与其发生偶合的核裂分为(n+1)条峰。
这就是(n+1)规律，概括如下：某组环境相同的氢若与n个环境相同的氢发生偶合，则被裂分为（n ＋1）条峰。
某组环境相同的氢，若分别与n个和m个环境不同的氢发生偶合，且J值不等，则被裂分为(n+1)(m+1)条峰。
核磁共振氢谱讲课文档
Beff = B0 - B’ 由于对抗磁场的大小正比于所加的外磁场强度, 上式可写为： Beff = B0 - σ B0 = H0 （1- σ）. 式中: σ为屏蔽常数
23
现在二十三页，总共九十六页。
σ与核外的电子密度及所处的化学环境有关, 电子云密度越大, 屏蔽程度越大, σ值也越大, 我们把在一定照射频率下，处于不 同化学环境的有机化合物中不同质子, 产生NMR的磁场强度不 同的现象称为“化学位移”。 化学位移的差别是很小的。但 是, 这是一个很重要的现象, 它是核磁共振在化学中应用的 基础。
15
现在十五页，总共九十六页。
自旋-自旋弛豫 （spin-spin Relaxation）：
• 高能态核把能量传给同类低能态的自旋核，本身回到低能态， 维持Boltzmann分布。结果是高低能态自旋核总数不变。
• 自旋-自旋弛豫过程的半衰期用T2表示。 • 液体T2～1s， 固体或粘度大的液体，T2很小，10-4～10-5s
16
现在十六页，总共九十六页。
二、核磁共振仪
NMR波谱仪按照磁体分类，可分为：永久磁体，电 磁体和超导磁体。
按照射频频率(1H的共振频率)分类，可分为：60，80， 90，100，200，300，400，500，600，700，900 MHz等。 按照射频源分类，又可以分为：连续波波谱仪(CWNMR)和傅里叶变换波谱仪(PFT-NMR)。
17
现在十七页，总共九十六页。
组成：磁铁、射频发生器、检测器、放大器、记录仪（放大器）、样品管
脉冲频率发射器
核磁管
脉冲频率放大器
检测器
扫描发生器
核磁共振光谱仪的简单构造示意图
原理：扫频--固定 H0，改变υ射，使υ射与H0匹配; 扫场--固定υ射，改变H0，使H0与υ射匹配;
23
现在二十三页，总共九十六页。
σ与核外的电子密度及所处的化学环境有关, 电子云密度越大, 屏蔽程度越大, σ值也越大, 我们把在一定照射频率下，处于不 同化学环境的有机化合物中不同质子, 产生NMR的磁场强度不 同的现象称为“化学位移”。 化学位移的差别是很小的。但 是, 这是一个很重要的现象, 它是核磁共振在化学中应用的 基础。
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现在十五页，总共九十六页。
自旋-自旋弛豫 （spin-spin Relaxation）：
• 高能态核把能量传给同类低能态的自旋核，本身回到低能态， 维持Boltzmann分布。结果是高低能态自旋核总数不变。
• 自旋-自旋弛豫过程的半衰期用T2表示。 • 液体T2～1s， 固体或粘度大的液体，T2很小，10-4～10-5s
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现在十六页，总共九十六页。
二、核磁共振仪
NMR波谱仪按照磁体分类，可分为：永久磁体，电 磁体和超导磁体。
按照射频频率(1H的共振频率)分类，可分为：60，80， 90，100，200，300，400，500，600，700，900 MHz等。 按照射频源分类，又可以分为：连续波波谱仪(CWNMR)和傅里叶变换波谱仪(PFT-NMR)。
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现在十七页，总共九十六页。
组成：磁铁、射频发生器、检测器、放大器、记录仪（放大器）、样品管
脉冲频率发射器
核磁管
脉冲频率放大器
检测器
扫描发生器
核磁共振光谱仪的简单构造示意图
原理：扫频--固定 H0，改变υ射，使υ射与H0匹配; 扫场--固定υ射，改变H0，使H0与υ射匹配;
核磁共振氢谱..讲课文档
2
(1)B0
质子的化 学位移
质子所在位置感应 磁场的方向和大小
结构因素 介质因素
1H核外电子运动 产生的感应磁场
分子中其它电子运 动产生的感应磁场
与B0反向
与B0反向
与B0同向
屏蔽作用
屏蔽作 用
去屏蔽作用
使化学位移 δ 值减小
使化学位移 δ 值增大
第三十六页，共140页。
1. 诱导效应
吸电子的诱导效应使核外电子云密度降低，起去屏蔽作用，化学位移值 增大；供电子的诱导效应起屏蔽作用，使化学位移减小。诱导效应越强 ，影响越大。
B0 = 4.7 T 时常见核的共振频率
0 MHz
第二十页，共140页。
1.6 核自旋驰豫
激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得 的能量释放到周围环境中去,使核从高能态回到原来 的低能态,这一过程称为自旋驰豫
• 驰豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件
自发辐射的概率近似为零
• 高能态核
低能态核
引起该信号的氢原子数目 邻近质子的数目
§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
1H 核磁共振的条件
O
2
300 MHz、400 MHz、500 MHz、 600 MHz、800 MHz 900 MHz
第二十四页，共140页。
由永久磁铁到电磁铁再到超导磁体
60 MHz 300 MHz 600 MHz
1.4092 T 7.046 T
分析化学课件-核磁共振氢谱的解析
d峰为 0.6 1H 0.6
二、核磁共振氢谱的解析方法
（一）解析顺序 1．首先检查内标物的峰位是否准确，底线是否平坦，
溶剂中残存的 1H 信号是否出现在预定的位置。 2．根据已知分子式，算出不饱和度U。 3．根据氢谱的积分曲线计算出各个信号对应的 H
数即氢分布。
4．先解析孤立甲基峰，例如，CH3－O－ 、CH3－N －及CH3－Ar等均为单峰。
(b)
图14-9 C9H9Br02 1H-NMR谱
(a) (b)
解析：（1）计算不饱和度
U 2 2 9 10 5 2
（2）推测结构式
由紫外光谱得知有 B 带和 R 带，说明 2个结 构式中均含有苯环和羰基。又由红外光谱得知化合物 (a)在指纹区位于840cm-1处有一吸收带，可以推测可 能为对取代苯；化合物(b)在指纹区800cm-1，890cm-1 左右有两个吸收峰，可能为间取代苯。
2．氢分布
a: 6H(1.8cm) b: 1H(0.3cm) c: 2H(0.6cm) d: 2H(0.6cm) e: 2H(0.6cm)
可能有苯环
3. 推断
a: 二重峰（6个H） 可能为
CH3 CH
CH3
b: 七重峰（1个H）
CH3 CH
CH3
可能为
c: (2H) 单峰
C9H13N C6H4 --) C3H7
3.51 单峰
2
3.60 单峰
3
7.20 单峰
5
可能结构式为：
可能基团 CH2 CH3
相邻基团
O CH2 C
O CH3
O CH2 C O CH3
(1) O
CH2 O C CH3
(2)
O O CH2 C CH3
二、核磁共振氢谱的解析方法
（一）解析顺序 1．首先检查内标物的峰位是否准确，底线是否平坦，
溶剂中残存的 1H 信号是否出现在预定的位置。 2．根据已知分子式，算出不饱和度U。 3．根据氢谱的积分曲线计算出各个信号对应的 H
数即氢分布。
4．先解析孤立甲基峰，例如，CH3－O－ 、CH3－N －及CH3－Ar等均为单峰。
(b)
图14-9 C9H9Br02 1H-NMR谱
(a) (b)
解析：（1）计算不饱和度
U 2 2 9 10 5 2
（2）推测结构式
由紫外光谱得知有 B 带和 R 带，说明 2个结 构式中均含有苯环和羰基。又由红外光谱得知化合物 (a)在指纹区位于840cm-1处有一吸收带，可以推测可 能为对取代苯；化合物(b)在指纹区800cm-1，890cm-1 左右有两个吸收峰，可能为间取代苯。
2．氢分布
a: 6H(1.8cm) b: 1H(0.3cm) c: 2H(0.6cm) d: 2H(0.6cm) e: 2H(0.6cm)
可能有苯环
3. 推断
a: 二重峰（6个H） 可能为
CH3 CH
CH3
b: 七重峰（1个H）
CH3 CH
CH3
可能为
c: (2H) 单峰
C9H13N C6H4 --) C3H7
3.51 单峰
2
3.60 单峰
3
7.20 单峰
5
可能结构式为：
可能基团 CH2 CH3
相邻基团
O CH2 C
O CH3
O CH2 C O CH3
(1) O
CH2 O C CH3
(2)
O O CH2 C CH3
核磁共振氢谱[1] (2) (1)
![核磁共振氢谱[1] (2) (1)](https://img.taocdn.com/s3/m/e52d2a23b4daa58da0114a1f.png)
CH3COOH + H2O 1:1
残留H2O对活泼质子信号的影响：活 泼H信号不固定
影响化学位移的因素
⑦ 溶剂效应：溶剂不同使化学位移改变的效应 溶剂效应的产生是由于溶剂的磁各向异性造成或者是由 于不同溶剂极性不同,与溶质形成氢键的强弱不同引起的.
第二节 核磁共振氢谱
4、有机化合物中质子化学位移规律：
② 磁各向异性
双键
CH3CH3 CH2=CH2 0.96 5.25
A α=1.27，β=0.85
B α=1.23，β=0.72
C α=1.17，β=1.01
② 磁各向异性
单键
影响化学位移的因素
③ 共轭效应(C效应):
当芳环、C=C与-OR，=C=O，-NO2等吸电 、供电基团相连时，d值发生相应的变化 例：
用惰性溶剂稀释时，δ↓ -OH ： 0.5~5 ； -CONH2 ： 5~8 ； -COOH ： 10~13
O R C CH2
O C R' R
OH
O R' R
O
H
O R'
C CH C 11~16 ppm
影响化学位移的因素
⑥活泼质子交换:
酸性 H( 与 O 、 N 、 S 相连的 H) ，存在 H交换反应：
饱和碳原子上的质子的 d 值：叔碳 > 仲碳 > 伯碳
与H相连的碳上有电负性大的原子或吸电子基团（N, O, X, NO2, CO等）， d 值变大。电负性越大，吸电子能力越强 ， d 值越大。 d 值：芳氢 > 烯氢 > 烷氢
有机化合物中各种质子的化学位移值
核磁共振氢谱
B= B0-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。
化学位移的表示
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。同一种原子核在不同化学环境中具有不 同的核磁共振信号频率，通常以四甲基硅烷为基准 进行衡量。
OCH3
0
为化学位移，ppm；
为标准物磁核共振频率；
CH3O
Si
OCH3
1 为样品磁核的共振频率；
OCH3
特征质子的化学位移值
影响化学位移的因素---诱导效应
电负性强的原子或基团吸电子诱导效应大，使得靠近它们的质子周围电子云密度减小，质子
所受到的抗磁性屏蔽减小，所以共振发生在较低场， 值较大
CH3X
CH3F
CH3OCH3
CH3Cl
CH3Br
CH3CH3
CH3H
CH3Li
X的电负性
4.0
4.26
3.5
3.24
3.1
3.05
2.8
2.68
2.5
0.88
2.1
0.2
0.98
-1.95
(ppm)
Cl CH2 H Cl2 CH H Cl3 C H
3.05 5.30 7.27
CH3 CH2 CH2 Br 1.25 1.69 3.30
磁各向异性效应
H: 7.3
H 4.5-5.7
H:23
苯环的屏蔽作用
在苯环的外周区域感应磁场的方向 与外加磁场的方向相同，苯环质子 正好位于去屏蔽区，实受磁场强度 为外加磁场和感应磁场之和,其δ值 比较大。
核磁共振氢谱解析共100页
• 质量数与电荷数均为双数，如C12，O16，没有 自旋现象。I=0
• 质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I 为半整数，1/2，3/2，5/2……
• 质量数为双数，但电荷数为单数，如H2，N14， I为整数，1，2……
• I为自旋量子数
自旋角动量（PN），自旋量子数（I） I=0，1/2，1，3/2……
交变频率与分辨率的关系
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。 • 溶剂：氘代试剂(CDCl3, C6D6 ,CD3OD,
CD3COCD3, C5D5N ) • 标准：四甲基硅烷 (CH3)4Si ，缩写：TMS
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 C)，利于回收样品； 易溶于有机溶剂；化学惰性
Methylnitrile
Benzene
Water
Diethylether (DEE)
Dimethylether (DME)
N,N-Dimethylformamide (DMF)
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)
Ethanol
Methanol
Tetrehydrofuran (THF)
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)
NMR仪器的主要组成部件： 磁体：提供强而均匀的磁场 样品管：直径4mm, 长度15cm,质量均匀的玻璃管 射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品 扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供一个附加可 变磁场，用于扫描测定 射频接受器 ：用于探测NMR信号，此线圈与射频发生器、扫描 发生器三者彼此互相垂直。
• 质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I 为半整数，1/2，3/2，5/2……
• 质量数为双数，但电荷数为单数，如H2，N14， I为整数，1，2……
• I为自旋量子数
自旋角动量（PN），自旋量子数（I） I=0，1/2，1，3/2……
交变频率与分辨率的关系
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。 • 溶剂：氘代试剂(CDCl3, C6D6 ,CD3OD,
CD3COCD3, C5D5N ) • 标准：四甲基硅烷 (CH3)4Si ，缩写：TMS
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 C)，利于回收样品； 易溶于有机溶剂；化学惰性
Methylnitrile
Benzene
Water
Diethylether (DEE)
Dimethylether (DME)
N,N-Dimethylformamide (DMF)
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)
Ethanol
Methanol
Tetrehydrofuran (THF)
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)
NMR仪器的主要组成部件： 磁体：提供强而均匀的磁场 样品管：直径4mm, 长度15cm,质量均匀的玻璃管 射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品 扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供一个附加可 变磁场，用于扫描测定 射频接受器 ：用于探测NMR信号，此线圈与射频发生器、扫描 发生器三者彼此互相垂直。
图谱解析 核磁共振图谱-氢谱
21
SKLF
这种共振频率的差异是十分小的。
例如， CH3Cl, CH3F, 72Hz (1.41Tesla, 60MHz) 要想达到这种精确度，检测到精确的频率是十分困难 的;因此，不要试图测量每一个质子的精确的共振频率 标准的参照物： (CH3)4Si, TMS; 直接测量共振频率的 差异。 参照TMS，特定质子的共振频率同外加磁场的强度密 切相关。
自旋状态+1/2 具有较 低的能量，因为其磁 矩与磁场方向相同； 自旋状态1/2具有较 高的能量，因为其磁 矩与磁场方向相反.
图4.2 条形磁铁的顺磁和逆磁排列
7
SKLF
因此，当有外加磁场存在时，简并的磁旋状态被分 为能量不同的两种
-1/2 和磁场方向相反
+1/2
E
+1/2 和磁场方向相同
-1/2
吸收频率, v (MHz) 42.6 60.0 100.0 200.0 300.0 6.5 10.7 15.1 25.0 50.0 75.0 40.0 17.2
13
磁旋比 γ (radians/Tesla) 267.53
41.1 67.28
251.7 108.3
SKLF
4.4 核磁共振的吸收原理
由于地球重力磁场 的影响，顶端沿着 自己轴进动. 当有外加磁场存在 时，原子核开始沿 着自身自旋的轴以 角速度进动 (拉莫 尔频率).
化合物 CH3X 元素 X X 的电负性 化学位移 CH3F F 4.0 4.26 CH3OH O 3.5 3.40 CH3Cl Cl 3.1 3.05 CH3Br Br 2.8 2.68 CH3I I 2.5 2.16 CH4 H 2.1 0.23 (CH3)4Si Si 1.8 0
核磁共振波谱法之氢谱解析
对双取代苯，AA’BB’系统
第16页/共68页
由分子式C9H13N中减去（C3H7+C6H4）余NH2(氨基)， 化学位移也相符。
c 3.44 单峰 2H NH2
所以未知物可能是异丙基苯胺
H2N
de d’ e’
CH(CH3)2
第17页/共68页
例4 一化合物结构式为 CH3CH2O
O
NH C CH3 ，
第11页/共68页
例2 一个含溴化合物分子式为C4H7BrO2，核磁共振氢谱如图。 由光谱解析确定结构。已知δ1.78(d)、δ2.95(d)、δ4.43(sex)、
δ10.70(s)；Jac＝6.8Hz，Jbc＝6.7Hz。
a
d
b
c
第12页/共68页
解：不饱和度U 2 2 4 8 1。只有一个双键，为脂肪族化合物。 2
10
J
，符合n+1律及一级偶合的
其他特征，异丙苯为A6X及A5两个一级自旋系统。
第29页/共68页
（3）已知未知化合物的分子式为C10H10Br2O，核磁共振图 谱如图所示：课本P307 19(3)
3H
5H
2H
C10H10Br2O的核磁共振氢谱
第30页/共68页
解：
① U 2 210 10 2 5，结构式中可能具有苯环。 2
个去屏蔽基团，使烯质子进一步去屏蔽，又因化合物中3个
不饱和数，氧原子较多，可能有羰基，因此推测有
O
结构。
C
CH
（6）根据以上信息，化合物中可能有以下结构：
O
CH3 CH2 O C CH
上式正好为分子式的一半，故完整的结构式应为：
O
CH3 CH2 O C
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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
60 100 200 300
磁场强度
0.9400 特斯拉
1.4092 2.3500 4.7000 7.1000
500
11.7500
核磁共振仪
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 14N
1, 2, 3, --- 自旋惰球体 有
2H, 10B,
原子核的进动
在磁场中，原子核的自旋取向有2I+1个。各个取向由一个自旋量子 数m表示。
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。
2. 核磁共振仪与实验方
法
按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁 按交变频率分：40兆，60兆，90兆，100兆，220兆，250兆，300兆 赫兹…… 频率越高，分辨率越高
磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯
N
H0
2
H0
自旋角速度ω，外磁场H0，进动频率ν
共振条件
原子核在磁场中发生能级分裂，在磁场的垂直方向上加小交变电场，
如频率为v射，当v射等于进动频率ν，发生共振。低能态原子核吸收
交变电场的能量，跃迁到高能态，称核磁共振。
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)
NMR仪器的主要组成部件： 磁体：提供强而均匀的磁场 样品管：直径4mm, 长度15cm,质量均匀的玻璃管 射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品 扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供一个附加可 变磁场，用于扫描测定 射频接受器 ：用于探测NMR信号，此线圈与射频发生器、扫描 发生器三者彼此互相垂直。
磁矩（μN*），核磁矩单位（βN），核磁子；磁旋比（γN）
N gN I(I1)N
N
N
P
N
自旋核在磁场中的取向和能级
具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的， 可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间取向，
其数值可取：m =I,I-1,I-2, ……,-I ，共有2I
+1个取向。
I = n / 2 n = 0 , 1 , 2 , 3 ---（取整数）
NMR发展
近二十多年发展 高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率； 脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定； 计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断 化合物的空间结构起重大作用。
• 英国R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。
• 1. 核磁共振的基本原理 • 2. 核磁共振仪与实验方法 • 3. 氢的化学位移 • 4. 各类质子的化学位移 • 5. 自旋偶合和自旋裂分 • 6. 自旋系统及图谱分类 • 7. 核磁共振氢谱的解析
前言
过去60年，波谱学已全然改变了化学家、生物学家和 生物医学家的日常工作，波谱技术成为探究大自然中 分子内部秘密的最可靠、最有效的手段。NMR是其中 应用最广泛研究分子性质的最通用的技术：从分子的 三维结构到分子动力学、化学平衡、化学反应性和超 分子集体、有机化学的各个领域。 1945年 Purcell（哈佛大学） 和 Bloch（斯坦福大学） 发现核磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖 1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关 系 1953年 Varian公司试制了第一台 h v迴= h v射= h BO /2π 或 v射= v迴= BO /2π
射频频率与磁场强度Bo是成正比的，在进行核磁共振
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。
： 要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
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 实际上多用后者。 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：
• 瑞士科学家库尔特·维特里希因“发明了利用核磁共振技术测定溶 液中生物大分子三维结构的方法”而获得2019年诺贝尔化学奖。
NMR谱的结构信息
化学位移 偶合常数 积分高度
1. 核磁共振的基本原理
• 原子核的磁矩 • 自旋核在磁场中的取向和能级 • 核的回旋和核磁共振 • 核的自旋弛豫
原子核的自旋、磁矩
• 质量数与电荷数均为双数，如C12，O16，没有 自旋现象。I=0
• 质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I 为半整数，1/2，3/2，5/2……
• 质量数为双数，但电荷数为单数，如H2，N14， I为整数，1，2……
• I为自旋量子数
自旋角动量（PN），自旋量子数（I） I=0，1/2，1，3/2……
一些原子核有自旋现象，因而具有角动量，原子核是带电的粒
子，在自旋的同时将产生磁矩，磁矩和角动量都是矢量，方向是 平行的。
哪些原子核有自旋现象？ 实践证明自旋量子数I与原子核的质量 数A和原子序数Z:
A
Z
I
自旋形状 NMR信号 原子核
偶数 偶数
0
32S, 28Si, 30Si
无自旋现象 无
12C,16O,
第一季度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
北部 西部 东部
第二季度
第三季度
第四季度
PFT-NMR谱仪
PFT-NMR谱仪与CW谱仪主要区别：信号观测系统，增加了脉冲程 序器和数据采集、处理系统。各种核同时激发，发生共振，同时 接受信号，得到宏观磁化强度的自由衰减信号（FID信号），通 过计算机进行模数转换和FT变换运算，使FID时间函数变成频率 函数，再经数模变换后，显示或记录下来，即得到通常的NMR谱 图。