NMR实验讲义

核磁共振实验

特别提醒：由于核磁共振实验室是强磁场环境（9.6T），机械表,磁卡,含铁的工具,装有心脏起博器和人工假肢等人不可靠近磁体，以防发生意外。

3.1 化合物1H谱的测定

3.1.1 目的要求

（1）了解核磁共振的基本原理和氢谱的测定方法；

（2）了解A V ANCE-400核磁共振波谱仪的结构并初步掌握其使用方法；

（3）掌握简单核磁共振氢谱谱图的解析技能。

3.1.2 基本原理

核磁共振波谱法是表征、分析和鉴定有机化合物结构的最有效手段之一，现代核磁共振波谱仪主要为脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。图3-1是核磁共振波谱仪的示意图。

图3-1是核磁共振波谱仪的示意图

核磁共振谱是由具有磁矩的原子核受电磁波辐射而发生跃迁所形成的吸收光谱。用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时信号的位置和强度，即可得到核磁共振普。核磁共振谱中的共振信号峰位置反应样品分子的局部结构（如特征官能团、分子构型和构象等），而信号强度则往往与相关原子核在样品中存在的量有关。

原子质量数为奇数的原子核如1H、13C、19F、31P等，由于核内质子的自旋在沿着核轴方向产生磁矩，因此可以发生核磁共振。而12C、16O、32S等原子核不具有磁性故不发生核磁共振现象。

核自旋量子数I≠0的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数来表示。如1H的自旋磁量子数I=1/2，在外磁场中有两个取向，存在两个不同的能级，两能级的能量差△E与外磁场强度成正比：

△E =E-1/2-E+1/2=γh/(2πB0)

由于1H核周围电子的运动产生次级磁场，使得有机物分子中不同化学环境的1H 核实际受到的磁场强度不同，导致产生共振吸收的电磁辐射频率不同。

B=B0-σB0=B0（1-σ）

为了便于比较，通常引入一个相对标准的方法测定样品的吸收频率与标准物的吸收频率差，采用相对值消除不同频源的差别及化学位移（δ）。

δ=[(νx-νS)/νS]×106

式中，νx为样品1H核的共振频率；νS为标准物质1H核的共振频率。通常采用如四甲基硅烷[(CH3)4Si, TMS]、2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸钠[(CH3)3SiCH2CH2CH2SO3Na]等作为标准物质进行测试。

3.1.3 仪器与试剂

A V ANCE-400核磁共振波谱仪，NMR样品管（φ5mm），移液枪（1ml），漩涡振荡器；正丙醇（A.R.），重水。

3.1.4 实验步骤

结构分析一般应采用液态样品（溶液）得到高分辨率的谱图，因此实验的第一步是选择良好的溶剂－氘代溶剂溶解样品。

常用的氘代试剂：CDCl3, D2O, DMSO, C6D6, CD3OD, CD3COCD3, C5D5N等（1）样品准备：用移液枪移取5 L正丙醇于核磁管中，然后再移取0.5mL 重水于核磁管中，混合均匀；

（2）核磁管的定位：将转子置于样品规顶部，将核磁管插入转子，根据样品液柱的实际高度调整核磁管的位置，使液柱中心与样品规上的黑色中心线对齐，核磁管底部最多只能放到样品规的底部，用软纸（布）轻擦核磁管，待测；

（3）放样步骤：

在核磁软件“topspin”界面中：

a. 键入“ej”，压缩空气闸门打开；

b. 腔内样品弹出悬浮于磁体顶部（或听到气流声后），随转子取出原样品管，将套在转子上的新样品管放入，悬浮于磁体顶部；

c. 键入“ij”，压缩空气闸门关闭，样品随气流被送入腔内到达探头；

d. 设定采样温度，295K。

安全性：1.核磁管的定位非常重要，若核磁管插入转子过深，即样品管底部实际已超出样品规，样品送入腔内后将触及探头，导致碎裂；

2.气阀未打开，一定不能放入样品管，以防样品管碎裂！！

（4）1H数据采集

a. 键入[NEW]，建立实验和标准参数；

b. 键入[LOCK]，选择溶剂D2O；

c. 键入[GETPROSOL]，读取脉冲宽度和功率；

d. 键入[ATMA]，自动调谐；

e. 键入[TOPSPIN]，自动匀场。（确保样品温度已稳定）

(c, d, e三步骤可用窗口上方快捷键“PRE（getprosol+atma+topspin）”替代；

f. 键入[RGA]，自动设置增益；

g. 键入[ZG]，开始采样同时清空内存；

（5）1H谱图处理

h. [EFP] 傅立叶转换(FT)，FID信号转换成谱图，得到1H谱图。

i. [PRK] 自动相位调整，或手动校正（phase correction）“”，先“0”级校正，后“1”级校正；

j.“”，图谱定位（spectrum calibration），利用TMS或溶剂峰定位；

k. “”，手动标峰（peck picking）；

l. “”，积分（interactive integration）；

m. [Plot]，谱图编辑，保存。

3.1.5 结果与讨论

（1）观察正丙醇重水溶液的1H谱并解析；

（2）谱图中羟基质子是否出现？为什么？

3.2 活泼氢的检测及氢键对质子化学位移的影响

3.2.1 目的要求

（1）通过对比实验，了解活泼氢与溶剂之间的快速交换对谱图的影响；

（2）了解氢键对质子化学位移的影响。

3.2.2 基本原理

常见的活泼氢，如-OH、-NH-、-SH、-COOH等基团的质子，在溶剂中交换很快，并受测定条件如浓度、温度、溶剂的影响，δ值不固定在某一数值上，而在一个较宽的范围内变化。活泼氢的峰形有一定特征，一般而言，酰胺、羧酸类缔合峰为宽峰，醇、酚类的峰形较钝，氨基，巯基的峰形较尖。用重水交换法可以鉴别出活泼氢的吸收峰，（加入重水后活泼氢的吸收峰消失）。

氢键对化学位移对影响：绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场，表现出相当大的去屏蔽效应，提高温度和降低浓度都可以破坏氢键。

3.2.3 仪器与试剂

A V ANCE-400核磁共振波谱仪，NMR样品管（φ5mm），移液枪，漩涡振荡器；正丙醇（A.R.），氘代氯仿（CDCl3，含0.03％TMS）。

3.2.4 实验步骤

主要步骤均同3.1.4，需要修改的步骤如下：

（1）样品准备：将溶剂重水改为CDCl3；

（4）1H数据采集：b. 键入[LOCK]，选择溶剂CDCl3；

本实验同一个样品做两次，第一次采样结束后，将样品温度设定为303K，建立新的实验目录，待温度稳定后重新匀场，采集1H谱。

（5）1H谱图处理：同3.1.4。

3.2.5 结果与讨论

对比本次实验采集得到的3张正丙醇的NMR 1H谱，指出主要的异同点，并解释。