核磁共振波谱法详细解析
核磁共振波谱法详解
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• 以有机溶剂溶解样品时，常用四甲基硅烷（TMS）为标准物； • 以重水为溶剂溶解试样时，可采用4，4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠
↗
核一定 ( 一定)，H0↗，
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↗
1H的 2.67519 108T -1 S-1
H0 = 1.4092 T (Tesla) 1T = 104 高斯（Gauss）
则 2.67519 108 1.4092 60MHz 2
13C的 6.72615 107T -1 S-1
15.1MHz
如:
H C 13
6
1 1
19 9
F
I 1 的核为主要研究对象。
2
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⑶ 偶-奇核
质量数为偶数，电荷数为奇数的核。
I = 1，2，3…（整数）
D 如： 2 1
14 7
N
也有自旋现象，但研究较少。
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2．核磁矩( )
原子核有自旋现象，因而有自旋角动量：
P h I (I 1) 2π
每一相邻水平台阶高度则取决于引起该吸收的氢核数目。
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例14-3 计算图14-17中a、b、c、d各峰的氢核数目。
图14－17 C4H7BrO2的1H-NMR图谱
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测量各峰的积分高度，a为1.6cm，b为 1.0cm，c为0.5cm，d为0.6cm。
氢分布可采用下面两种方法求出。
核磁共振谱法
核磁共振谱法（ Nuclear（Magnetic（Resonance（Spectroscopy，NMR）是一种常用的分析技术，用于确定物质的分子结构和化学环境。
它利用核自旋的量子态之间的能级差异，以及核自旋与外加磁场之间的相互作用，来获得物质的结构和信息。
核磁共振谱法主要用于有机化合物和生物大分子的分析，如有机化合物的结构确定、化学反应的监测以及生物大分子的结构研究等。
下面是关于核磁共振谱法的详细分析：1.（核磁共振现象：核磁共振现象是指物质中具有核自旋的原子在外加磁场作用下，能量级的分裂和跃迁现象。
在外加磁场下，具有核自旋的原子核会分裂成多个能级，其能级差与外加磁场的强度成正比。
2.（化学位移（Chemical（shift）：核磁共振谱法中的一个重要参数是化学位移，用来描述不同原子核在磁场中的化学环境。
化学位移通常用δ值表示，以标准物质（ 如TMS，甲基硅烷）作为参考物质，其化学位移被定义为0。
3.（峰的积分关系：核磁共振谱中的峰通常对应于不同的核。
峰的积分面积与相应核的数量成正比，可以用来确定化合物中不同核的相对数量关系。
4.（倍频峰 Multiplet）：对于具有多个等效核的化合物，峰展宽并分裂成多个子峰，称为倍频峰。
倍频峰的分裂模式与化合物中其他核之间的相互作用有关，可以提供化合物内部结构的信息。
5.（耦合常数 Coupling（constant）：耦合常数用于描述倍频峰的分裂情况，表示分裂峰之间的距离。
它提供了有关邻近核之间的相互作用强度和距离的信息，用于推断化合物的结构。
6.（异常峰：在核磁共振谱中，有时会观察到异常峰，它们来自于特殊的核环境或结构。
异常峰可以提供有关物质中特殊官能团的存在和位置的信息。
通过分析核磁共振谱，可以确定物质的分子结构、官能团、取代基、化学环境等信息，从而帮助化学家和生物学家深入研究物质的性质和反应过程。
核磁共振波谱法详细解析
递给邻近低能态同类磁性核的过程
.
21
*2. 共振吸收条件
1)h0 Eh2 H 0h ν0＝ν
➢ 即照射的无线电波的频率必须等于核进动频率， 才能发生核自旋能级跃迁。
➢ 实现核磁共振就是改变照射频率或磁场强度。
例：氢(1H)核：H0=1.4092T, ν=60MHz，吸收
ν0=60MHz无线电波，核磁矩由顺磁场 (m=1/2)跃
TMS 60MHz
10 9.0
（低场）
8.0 7.0
6.0 5.0
ν0 固定
4.0 3.0 2.0
1.0 0ppm (δ)
（高场）
✓ 左端为低场高频，右端为高场低频
.
26
二、化学位移
1. 定义：由于屏蔽效应的存在，不同化学环境 H
核共振频率不同
2. 表示方法
样 标 16 0 16,0＝ H 样 H 标 160
（二）原子核的共振吸收
1. 进动
z
Larmor 方程：
2
H0
θ
0 陀螺的进动
➢ ①外加磁场H0↑, ↑
➢ ② ↑, ↑
.
原子核
原子核的进动
17
共振吸收与弛豫
.
18
②m=1, 跃迁只能发生在两个相邻能级间
I1核 I 1核 mI mI12m12（低能12核 12,12 核 m,m=+m=-1对0m与m于212I1,之m（高能1的对 m间核发12、生12m，于 112,不20,12能I1,跃发,迁生1m与只在-11能之的 在1间与0 核12 、m1,0,1,跃迁只能在 1 对对于于 态I ）I11的 1的 态0核 与 ）核、m、 1之 m1间,10,,0发 ,1,生 1跃 ,跃， 迁迁不 只只能 能能发 在 1与 在 1与 生 10与0在-1之 0与 0与1之 1之间间发发生生，，不不能能发发生 1与 生 1与 在-在 1-之1之间间
分析化学核磁共振波谱法
分析化学核磁共振波谱法分析化学核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR）是一种非常重要的分析技术，广泛应用于有机化学、生物化学等领域。
本文将从基本原理、仪器设备、样品制备和应用等方面对NMR进行分析。
基本原理核磁共振波谱法是基于核磁共振现象的，核磁共振是指在外加静磁场和射频磁场的作用下，原子核能级的分裂现象。
当样品中的核磁共振活性核被置于静磁场中时，它会分裂成若干个子能级，对应着不同的共振频率。
这些频率可以测量并转换为核磁共振谱图，从而确定样品中不同核的化学环境和相对位置。
仪器设备核磁共振仪包括主磁场、射频系统和梯度线圈等部分。
主磁场是核磁共振仪的核心组成部分，它通过产生一个稳定且均匀的静磁场使样品中的核磁共振现象能够发生。
射频系统用于产生能与样品中核的共振频率相匹配的射频脉冲，从而激发样品中的核磁共振信号。
梯度线圈用于产生梯度磁场，使样品中不同位置的核有不同的共振频率，从而可以对核的位置进行定位。
样品制备样品的制备是进行核磁共振分析的关键步骤，其中要求样品的纯度和浓度都需要达到一定的要求。
通常，为了提高样品的分析效果，可以进行特定的样品制备，例如通过标记原子核来增强信号强度，或者通过选择性的核磁共振脉冲来增强特定核的信号。
应用核磁共振波谱法在许多领域具有重要的应用价值。
在有机化学中，核磁共振波谱法常用于确定分子的结构和化学环境，从而帮助确定分子的组成和结构。
在生物化学中，核磁共振波谱法可以用于研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的结构和功能，从而帮助理解生物反应的机理。
此外，核磁共振波谱法还可以应用于材料科学、医学和环境科学等领域。
总结通过分析化学核磁共振波谱法的基本原理、仪器设备、样品制备和应用等方面，可以看出核磁共振波谱法是一种重要而常用的分析技术。
它可以提供关于化合物结构、分子环境和分子动力学等方面的信息，对于解决化学和生物化学中的许多问题具有不可替代的作用。
核磁共振波谱法的基本原理和解析方法
一、原子核的自旋
1、原子核的自旋角动量（P）、核磁距（μ）及磁旋比（γ）
h I(I1) 2
μ＝γP
2、自旋分类
I与原子的质量数A和原子序数Z有下列关系：
AC Z
质量数 [ A ] 原子序数 [ Z ]
奇数
奇数或偶数
偶数
偶数
自旋量子数 [ I] 1/2,3/2,5/2, …
Hb
Ha
C﹦C
Hc
CN
二、偶合常数
发生自旋偶合时，核磁共振谱线发生分裂．由分裂产 生的裂距反映了相互作用的强弱，称为偶合常数．单位 为Hz。Ｊ值表示。
偕偶、邻偶、远程偶合。H-H,C-H偶合，JC-Ｈ、JH-H。 峰裂距只决定于偶合核的局部磁场强度，因此偶合常 数与外加磁场强度H0无关．
１、间隔的键数
(C ≡C-H)
(４)单键的磁的各向异性效应
屏蔽区 ⊕
Θ
Ｃ
Ｃ
Θ
去屏蔽区
⊕
H C-C-H ()
H
C C-C-H (δ=1.20-1.40)
H
去屏蔽效应增加
C C-C-C (δ=1.40-1.65)
H
环已烷氢核共振峰
去屏蔽区
环已烷氢核共振峰
4 氢键对化学位移的影响
缔合的氢核与不呈现缔合时比较，其电子屏蔽作用减 小，吸收峰移向低场，化学位移值增大．
（一）自旋分裂的产生
1、碘乙烷中CH3和CH2氢核的自旋分裂
（1）甲基受亚甲基两个氢 的干扰分裂为三重峰：
简单偶合时，峰裂距称为偶 常数（J）,Jab=Jba
1:2:1 三重峰
(2)亚甲基受甲基三个氢的干扰分裂为四重峰：
核磁共振波谱法
核磁共振波谱法核磁共振（NMR）波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。
核磁共振波谱通过化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。
核磁共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量测定。
带正电荷的原子核在作自旋运动时，可产生磁场和角动量，其磁性用核磁矩µ表示，角动量P的大小与自旋量子数I有关（核的质量数为奇数，I为半整数；核的质量数为偶数，I为整数或0），其空间取向是量子化的；µ也是一个矢量，方向与P的方向重合，空间取向也是量子化的，取决于磁量子数m的取值（m=I, I-1,……-I，共有2I+1个数值）。
对于1H、13C 等I =1/2 的核，只有两种取向，对应于两个不同的能量状态，粒子通过吸收或发射相应的能量在两个能级间跃迁。
当自旋量子数I≠0的磁核处于一个均匀的外磁场H0中时，磁核因受到磁场的作用力而围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。
这种运动方式称为拉摩进动。
原子核的进动频率由下式决定：其中γ为旋磁比，是原子核的基本属性之一。
不同原子核的γ值不同，其值越大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
如果提供一个射频场，其ν满足：其中h为普朗克常数，则：即射频场的频率正好等于在磁场H0中的核进动频率，那么核就能吸收这一射频场的能量，导致在两个能级间跃迁，产生核磁共振现象。
核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。
低灵敏度的主要原因是基态和激发态的能量差非常小，通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子（当外磁场强度约为2 T 时）。
核磁共振波谱仪常见的有两类核磁共振波谱仪：经典的连续波（CW）波谱仪和现代的脉冲傅里叶变换（PFT）波谱仪，目前使用的绝大多数为后者。
7-核磁共振波谱法解析
H
H
H H 2.99 H H H H
9.28 H
H
H
双键 三键
28
苯环
环内正屏蔽区
环外去屏蔽区
29
双键
30
三键
键轴向为屏蔽 区，其它为去 屏蔽区。
31
32
（3）氢键效应
形成氢键后1H核屏蔽作用减少，氢键属于去屏蔽效应。
33
4. 各种质子的大致化学位移
34
CH3
0.9
O CH3
Ha，Hb化学等价，磁不等同。 J Ha Fa≠J Hb Fa Fa，Fb化学等价，磁不等同。
H 2' X H2 H3 H 3' Y
47
5
O H H 3C C N H
自旋系统
自旋系统分类
OCH3
• 自旋系统：把几个互相偶 合的核，按偶合作用的强 弱，分成不同的自旋系统， 系统内部的核互相偶合， 但不和系统外的任何核相 互作用。系统与系统之间 O 是隔离的.
2
核磁共振波谱仪
3
二、 傅立叶变换核磁共振仪
不是通过扫场或 扫频产生共振； 恒定磁场，施加 全频脉冲，产生共 振，采集产生的感 应电流信号，经过 傅立叶变换获得一 般核磁共振谱图。
4
傅立叶变换
5
超导核磁共振波谱仪：
永久磁铁和电磁铁：
磁场强度<25 kG
超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材 料制备的超导线圈；在低温4K，处于超 导状态；磁场强度>100 kG 开始时，大电流一次性励磁后，闭合 线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变； 温度升高，“失超”；重新励磁。 超导核磁共振波谱仪： 200-400HMz；可 高达600-700HMz；
核磁共振波谱法讲义课件
环境科学中的应用
总结词
核磁共振波谱法在环境科学中也有重要的应 用。
详细描述
核磁共振波谱法可用于研究环境中的污染物 和天然有机物。通过测量水中、土壤中、大 气中有机污染物的核磁共振信号，核磁共振 波谱法能够提供关于污染物的种类、浓度和 分布的信息。此外，核磁共振波谱法还可用 于研究天然有机物（如腐殖质）的组成和降
多维核磁共振技术
多维核磁共振技术是一种通 过使用多个频率和磁场分量 来解析核磁共振信号的技术
。
通过多维核磁共振技术，可 以获得更丰富的化学位移信 息和耦合常数信息，从而更
好地解析分子结构。
多维核磁共振技术被广泛应 用于有机化学、材料科学等 领域，对于研究有机分子结 构、材料组成等具有重要意 义。
06 核磁共振波谱法实验操作演示
药物代谢与动力学研究
总结词
核磁共振波谱法在药物代谢与动力学研 究中具有广泛的应用。
VS
详细描述
核磁共振波谱法可用于研究药物在体内的 代谢过程和动力学行为，进而揭示药物的 作用机制和药效。通过测量药物分子在不 同时间点的代谢产物和浓度，核磁共振波 谱法能够提供关于药物吸收、分布、代谢 和排泄的重要信息，有助于新药开发和优 化治疗方案。
耦合常数
测量相邻原子核间自旋作用的强度和方向，揭示分子结构中的空间构型和相互作用。
04 核磁共振波谱法的实验技术应用
CHAPTER
有机化合物的结构鉴定
要点一
总结词
核磁共振波谱法是一种常用的实验技术，可用于有机化合 物的结构鉴定。
要点二
详细描述
核磁共振波谱法是一种基于核自旋磁矩的实验技术，通过 测量原子核在磁场中的共振频率来确定分子的结构。在有 机化合物的结构鉴定中，核磁共振波谱法可用于确定分子 中各原子的连接方式和化学环境，进而推断出分子的三维 结构。常见的核磁共振波谱法包括一维和二维核磁共振谱 ，其中二维核磁共振谱能够提供更丰富的结构信息。
核磁共振波谱法
核磁共振波谱法核磁共振（NMR）波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。
核磁共振波谱通过化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。
核磁共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量测定。
带正电荷的原子核在作自旋运动时，可产生磁场和角动量，其磁性用核磁矩µ表示，角动量P的大小与自旋量子数I有关（核的质量数为奇数，I为半整数；核的质量数为偶数，I为整数或0），其空间取向是量子化的；µ也是一个矢量，方向与P的方向重合，空间取向也是量子化的，取决于磁量子数m的取值（m=I, I-1,……-I，共有2I+1个数值）。
对于1H、13C 等 I =1/2 的核，只有两种取向，对应于两个不同的能量状态，粒子通过吸收或发射相应的能量在两个能级间跃迁。
当自旋量子数I≠0的磁核处于一个均匀的外磁场H0中时，磁核因受到磁场的作用力而围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。
这种运动方式称为拉摩进动。
原子核的进动频率由下式决定：其中γ为旋磁比，是原子核的基本属性之一。
不同原子核的γ值不同，其值越大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
如果提供一个射频场，其ν满足：其中h为普朗克常数，则：即射频场的频率正好等于在磁场H0中的核进动频率，那么核就能吸收这一射频场的能量，导致在两个能级间跃迁，产生核磁共振现象。
核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。
低灵敏度的主要原因是基态和激发态的能量差非常小，通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子（当外磁场强度约为2 T时）。
核磁共振波谱仪常见的有两类核磁共振波谱仪：经典的连续波（CW）波谱仪和现代的脉冲傅里叶变换（PFT）波谱仪，目前使用的绝大多数为后者。
第十六章 核磁共振波普法
磁铁的作用 磁铁的种类
产生一个外加磁场 永久磁铁、电磁铁和超导磁铁三种
永久磁铁（2.35T） 最高频率100MHz 优点：场强稳定，耗电少 缺点：对温度变化敏感，需长时间才达到稳定。
电磁铁（2.35T）→ 优点：对温度不敏感，很快达到稳定 缺点：功耗大，需冷却。
超导磁铁 优点：可达到很高的磁场强度 缺点：运行需消耗液氮和液氦，维护费用较高。
核
天然丰度 /(%)
自旋量子 数I
1H 99.98
1/2
2H 0.015
1
12C
98.9
0
13C 1.108
1/2
14N 99.35
1
15N 0.365
1/2
16O 99.76
0
17O 0.0039
5/2
19F
100
1/2
31P
100
1/2
磁矩μ/β
2.7927 0.8574
0 0.7023 0.4037 -0.2830
B有效 B0 B B B0
B有效 B0 B B0 B0 B0 1
σ为屏蔽常数 表征核外电子云产生感应磁场对抗外加磁场的能力。
33
1、1H核核外电子云密度越大，σ越大，则对抗外加磁场的能 力越大。 2、σ与化学环境有关，化学环境主要是指1H核核外电子以及 该1H核周围相近的其它核核外电子的运动情况。
化学位移大小的表示 采用相对值表示（相对于标准（参考））。
测定化学位移的参考标准化合物一般用四甲基硅烷(TMS)。
CH3
H3C Si CH3
CH3
36
采用四甲基硅烷(TMS)为标准的优点：
●在NMR1H谱中只有一个尖峰。 ●分子中氢核周围的电子云密度很大，一般其它化合物的 1H峰都出现在TMS峰的左侧，便于谱图解析； ●TMS是化学惰性物质，易溶于大多数有机溶剂中，且沸 点低(27℃ )，易用蒸馏法从样品中除去。
第六章_核磁共振波谱法
不同类型氢的化学位移见P249表13-3
二、偶合常数(J)
(一)自旋偶合与自旋裂分 每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。 原因：相邻两个氢核之间的自旋相互干扰作用称为自旋偶合。 由自旋偶合引起的谱线增多现象称为自旋裂分。 多重峰的峰间距， 偶合常数（J）， 偶合作用的大小。 HA核受到邻近HB 核自旋偶合作用， 吸收峰被分裂为 双重峰。
(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) ( NMR Spectroscopy )
§6-1 核磁共振波谱基本原理
当用频率为兆赫数量级，波长约为0.6~10m，能量很低 的电磁波照射分子时，能使磁性的原子核在外磁场中发生磁 能级的共振跃迁，从而产生吸收信号。这种原子核对射频辐 射的吸收称为核磁共振光谱。
核磁共振存在两种弛豫过程
(一)自旋-晶格弛豫 高能态的原子核将能量以热能形式传递给周围的环境而回 到低能态，这一过程称为自旋-晶格弛豫。周围环境对固体样品 是指晶格，对液体样品是指周围的同类分子或溶剂。
一个自旋体系由于核磁共振打破了原来的平衡，而又通过 自旋 -晶格弛豫回到平衡状态所需的时间，叫自旋-晶格弛豫时 间，用半衰期 T1表示， T1 越小，弛豫效率越高； T1越大则弛豫 效率越低，越容易达到饱和。固体及粘稠性液体由于流动性差， T1很大，可达几小时；气体和液体的流动性好， T1很小，一般 在0.01~100s。
小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；
大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；
= [（ 样 - TMS) / 0 ] ×106 (ppm)
化学位移
影响化学位移的因素
1．电负性的影响 与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏 离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。
核磁共振波谱法
核磁共振波谱法
新方法、新技术如二维核磁共振谱(2D-NMR) 等不停涌现和完善，使NMR波谱在化学、医药、 生物学和物理化学等领域应用愈为广泛。
第4页
第二节 核磁共振基本原理
一1.、自原旋子分核类自旋
原子核含有质量并带正电荷，大多数核有自旋现象，在 自旋时产生磁矩，磁矩方向可用右手螺旋定则确定，核 磁矩和核自旋角动量P都是矢量，方向相互平行。核自旋特 征用自旋量子数I来描述,核自旋按I为零、半整数及整数分 为三种类型:
屏蔽效应越强，即值越大, 共振信号越在高场出现。
核磁共振波谱法
CH3CH2Cl
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化学位移：
chemical shift
屏蔽作用使氢核产生共振需要更 大外磁场强度（相对于裸露氢核）， 来抵消屏蔽影响。
因为屏蔽效应存在，不 一样化学环境氢核共振频率 不一样，这种现象称为化学 位移。
核磁共振波谱法
为了防止溶剂本身信号干扰！
核磁共振波谱法
第24页
16.3 化学位移
屏蔽效应 化学位移表示 化学位移影响原因 不一样类别质子化学位移
核磁共振波谱法
第25页
实现核磁共振要满足特定核共振条件：
2
H0
同一个核，磁旋比相同。固定
了磁场强度，全部1H必定含有相
同共振频率。在NMR波谱上就
只有一个吸收信号。
第11页
2.共振吸收条件
核有自旋(磁性核)
v0 = v: 照射频率等于核进动频率
吸收电磁波能量E等于ΔE，即： E = hv0 =ΔE
代入式 E = E2 - E1 =
h 2
H0
得：
0
2
H0
当v0 =v时，照射电磁波就与核磁矩发生作用，使处于低 能级核吸收电磁波能量跃迁到高能级，核磁矩对H0取向发生 倒转。这种现象叫做核磁共振。
《仪器分析》——核磁共振波谱法
标准物
～ 有机溶剂时常用四13甲C 基m硅g烷（TMS）
重水时 4，4-二甲基-4硅代戊磺酸钠（DSS）
扫描范围 足够的谱带宽度
19
➢ 当电磁辐射的 0= 时， 产生共振吸收
H
02
0
E
无磁场
1
m =-
2
1
m =+
外加磁场
2
I＝1/2核的能级分裂
1 2
H0
❖ 屏蔽效应 ❖ 屏蔽常数 ❖ 化学位移
20
环内 =-2.99 环外 =9.28
十八碳环壬烯C18H18
1 2
H0
27
苯环
正屏蔽区
负屏蔽区
=7.27
负屏蔽 （向左，低场）
H0
正屏蔽 （向右，高场）
1 2
H0
28
双键
负屏蔽区
负屏蔽 峰左移
H0
正屏蔽区
烯氢的质子处于负屏蔽区， 左移（4.5-5.7）
乙烯氢 5.25
29
叁键
正屏蔽 峰右移
炔氢的质子处于正屏蔽区， 右移 例如：乙炔氢 2.88，乙烯氢 5.25
n
2 3.1 4 1.3 8 10 300
1.0000099
低能态的核仅比高能态核多十万分之一 强射频波照射，吸收饱和，NMR信号消失
高能态核
恢复至低能态
14
三、自旋弛豫
非辐射途径
高能态核
恢复至低能态
T-半衰期（驰豫过程所需时间）
两种形式： 1.自旋-晶格弛豫（纵向驰豫） T1 2.自旋-自旋弛豫（横向驰豫） T2
自旋感应产生核磁矩( µ)
µ= P ❖磁旋比 是原子核的特征常数
核磁共振波谱法详细解析
TMS 60MHz
10
9.0
（低3.场0 ）
2.0
8.0
7.0
6.0
1.0
0ppm (δ)
ν0 固定
5.0
4.0
（高场）
✓ 左端为低场高频，右端为高场低频
精品课件
二、化学位移
1. 定义：由于屏蔽效应的存在，不同化学环境
H核共振频率不同
2. 表示方法
样 标 160 16,0＝ H 样 H 标 160
核磁共振波谱法 ( NMR )
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♫概述
一、核磁共振和核磁共振波谱法 1.核磁共振(NMR):
在外磁场的作用下，具有磁矩的原子核 存在着不同能级，当用一定频率的射频照射 分子时，可引起原子核自旋能级的跃迁，即 产生核磁共振。
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♫概述
2.核磁共振波谱：以核磁共振信号强度对照 射频率（磁场强度）作图，所得图谱。
自旋－自旋驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传 递给邻近低能态同类磁性核的过程
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*2. 共振吸收条件
1)h0Eh2 H 0h ν0＝ν
➢ 即照射的无线电波的频率必须等于核进动频率， 才能发生核自旋能级跃迁。
➢ 实现核磁共振就是改变照射频率或磁场强度。
例：氢(1H)核：H0=1.4092T, ν=60MHz，吸收 ν0=60MHz无线电波，核磁矩由顺磁场 (m=1/2) 跃迁至逆磁场(m=-1/2) →共振吸收。
感应磁场方向
核
H0
绕核电子在外加磁场 的诱导下产生与外加 磁场方向相反的感应 磁场（次级磁场、抗 磁场）
屏蔽效应：由于感应磁场的存在，使原子核实受磁
场强度稍有降低
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一、屏蔽效应
核磁共振波谱法
第二节
核磁共振波谱仪
3 ．射频信号接受器 （检测器）：当质子的 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。
4．样品管：外径5mm的 玻璃管,测量过程中旋 转, 磁场作用均匀。
-OH TMS
-CH2
高分辨率NMR仪器
8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0
μ
+△ E
讨论:
产生共振条件： 0 = H0 / (2 ) =
（1）对于同一种核，磁旋比 为定值， H0变，射 频频率 0变。
氢核（1H）： 1.409 T
2.305 T
共振频率 60 MHz
共振频率 100 MHz
磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯） （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件 不同，需要的磁场强度H0和射频频率 0不同。
H0
m=I , I-1 ,I-2,….-I
2I+1个取向
如1H ， I=1/2 ，m=2I+1，磁量子数有2个取向。
对1H而言, 其核在外加磁场中有两个 自旋取向，即 m=+1/2，-1/2 m= -1/2, μ与外加磁
场方向相 反
H0 μZ
E
m=-1/2
μ H0=0
m=-1/2
△E
m=+1/2, μ
要求：了解P289 图14-11
小
结
1、化学位移值随着其邻近原子（或基团）的 电负性增强而增大。 2、烃基氢的值为芳环上氢 > 烯基氢 > 炔基氢 > 饱和碳原子上的氢。
3、饱和碳原子上的氢的值为3 > 2 > 1
核磁共振波谱法详细解析
I=1 氢核磁矩的取向
核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量
子化的，这种现象称为空间量子化。
用μZ表示不同取向核磁矩在外磁场方向的投影。
h μz m 2π
核磁矩的能量与μz和外磁场强度H0有关：
h E Z H 0 m H0 2
二、化学位移 例： CH3Br, 标准物：四甲基硅烷TMS
①H0=1.4092T, νCH3=60MHz+162Hz,
νTMS=60MHz
162 Hz 6 10 2.70 ppm 6 60 10 Hz
二、化学位移
② H0=2.3487T, νCH3=100MHz+270Hz,
νTMS=100MHz
原子核自旋能级跃迁
2.测定方法不同： UV、IR－－测定A（T） NMR －－共振吸收法 共振吸收法：利用原子核在磁场中，核 自旋能级跃迁时核磁矩方向改变产生感应 电流来得到NMR信号。
♫概述
三、核磁共振波谱法的应用
1.测定有机物结构：化学及立体结构（构型、构像、 互变异构）
2.医学：核磁共振成像技术（医疗诊断）
共有 2I+1 个取向； 每一种取向用磁量子数m表示，则m=I, I-1, I2,…, -I+1, -I。
1 1 1 m 例：I=1/2时， 2 1 2 即： , m 2 2 2
顺磁场 低能量
逆磁场 高能量
氢核磁矩的取向
例：I=1时，
2 1 1 3 个取向，
2
h H0 2 11 h h E2 ) h H0 H E 2 (( 1 ) ) E ( H 0
（二）原子核的共振吸收 1. 进动
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➢ 在无外加磁场时，自旋核磁矩的取向是任意的；
➢ 若将原子核置于磁场中，核磁矩可有不同的排列， 共有 2I+1 个取向；
➢ 每一种取向用磁量子数m表示，则m=I, I-1, I2,…, -I+1, -I。
核磁共振波谱法详细解析
例：I=1/2时， 2 1 1 2 即：m1, m1
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三、自旋驰豫
• 低能态核数n+仅比高能态核数n-多十万分之一 • 当n- =n+时，NMR信号消失——饱和 • 外磁场H0 ↑/ 温度↓，n-/n+↓，对测定有利
自旋－晶格驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传递 给周围环境（晶格或溶剂），自己回到低能态的过程
自旋－自旋驰豫：处于高能态的核自旋体系将能量传 递给邻近低能态同类磁性核的过程
3.核磁共振波谱法：利用核磁共振波谱对物 质进行结构测定、定性和定量分析的 方法。
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♫概述
二、NMR与UV、IR的区别
1.照射的电磁辐射频率不同，引起的跃迁类型不同
UV-Vis 200-760nm 紫外可见光 价电子跃迁 IR 2.5-25µm 红外线 振动－转动能级跃迁
NMR 0.6-30m 无线电波 原子核自旋能级跃迁
P h I(I1) P:自旋角动量 2π
I0核，自旋产生核磁矩 ，核磁矩的方向服从 右手法则，其大小与自旋角动量成正比。
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2. 核磁矩( )
μ P h I(I1)
2π
μ:核磁矩；:磁旋比
为磁旋比，是原子核
的特征常数。
磁矩方向：右手螺旋法则
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二、原子核的自旋能级和共振吸收
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2.测定方法不同：
UV、IR－－测定A（T） NMR －－共振吸收法
共振吸收法：利用原子核在磁场中，核 自旋能级跃迁时核磁矩方向改变产生感应 电流来得到NMR信号。
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♫概述
三、核磁共振波谱法的应用
1.测定有机物结构：化学及立体结构（构型、构像、 互变异构）
μ m h
z
2π
➢ 核磁矩的能量与μz和外磁场强度H0有关：
EZH0m2h H0
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（一）核自旋能级分裂
不同取向的核具有不同的能级， I = 1/2: m =1/2 的μz 顺磁场，能量低；
m =－1/2的 µz 逆磁场，能量高。
E➢H在0=E 外00 加 磁场Z mmH =中=1H0 -/，120 /2自m 旋核磁核共振发EEE2 EEE波EEEh 1E1能E2谱2E12法H 级m详m12m12细EE0 (分(E解22(12析2裂1222122hhh)EhE12)h，1E1)21Hh能HHH22Hh0h0级0 220H2hhh差H2H0h0和0HHH H00H0 00成正比
核磁共振波谱法 ( NMR )
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♫概述
一、核磁共振和核磁共振波谱法 1.核磁共振(NMR):
在外磁场的作用下，具有磁矩的原子核 存在着不同能级，当用一定频率的射频照射 分子时，可引起原子核自旋能级的跃迁，即 产生核磁共振。
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♫概述
2.核磁共振波谱：以核磁共振信号强度对照 射频率（磁场强度）作图，所得图谱。
2
2
2
顺磁场 低能量
逆磁场 高能量
氢核磁矩的取核向磁共振波谱法详细解析
例：I=1时，
2113个取向，
即： m = 1，0，-1
I=1 氢核磁矩的取向
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➢ 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量子 化的，这种现象称为空间量子化。
➢ 用μZ表示不同取向核磁矩在外磁场方向的投影。
2.医学：核磁共振成像技术（医疗诊断） 3.生化：生物大分子、酶结构测定
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四、1H-NMR和 13C-NMR 给出的结构信息
1H-NMR：
⑴质子类型（-CH3, -CH2,＝CH，Ar-H）和所处 的化学环境；
⑵ H分布情况 ； ⑶ 核间的关系。 ✓ 缺点：不含H基团无 NMR信号, 化学环境相近
自旋量子数I
*I=1/2的核
① 偶数 偶数 I=0
1 6
2
C
1
6 8
O
② 奇数 奇偶数 I为半整数, 1/2,3/2…
③ 偶数 奇数
如：11 H
,
13 6
C
,
1
9 9
F
I为整数, I=1, 2, 3, …
D N 核磁共振波谱法详细解析
如：21
,
14 7
2. 核磁矩( )
原子核有自旋现象，因而有自旋角动量：
（二）原子核的共振吸收
1. 进动
z
原子核
Larmor 方程：
θ
2
H0
0 陀螺的进动
原子核的进动
➢ ①外加磁场H0↑, ↑
➢ ② ↑, ↑
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共振吸收与弛豫
核磁共振波谱法详细解析
②m=1, 跃迁只能发生在两个相邻能级间
I1核 I 1核 mI mI12m12（低能12核 12,12 核 mm=+,m=-1对0m与m于212I1,之m（高能1的对 m间核发12、生12m，于 112,2不0,12I能1,跃发,迁1生m与只在-11能之的 1在间与0 核12 、m1,0,1,跃迁只能1在 对对于于 态I ）I11的1的 态0核 与 ）核、m1、之 m1间,10,,0发 ,1,1生 跃 ,跃， 迁迁不 只只能能1发 在 与 1在 与 1生 0与0在 -1之 0与 0与1之 1之间间发发生生，，不不能能发发1生 与 1生 与-在1在 -之1之间间
的烷烃，难区别
13C-NMR：丰富的C骨架信息
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第一节 基本原理
一 、原子核的自旋 1.自旋分类
原子核：质子和中子组成的带正电荷的粒子。
原子核自旋运动与自旋量子数I有关。 I与原子核的质量数和电荷数(原子序数)有关。
核磁共振波谱法详细解析
第一节 基本原理
1.自旋分类
质量数 电荷数 自旋量子数
核磁共振波谱法详细解析
三、自旋驰豫
➢ 驰豫历程：激发核通过非辐射途径损失能量而恢复至基态 的过程，是维持连续NMR信号必不可少的过程。
Boltzmann分布：
n
ΔE
e kT
rhH0
e 2πkT
n
例：I=1/2核，T=300K，H0=1.4092T：
n1/2
n e 0.99999 1/2
6.6 310 342.6 818 01.4092 23.1 41.3 810 23 300
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