关于核磁共振波谱法课件
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B =（1-σ）B0
σ：屏蔽常数，与质子所处的化学环境有关； 核外电子云密度越大，σ越大，表明受到的屏蔽效
应越大。
在屏蔽作用下，核磁共振实际频率υ为:
υ =（1-σ）B0·
（5）
由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要 更大的外磁场强度(相对于裸露的氢核)来抵消屏蔽用 作用的影响。
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，这种现象称为化学位移。
偶数 奇数
1,2,3
有
h
2π
原子核
12C6 16O8 32S16
1H1 13C6 19F9 15N7 31P15
11B5
35Cl17 79Br35 81Br35 17O8 33S16
2H1 14N7
二、核磁共振现象
具有自旋角动量(p)的核在自旋式会产生核磁矩(μ) :
μ=γ P （1）
μ
Biblioteka Baidu
γ 为磁旋比，不同的核有不同的磁旋比。
核，当满足共振条
件时，产生单一的
吸收峰；
B0
I h
B0
B
0
但这只是在理想情况下，实际上并不存在裸露 的氢核。在有机化合物中，氢核不但受周围不断运 动着的价电子影响，还受到相邻原子的影响。
一、化学位移的产生
在外磁场作用下，氢核外运动着的电子产生相 对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢 核实际受到的外磁场作用减小：
三、核磁共振波谱仪简介
核磁共振波谱仪结构如图所示。它主要由磁铁、射频发 射器、射频接受器和记录仪及试样管和试样探头等组成。
核磁共振波谱仪示意图
1.磁铁 2.扫场线圈 3.射频发射器 4 射频接受器及放大 器 5试样管 6记录仪或示波器
第二节 化学位移 一、化学位移的产生
屏蔽效应：理想化的、裸露的氢
关于核磁共振波谱 法
第一节 核磁共振波谱的基本原理
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频 辐射的吸收，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。
与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也 属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强 磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸 收。
驰豫现象是NMR得以保持的必要条件。由于受 到核外电子云的屏蔽作用，无法通过碰撞释放能量 1。) 自旋-晶格驰豫(纵向驰豫):分子的各种运动形成
许多不同频率的磁场(晶格场)；如果其中存在与 核能级相同的磁场(晶格场)，就可以进行能量转 移的驰豫过程。
2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)同类核具有相同的核能 级，高能态的核可以通过磁场释放能量给低能态 的同类核；结果没有改变 n*/n0 ，但是通过自旋 -自旋驰豫降低了激发态的寿命。
1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR 信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。
1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化(早期 多使用的是连续波NMR 仪器)。
一、原子核的自旋
μ=γp
式中：γ为磁旋比(magnetogyric ratio)，T-1.S-1,即核磁矩与核的
当将自旋核置于外加磁场B0中时，根据量子
力学原理，由于磁矩与磁场相互作用。磁矩相对
于外加磁场有不同的取向，它们在外磁场方向的
投影是量子化的，可以用磁量子数(m)描述：
m=I , I-1 ,I-2,….-I 2I=1个取向
对于具有I、m的核量子化能级的能量为：
△E = 2μB0
B0：外加磁场强度(G-高斯); μ：磁旋比.
右手定则
在外磁场中的核，除了自旋外还同时存在一个以外 磁场方向为轴线的回旋运动，称为进动或拉摩尔进动， 如下图所示 :
自旋核在外磁场中的两种取向示意图
外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图
自旋核的进动频率与外磁场的磁感应强度成正
比，可用拉摩尔方程式表示 :
ω0=2πυ0=γB0
（2）
式中：ω0为进动角速度，rad.s-1,它与外磁场的感应强度成 正比；υ0为进动频率，MHz；B0为磁感应强度,T。
生一个尖峰； (2) 屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中
的质子峰不重迭； (3) 化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，
易回收。
由于化学位移值很小，因此将它扩大1.0×106倍 （单位为PPm）。化学位移δ表示为
核磁共振吸收。
驰豫过程
1、饱和现象
吸收电磁辐射
n0
n*
根据波尔兹曼分布定律：μH=2.7927β B0=14092G
n0 n*
E
e kT
1.000009△9E=2μB0
2、驰豫
非电磁辐射形式释放能量
n*
n0
驰豫现象：高能态的核以非辐射形式释放能量，回
到低能态，维持n0略大于n*，致使核磁共
振信号存在，这种过程称为“驰豫”。
因此可根据化学位移的大小来判断原子核所处 的化学环境，也就是物质的分子结构。
二、化学位移的表示方法
1、化学位移的标准物质
❖ 没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。 ❖ 相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 (TMS)--内标物 ❖ 规定其位移常数 δTMS=0
CH3
Si
H 3C
CH3
H 3C
2、为什么用TMS作为基 (准1)? 12个氢处于完全相同的化学环境，只产
自旋角动量的比值。不同的核具有不同磁旋比，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，其值是量化的，可用自旋量子数表示。
p=
I(I1) ×
质量数 原子序数 偶数 偶数
I
NMR信号
0
无
奇数 奇或偶 1/2
有
奇数 奇或数偶数 3/2 5/2… 有
发展历史
1924年：Pauli 预言了NMR的基本理论，即：有 些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中 会发生分裂；
1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学 的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于 1952年分享了Nobel奖；
1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作 了第一台高分辨NMR仪器；
由（2）式可得
υ0 = B0·
（3）
在给定的磁场强度下，核的进动频率是一定的，用具有一定
能量的电磁波（相当于射频范围）照射核，若对应的能量符
合
γ
hυ0 =△E = B0· .h2 π
（4）
进动核便与光子相互作用，满足“共振条件”，此时体
系会有效的吸收射频的能量，使磁矩在外磁场中的取向逆转，
核从低能级跃迁到高能级而产生核磁共振信号，此过程就是
σ：屏蔽常数，与质子所处的化学环境有关； 核外电子云密度越大，σ越大，表明受到的屏蔽效
应越大。
在屏蔽作用下，核磁共振实际频率υ为:
υ =（1-σ）B0·
（5）
由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要 更大的外磁场强度(相对于裸露的氢核)来抵消屏蔽用 作用的影响。
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，这种现象称为化学位移。
偶数 奇数
1,2,3
有
h
2π
原子核
12C6 16O8 32S16
1H1 13C6 19F9 15N7 31P15
11B5
35Cl17 79Br35 81Br35 17O8 33S16
2H1 14N7
二、核磁共振现象
具有自旋角动量(p)的核在自旋式会产生核磁矩(μ) :
μ=γ P （1）
μ
Biblioteka Baidu
γ 为磁旋比，不同的核有不同的磁旋比。
核，当满足共振条
件时，产生单一的
吸收峰；
B0
I h
B0
B
0
但这只是在理想情况下，实际上并不存在裸露 的氢核。在有机化合物中，氢核不但受周围不断运 动着的价电子影响，还受到相邻原子的影响。
一、化学位移的产生
在外磁场作用下，氢核外运动着的电子产生相 对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢 核实际受到的外磁场作用减小：
三、核磁共振波谱仪简介
核磁共振波谱仪结构如图所示。它主要由磁铁、射频发 射器、射频接受器和记录仪及试样管和试样探头等组成。
核磁共振波谱仪示意图
1.磁铁 2.扫场线圈 3.射频发射器 4 射频接受器及放大 器 5试样管 6记录仪或示波器
第二节 化学位移 一、化学位移的产生
屏蔽效应：理想化的、裸露的氢
关于核磁共振波谱 法
第一节 核磁共振波谱的基本原理
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频 辐射的吸收，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。
与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也 属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强 磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸 收。
驰豫现象是NMR得以保持的必要条件。由于受 到核外电子云的屏蔽作用，无法通过碰撞释放能量 1。) 自旋-晶格驰豫(纵向驰豫):分子的各种运动形成
许多不同频率的磁场(晶格场)；如果其中存在与 核能级相同的磁场(晶格场)，就可以进行能量转 移的驰豫过程。
2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)同类核具有相同的核能 级，高能态的核可以通过磁场释放能量给低能态 的同类核；结果没有改变 n*/n0 ，但是通过自旋 -自旋驰豫降低了激发态的寿命。
1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR 信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。
1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化(早期 多使用的是连续波NMR 仪器)。
一、原子核的自旋
μ=γp
式中：γ为磁旋比(magnetogyric ratio)，T-1.S-1,即核磁矩与核的
当将自旋核置于外加磁场B0中时，根据量子
力学原理，由于磁矩与磁场相互作用。磁矩相对
于外加磁场有不同的取向，它们在外磁场方向的
投影是量子化的，可以用磁量子数(m)描述：
m=I , I-1 ,I-2,….-I 2I=1个取向
对于具有I、m的核量子化能级的能量为：
△E = 2μB0
B0：外加磁场强度(G-高斯); μ：磁旋比.
右手定则
在外磁场中的核，除了自旋外还同时存在一个以外 磁场方向为轴线的回旋运动，称为进动或拉摩尔进动， 如下图所示 :
自旋核在外磁场中的两种取向示意图
外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图
自旋核的进动频率与外磁场的磁感应强度成正
比，可用拉摩尔方程式表示 :
ω0=2πυ0=γB0
（2）
式中：ω0为进动角速度，rad.s-1,它与外磁场的感应强度成 正比；υ0为进动频率，MHz；B0为磁感应强度,T。
生一个尖峰； (2) 屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中
的质子峰不重迭； (3) 化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，
易回收。
由于化学位移值很小，因此将它扩大1.0×106倍 （单位为PPm）。化学位移δ表示为
核磁共振吸收。
驰豫过程
1、饱和现象
吸收电磁辐射
n0
n*
根据波尔兹曼分布定律：μH=2.7927β B0=14092G
n0 n*
E
e kT
1.000009△9E=2μB0
2、驰豫
非电磁辐射形式释放能量
n*
n0
驰豫现象：高能态的核以非辐射形式释放能量，回
到低能态，维持n0略大于n*，致使核磁共
振信号存在，这种过程称为“驰豫”。
因此可根据化学位移的大小来判断原子核所处 的化学环境，也就是物质的分子结构。
二、化学位移的表示方法
1、化学位移的标准物质
❖ 没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。 ❖ 相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 (TMS)--内标物 ❖ 规定其位移常数 δTMS=0
CH3
Si
H 3C
CH3
H 3C
2、为什么用TMS作为基 (准1)? 12个氢处于完全相同的化学环境，只产
自旋角动量的比值。不同的核具有不同磁旋比，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，其值是量化的，可用自旋量子数表示。
p=
I(I1) ×
质量数 原子序数 偶数 偶数
I
NMR信号
0
无
奇数 奇或偶 1/2
有
奇数 奇或数偶数 3/2 5/2… 有
发展历史
1924年：Pauli 预言了NMR的基本理论，即：有 些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中 会发生分裂；
1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学 的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于 1952年分享了Nobel奖；
1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作 了第一台高分辨NMR仪器；
由（2）式可得
υ0 = B0·
（3）
在给定的磁场强度下，核的进动频率是一定的，用具有一定
能量的电磁波（相当于射频范围）照射核，若对应的能量符
合
γ
hυ0 =△E = B0· .h2 π
（4）
进动核便与光子相互作用，满足“共振条件”，此时体
系会有效的吸收射频的能量，使磁矩在外磁场中的取向逆转，
核从低能级跃迁到高能级而产生核磁共振信号，此过程就是