第四章 核磁共振氢谱(背景换)
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核磁共振氢谱(NMR)
氢谱可以用于鉴定生物体内代谢产物的化学结构，有助于了解生物体的代谢过程 和生理状态。
代谢物变化分析
通过比较不同生理状态下的氢谱数据，可以分析代谢产物的变化，从而研究疾病 、营养状况等对生物体的影响。
药物代谢动力学研究
药物代谢过程研究
氢谱可以用于研究药物在体内的代谢过 程，了解药物在体内的转化和排泄机制 。
反应机理研究
总结词
核磁共振氢谱在反应机理研究中具有重要应用，通过监测反 应过程中谱峰的变化，可以揭示反应的中间产物和反应路径 。
详细描述
核磁共振氢谱可以实时监测反应过程中氢原子所处的化学环 境变化，从而揭示反应的中间产物和反应路径。通过分析谱 峰的变化，可以推断出反应过程中各组分的生成和消耗情况 ，有助于深入理解反应机理。
催化剂活性位点研究
总结词
核磁共振氢谱在催化剂活性位点研究中具有独特的应用价值，通过分析催化剂表面吸附物种的谱峰特 征，可以揭示催化剂的活性位点和反应机制。
详细描述
核磁共振氢谱可以用来研究催化剂表面吸附物种的结构和性质。通过分析谱峰的位置和裂分情况，可 以推断出吸附物种所处的化学环境和与催化剂表面的相互作用关系。这些信息有助于揭示催化剂的活 性位点和反应机制，对于优化催化剂性能和提高催化反应效率具有重要意义。
重要信息。
生物医学
用于研究生物大分子的 结构和功能，为疾病诊
断和治疗提供依据。
02
核磁共振氢谱的基本原理
原子核的自旋与磁矩
原子核自旋
原子核具有自旋角动量，使得原子核 具有一定的磁矩。
磁矩与磁场相互作用
能级跃迁
当外加射频场能量与能级分裂相匹配 时，原子核发生能级跃迁，释放出共 振信号。
原子核磁矩在外部磁场中受到洛伦兹 力，产生能级分裂。
代谢物变化分析
通过比较不同生理状态下的氢谱数据，可以分析代谢产物的变化，从而研究疾病 、营养状况等对生物体的影响。
药物代谢动力学研究
药物代谢过程研究
氢谱可以用于研究药物在体内的代谢过 程，了解药物在体内的转化和排泄机制 。
反应机理研究
总结词
核磁共振氢谱在反应机理研究中具有重要应用，通过监测反 应过程中谱峰的变化，可以揭示反应的中间产物和反应路径 。
详细描述
核磁共振氢谱可以实时监测反应过程中氢原子所处的化学环 境变化，从而揭示反应的中间产物和反应路径。通过分析谱 峰的变化，可以推断出反应过程中各组分的生成和消耗情况 ，有助于深入理解反应机理。
催化剂活性位点研究
总结词
核磁共振氢谱在催化剂活性位点研究中具有独特的应用价值，通过分析催化剂表面吸附物种的谱峰特 征，可以揭示催化剂的活性位点和反应机制。
详细描述
核磁共振氢谱可以用来研究催化剂表面吸附物种的结构和性质。通过分析谱峰的位置和裂分情况，可 以推断出吸附物种所处的化学环境和与催化剂表面的相互作用关系。这些信息有助于揭示催化剂的活 性位点和反应机制，对于优化催化剂性能和提高催化反应效率具有重要意义。
重要信息。
生物医学
用于研究生物大分子的 结构和功能，为疾病诊
断和治疗提供依据。
02
核磁共振氢谱的基本原理
原子核的自旋与磁矩
原子核自旋
原子核具有自旋角动量，使得原子核 具有一定的磁矩。
磁矩与磁场相互作用
能级跃迁
当外加射频场能量与能级分裂相匹配 时，原子核发生能级跃迁，释放出共 振信号。
原子核磁矩在外部磁场中受到洛伦兹 力，产生能级分裂。
第四章-核磁共振波谱法-氢谱-第四节
自旋偶合和自旋裂分讨论：
（1）、通常自旋偶合作用传递三个单键
Ha Hb Hc HCC C H
HHH
a-b、b-c之间有自旋偶合 a-c之间自旋偶合可忽略 同碳上的自旋偶合最大
（2）、核的化学等价与磁等价
1. 化学等价：具有相同位移值的核称为化学等价核，具 有相同的化学环境。
2. 磁等价：具有相同位移值、并且对组外的其他核的偶
2. 峰的强度(面积)比：
6：1：1
O
3. 峰的位移：δ = 1.2 （-CH3） δ = 2.4 （-CH）
HO C CH CH3
δ = 11.6 （-COOH） 4. 峰的裂分数：6:1:1
CH3
二、谱图解析实例
1. 区别一些化合物 很多化合物用其它方法不好区分 例 丙酮CH3COCH3 和丁酮CH3CH2COCH3 CH3COCH3 ：6个H在同一化学环境中，一组单峰 CH3CH2COCH3: 8个H在三种不同环境中, 三组峰 三 四重峰 单峰
b组：6H×2/6=2H
c组：6H×1/6=1H
（3）质子有三种类型，化学位移分别为a=1， b=2.4， c=9.8
（4）跟据峰裂分情况分析
Ha Hb
为三重峰,它与2个H原子相邻 为四重峰,它与三个H原子相邻
据裂分情况和化学位 移，判断为-CH2CH3
（5）分子式为C3H6O 可能的结构CH3CH2 CHO （6）验证
2. 推测化合物结构
例：下图是C3H6O核磁共振图谱，三组吸收峰 的值分别为9.8，2.4和1ppm。试推测结构。
3
2
a
1
c
b
9.8 2.4
1
0
（1）先计算不饱和度 =1+3+（0-6）/2=1
04-核磁共振氢谱-总PPT课件
质量数 原子序数 自旋量子数I
偶数
偶数
0
偶数
奇数
1，2，3….
奇数
奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….
.
6
表 常见核的核磁共振数据
核 天然丰度% 自旋量子数I 磁矩μ/μ0
1H 99.985
1/2
4.83724
磁旋比
共振频率/MHz
γ / 107rad·s-1·T-1 （H0=2.3488T）
26.7519
三氯乙酸
CCL3COOH
二氧六环
P-C2H6O2
环己烷
C6H12
四氯化碳
CCl4
二硫化碳
CS2
二氯甲烷
CH2Cl2
7.27
76.9
2.05
206,29.1
4.0**
/
2.5
39.6
7.20
128.0
3.34,4.11
49.0
7.18,7.57,8.57 149.9,135.5,123.5
2.31,7.10
(3)Ｉ＝1/2的原子核 1H，13C，19F，31P
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自
旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有
机化合物的主要组成元素。 .
9
讨论:
在1950年，Proctor等研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。
.
15
表4-3 常见溶剂及其化学位移
名称
分子式
化学位移/ppm*
1H
13C
氯仿-d1
CHCl3- d1
丙酮- d6
第四章核磁共振HNMR ppt课件
两种自旋取向能级差与外磁 场B0的关系
2020/11/13
19
现在从另一角度来讨论核磁共振现象。
在B0中，原子核绕其自旋轴旋转（自旋 轴与核磁矩μ方向一致），而自旋轴又与静磁 场B0保持某一夹角θ,而绕B0进动，称为 Larmor进动（如图所示）
2020/11/13
I=1／2的核的Larmor进动
尽管共振频率各有差异，但差异不大，仅为百万 分之十左右，对其绝对值的测量难以达到所需要 的精度。
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32
故实际工作中是采用测定相对值来表示，即 以某标准物质的共振峰为原点，测定样品中 各共振峰与原点的相对距离，这种相对距离 就称为化学位移(Chemical shift)。
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26
4.1.4 驰豫过程 1．弛豫过程
当大量的原子核在外磁场中取向并达到平衡，高低能 级的分布可利用Boltzman定律来描述。即低能级的数目 略多于高能级的数目,且ΔE极小。当用射频电磁波照射外 磁场中原子核时，低能级的核吸收能量跃迁至高能级，产 生核磁共振信号。由于ΔE极小，高能级粒子通过自发辐射 回到低能级的几率几乎为零。因此若要在一定时间间隔内 持续检测到NMR信号，必须有某种过程存在，它使高能级 的原子核回到低能级，以保持低能级的粒子数始终略大于 高能级的粒子数。这个过程就是弛豫过程。
ωL=ω=2πν=γB0
ν共振= γB0/2π
参见下面的示意图
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22
核磁能量吸收和跃迁过程
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下面对核磁共振方程进行讨论
（ ν共振= γB0/2π ）
①对于同一核，如I=1/2的1H核，发生共振时，
ν照射与B0的关系
第四章 氢谱
各向异性效应
化合物中非球形对称的电子云，如 π电子系统，对邻近质 子会附加一个各向异性的磁场，即这个附加磁场在某些区 域与外磁场 B0的方向相反，使外磁场强度减弱，起抗磁性 屏蔽作用，而在另外一些区域与外磁场 B0方向相同，对外 磁场起增强作用，产生顺磁性屏蔽的作用。 通常抗磁性屏蔽作用简称为屏蔽作用，产生屏蔽作用的区 域用“ + ”表示，顺磁性屏蔽作用也称作去屏蔽作用，去 屏蔽作用的区域用“ -”表示。
磁等价
如果两个原子核不仅化学位移相同（ 即化学等价），而且还以相同的耦合常数与 分子中的其他核耦合，则这两个原子核就是磁等价的。 乙醇分子中甲基的三个质子有相同的化学环境，是化学等价的，亚甲基的两个质 子也是化学等价的。同时，甲基的三个质子与亚甲基每个质子的耦合常数都相等 ，所以三个质子是磁等价的，同样的理由，亚甲基的两个质子也是磁等价的。 对位取代苯2，Ha和 Ha’ ，Hb和 Hb’ 是化学等价的，但 Ha与 Hb是间隔三个键的 2 邻位耦合（3J ），Ha’ 与 Hb是间隔五键的对位耦合（5J ），所以它们不是磁等 价的；同样，处于取代基 Y 邻位的 Hb和 Hb 也是化学等价，但不是磁等价的。 如果是对称的三取代苯3，则 Ha和 Ha’ 是磁等价的，因为它们与 Hb都是间位耦 3 合（4J），耦合常数相等。
1H
是有机化合物中最常见的同位素，1H NMR 谱是有机物结构解 析中最有用的核磁共振谱之一。
核磁共振氢谱
6
4 4 4
提供的结构信息： δ、J、峰的裂分情况和峰面积
氢化学位移 δ
1.
化学位移值能反映质子的类型以及所处的化学环境，与分子 结构密切相关
2. 3.
δ (TMS)=0
τ(TMS)=10
核磁共振氢谱（PMR或1HNMR）
核磁共振氢谱（PMR或1HNMR）核磁共振氢谱(PMR或1HNMR)核磁共振技术是20世纪50年代中期开始应⽤于有机化学领域，并不断发展成为有机物结构分析的最有⽤的⼯具之⼀。
它可以解决有机领域中的以下问题：（1）结构测定或确定，⼀定条件下可测定构型和构象；（2）化合物的纯度检查；（3）混合物分析，主要信号不重叠时，可测定混合物中各组分的⽐例；（4）质⼦交换、单键旋转、环的转化等化学变化速度的测定及动⼒学研究。
NMR的优点是：能分析物质分⼦的空间构型；测定时不破坏样品；信息精密准确。
NMR通常与IR并⽤，与MS、UV及化学分析⽅法等配合解决有机物的结构问题，还⼴泛应⽤于⽣化、医学、⽯油、物理化学等⽅⾯的分析鉴定及对微观结构的研究。
⼀、基本概念核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原⼦核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作⽤时，在其磁能级之间发⽣的共振跃迁现象。
检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。
因此，就本质⽽⾔，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作⽤⽽产⽣的，属于吸收光谱（波谱）范畴。
根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分⼦结构。
发展历史1．1946 年美国斯坦福⼤学的F. Bloch 和哈佛⼤学E.M .Purcell领导的两个研究组⾸次独⽴观察到核磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两⼈共同荣获1952 年诺贝尔物理奖。
NMR发展最初阶段的应⽤局限于物理学领域，主要⽤于测定原⼦核的磁矩等物理常数。
2．1950 年前后W .G. Proctor等发现处在不同化学环境的同种原⼦核有不同的共振频率，即化学位移。
接着⼜发现因相邻⾃旋核⽽引起的多重谱线，即⾃旋—⾃旋耦合，这⼀切开拓了NMR 在化学领域中的应⽤和发展。
3．20 世纪60 年代，计算机技术的发展使脉冲傅⾥叶变换核磁共振⽅法和谱仪得以实现和推⼴，引起了该领域的⾰命性进步。
随着NMR 和计算机的理论与技术不断发展并⽇趋成熟，NMR ⽆论在⼴度和深度⽅⾯均出现了新的飞跃性进展，具体表现在以下⼏⽅⾯：1）仪器向更⾼的磁场发展，以获得更⾼的灵敏度和分辨率，现⼰有300、400、500、600MHz，甚⾄1000MHz 的超导NMR 谱仪；2）利⽤各种新的脉冲系列，发展了NMR 的理论和技术，在应⽤⽅⾯作了重要的开拓；3）提出并实现了⼆维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量⼦跃迁等NMR 测定新技术，在归属复杂分⼦的谱线⽅⾯⾮常有⽤。
第四章 核磁共振氢谱
起的谱线加宽是“自然”宽度，不可
1H：ν＝γ
H0/2π H· H0/2π C·
＝26.753×4.69×107/(2×3.14)＝200(MHz)
13C：ν＝γ
＝6.728×4.69×107/ (2×3.14)＝50.2(MHz)
磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）
产生NMR条件
（1） I 0 的自旋核 （2） 外磁场 B0
因此，核磁共振研究磁性原子核对射频能的吸收。
• NMR：磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱， 是研究分子结构、构型构象等的重要方法。
核磁共振的研究对象：磁性核。 磁性核：具有磁矩的原子核。 磁矩是由于核的自旋运动产生的。
带电原子核自旋
磁场
磁矩(沿自旋轴方向)
质子带正电荷，它们象地球一样在不停地绕轴旋转，并有自己的磁场。 原子核象电子一样，也有自旋现象，其效果相当于产生了旋转电流。旋转电流将会产生感 应磁场。因此原子核的自旋运动使之沿自旋轴方向产生感应磁场，从而显示磁性。
16O，12C，32S
偶数
奇数
有
自旋
不均匀
2H，14N
1/2 奇数 奇数或偶数 3/2, 5/2, …
有 有
自旋
均匀 不均匀
1H，13C，11B，
17O
I 0的原子核都有自旋现象，其自旋角动量(P)为：
P
I ( I 1)
h 2
I＝0、1/2、1…… I = 0， P=0， 无磁性，不会产生磁共振现象。 只有当I ＞ O时，才能发生共振吸收，产生共 振信号。
1950年， Proctor 等人研究发现：质子的核磁共振频率与其结构（化学环境）有关。 1951年，Arnold等人发现乙醇的核磁共振信号是3组峰，揭示了核磁共振与分子结构的 关系。 1953年，美国varian公司首先研制了高分辨核磁共振仪器。 1957年，13C NMR研制成功。 1959年，固态NMR研制成功。 1964年，高分辨超导核磁共振仪器研制成功。 1965年，脉冲傅立叶转换NMR (FT-NMR)研制成功。 1976年，恩斯特(R. R. Ernst) 提出二维核磁共振技术，并获得1991年的 Noble Prize。 1979年，世界上第一台商用500MHz-NMR仪器推向市场。
1H：ν＝γ
H0/2π H· H0/2π C·
＝26.753×4.69×107/(2×3.14)＝200(MHz)
13C：ν＝γ
＝6.728×4.69×107/ (2×3.14)＝50.2(MHz)
磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）
产生NMR条件
（1） I 0 的自旋核 （2） 外磁场 B0
因此，核磁共振研究磁性原子核对射频能的吸收。
• NMR：磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱， 是研究分子结构、构型构象等的重要方法。
核磁共振的研究对象：磁性核。 磁性核：具有磁矩的原子核。 磁矩是由于核的自旋运动产生的。
带电原子核自旋
磁场
磁矩(沿自旋轴方向)
质子带正电荷，它们象地球一样在不停地绕轴旋转，并有自己的磁场。 原子核象电子一样，也有自旋现象，其效果相当于产生了旋转电流。旋转电流将会产生感 应磁场。因此原子核的自旋运动使之沿自旋轴方向产生感应磁场，从而显示磁性。
16O，12C，32S
偶数
奇数
有
自旋
不均匀
2H，14N
1/2 奇数 奇数或偶数 3/2, 5/2, …
有 有
自旋
均匀 不均匀
1H，13C，11B，
17O
I 0的原子核都有自旋现象，其自旋角动量(P)为：
P
I ( I 1)
h 2
I＝0、1/2、1…… I = 0， P=0， 无磁性，不会产生磁共振现象。 只有当I ＞ O时，才能发生共振吸收，产生共 振信号。
1950年， Proctor 等人研究发现：质子的核磁共振频率与其结构（化学环境）有关。 1951年，Arnold等人发现乙醇的核磁共振信号是3组峰，揭示了核磁共振与分子结构的 关系。 1953年，美国varian公司首先研制了高分辨核磁共振仪器。 1957年，13C NMR研制成功。 1959年，固态NMR研制成功。 1964年，高分辨超导核磁共振仪器研制成功。 1965年，脉冲傅立叶转换NMR (FT-NMR)研制成功。 1976年，恩斯特(R. R. Ernst) 提出二维核磁共振技术，并获得1991年的 Noble Prize。 1979年，世界上第一台商用500MHz-NMR仪器推向市场。
核磁共振氢谱高中化学
核磁共振氢谱高中化学
核磁共振氢谱(NMR)是一种通过核磁共振效应来确定分子中氢原子的位置和数量的方法。
它是一种非常有用的工具，可用于确定化合物的结构、纯度和反应机制。
核磁共振氢谱常用于有机化学领域，特别是在药物研究中。
在核磁共振氢谱中，样品被置于一个强磁场中，其中的氢原子会发生共振。
该样品接收到一系列辐射，其频率与每个氢原子周围的化学环境有关。
这些信号可以通过计算机辅助分析进行解读，以确定分子中不同氢原子的位置和数量。
核磁共振氢谱通常用于确定分子中的键结构、官能团和立体构型。
通过观察信号的位置、强度、形状和旋转有关的信息，可以确定化合物的键合作用类型和氢原子的环境。
这些数据可以与化合物库中的相应数据进行比较，以确定化合物的身份。
总之，核磁共振氢谱是一种强大的工具，使化学家能够确定分子的结构、纯度和反应机制。
它是有机化学研究中不可或缺的分析方法。
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NMR也可以作定量分析，但误差较大，不能用于 痕量分析。
NMR在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应 用日趋广泛 。
Bruker AVANCE 400 核磁共振谱仪
第一节 基本原理
一、原子核的自旋 原子核和电子一样，存在自旋，从而有自旋角动量（P）和 自旋磁场H0 如果放在外磁场中，其运动方式变成进动。
在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态， 其值与核中的质子数和中子数有关。
质量数 原子序数
偶数
偶数
自旋量子数I 0
偶数
奇数
1，2，3….
奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….
按自旋量子数的不同，可以将核分成如下几类：
1． I=0 的原子核： 12C6，16O8，32S16等，这一类原子核 的原子序数和质量数均为偶数，它们不自旋，没有磁矩，
第四章 核磁共振氢谱
核磁共振： Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，简称NMR 。
按观察的核不同，有1H、13C 、31P、19F-NMR。
按独立频率变量个数可分为一维谱、二维谱、三维谱。
核磁共振(1H-NMR)在化学中的应用己有半个世纪了。 NMR的理论基础是量子光学和核磁感应理论。
50多年来，超过14位科学家因推动核磁技术的发展而获诺 贝尔奖，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。
过去50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。
核磁共振分析能够提供三种结构信息：化学位移δ、偶合常数 J、各种核的信号强度比。
耦合常数
1.3
通过分析这些信息，可以了解特定原子(如1H 、 13C等)的化学 环境、原子个数、邻接基团的种类及分子的空间构型。
NMR己经成为现代结构分析中十分重要的手段。NMR 可以提供多种结构信息，不破坏样品，应用很广泛。
1970年代脉冲傅立叶变换引入NMR谱仪，使灵敏度小的 原子核能被测定；
1980年代二维NMR谱发展，对判断化合物的空间结构起重 大作用。
英国R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。
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2002年 诺贝尔化学奖。
0 低 场 H0 高 场
若在B0的垂直方向用电磁波照射，当提供的能量 = E时，核 可以吸收能量从低能级跃迁到高能级，即低能量取向的氢核
翻转过来，给出吸收信号，这种现象叫核磁共振。
三、核磁共振条件
在外磁场中，原子核能级产生裂 分，由低能级向高能级跃迁，需 要吸收能量，能级量子化。
射频振荡线圈产生电磁波。
2
P h I( I + 1) 2
式中，h为普朗克常数，I可为整数或半整数，
对于同一种核，为常数。如1H：＝26.752 107 rad·T-1·S-1； 13C：＝6.728 107 rad·T-1·S-1；T=104高斯。核的旋磁比 越
大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
I=0，P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振 信号。 只有当I ＞0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不 均匀，有电四极矩存在，共振吸收复杂，研究应用较少。
原子核置于外加磁场中，核有不同的自旋取向。自旋量 子数为I的核，共有(2I+1)个自旋取向。
二、 核磁共振现象
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分布 的球体，绕自旋轴转动时，产生 磁场，类似一个小磁铁。
+
→
B0
进动轨道
P
自旋轴
在外磁场B0中的进动
陀螺的进动
自旋核绕其自旋轴（与磁矩方向一致）旋转，而自旋轴既与
B0场保持一夹角又绕B0场进动，称拉莫（Larmor进动），类 似于陀螺在重力场中的进动。
原子核自旋产生的磁矩 ，其大小与自旋角动量P，核的旋 磁比及自旋量子数I有关。
P h I( I + 1)
当置于外加磁场B0中时， 相对于外磁场，可以有 （2I+1）种取向：
氢核（I=1/2），两种 取向（代表两个能级状态）：
（1）与外磁场平行，能量 低，磁量子数m＝＋1/2;
（2）与外磁场相反，能量 高，磁量子数m＝－1/2;
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’
两种力的相互作用，产生进动（拉
不产生共振吸收，不是NMR研究的对象。
2．Ｉ＝1/2的原子核： 1H1，13C6，19F9，31P15
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋， 有磁矩产生，容易得到高分辨NMR谱，是核磁共振研究的 主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。
3． I ≥1的原子核： I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
莫进动）进动频率0； 角速度0；
0 = 20 = B0
z, BO
m=+½ ()
磁旋比； B0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之间的 能级差：
E= B0 （磁矩）
m=-½ ()
自旋为½ 的核在磁场中的两个进动锥体
E正比于B0
E
m=-½ ()
0Leabharlann EE2B1
B2
m=+½ () B0
电磁波辐射
信号
吸 收 能 量
发展历程
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛克(F.Block)和哈 佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得 1952年诺贝尔物理学奖。 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NMR仪器（ CW-30MHz ）。 1960年代用于有机化学领域。 1964年第一台超导NMR谱仪(Varian)，提高灵敏度和分辨率；
对于氢核，能级差： E= B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= B0 = h0 由拉莫进动方程：0 = 20 = B0 ; 共振条件： 0 = B0 / (2 )
即当射频场的频率与核磁场中的拉摩尔进动频率匹配 时，这时发生共振，每次跃迁都伴随着自旋方向的变化。
NMR在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应 用日趋广泛 。
Bruker AVANCE 400 核磁共振谱仪
第一节 基本原理
一、原子核的自旋 原子核和电子一样，存在自旋，从而有自旋角动量（P）和 自旋磁场H0 如果放在外磁场中，其运动方式变成进动。
在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态， 其值与核中的质子数和中子数有关。
质量数 原子序数
偶数
偶数
自旋量子数I 0
偶数
奇数
1，2，3….
奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….
按自旋量子数的不同，可以将核分成如下几类：
1． I=0 的原子核： 12C6，16O8，32S16等，这一类原子核 的原子序数和质量数均为偶数，它们不自旋，没有磁矩，
第四章 核磁共振氢谱
核磁共振： Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，简称NMR 。
按观察的核不同，有1H、13C 、31P、19F-NMR。
按独立频率变量个数可分为一维谱、二维谱、三维谱。
核磁共振(1H-NMR)在化学中的应用己有半个世纪了。 NMR的理论基础是量子光学和核磁感应理论。
50多年来，超过14位科学家因推动核磁技术的发展而获诺 贝尔奖，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。
过去50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。
核磁共振分析能够提供三种结构信息：化学位移δ、偶合常数 J、各种核的信号强度比。
耦合常数
1.3
通过分析这些信息，可以了解特定原子(如1H 、 13C等)的化学 环境、原子个数、邻接基团的种类及分子的空间构型。
NMR己经成为现代结构分析中十分重要的手段。NMR 可以提供多种结构信息，不破坏样品，应用很广泛。
1970年代脉冲傅立叶变换引入NMR谱仪，使灵敏度小的 原子核能被测定；
1980年代二维NMR谱发展，对判断化合物的空间结构起重 大作用。
英国R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。
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2002年 诺贝尔化学奖。
0 低 场 H0 高 场
若在B0的垂直方向用电磁波照射，当提供的能量 = E时，核 可以吸收能量从低能级跃迁到高能级，即低能量取向的氢核
翻转过来，给出吸收信号，这种现象叫核磁共振。
三、核磁共振条件
在外磁场中，原子核能级产生裂 分，由低能级向高能级跃迁，需 要吸收能量，能级量子化。
射频振荡线圈产生电磁波。
2
P h I( I + 1) 2
式中，h为普朗克常数，I可为整数或半整数，
对于同一种核，为常数。如1H：＝26.752 107 rad·T-1·S-1； 13C：＝6.728 107 rad·T-1·S-1；T=104高斯。核的旋磁比 越
大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
I=0，P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振 信号。 只有当I ＞0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不 均匀，有电四极矩存在，共振吸收复杂，研究应用较少。
原子核置于外加磁场中，核有不同的自旋取向。自旋量 子数为I的核，共有(2I+1)个自旋取向。
二、 核磁共振现象
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分布 的球体，绕自旋轴转动时，产生 磁场，类似一个小磁铁。
+
→
B0
进动轨道
P
自旋轴
在外磁场B0中的进动
陀螺的进动
自旋核绕其自旋轴（与磁矩方向一致）旋转，而自旋轴既与
B0场保持一夹角又绕B0场进动，称拉莫（Larmor进动），类 似于陀螺在重力场中的进动。
原子核自旋产生的磁矩 ，其大小与自旋角动量P，核的旋 磁比及自旋量子数I有关。
P h I( I + 1)
当置于外加磁场B0中时， 相对于外磁场，可以有 （2I+1）种取向：
氢核（I=1/2），两种 取向（代表两个能级状态）：
（1）与外磁场平行，能量 低，磁量子数m＝＋1/2;
（2）与外磁场相反，能量 高，磁量子数m＝－1/2;
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’
两种力的相互作用，产生进动（拉
不产生共振吸收，不是NMR研究的对象。
2．Ｉ＝1/2的原子核： 1H1，13C6，19F9，31P15
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋， 有磁矩产生，容易得到高分辨NMR谱，是核磁共振研究的 主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。
3． I ≥1的原子核： I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
莫进动）进动频率0； 角速度0；
0 = 20 = B0
z, BO
m=+½ ()
磁旋比； B0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之间的 能级差：
E= B0 （磁矩）
m=-½ ()
自旋为½ 的核在磁场中的两个进动锥体
E正比于B0
E
m=-½ ()
0Leabharlann EE2B1
B2
m=+½ () B0
电磁波辐射
信号
吸 收 能 量
发展历程
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛克(F.Block)和哈 佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得 1952年诺贝尔物理学奖。 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NMR仪器（ CW-30MHz ）。 1960年代用于有机化学领域。 1964年第一台超导NMR谱仪(Varian)，提高灵敏度和分辨率；
对于氢核，能级差： E= B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= B0 = h0 由拉莫进动方程：0 = 20 = B0 ; 共振条件： 0 = B0 / (2 )
即当射频场的频率与核磁场中的拉摩尔进动频率匹配 时，这时发生共振，每次跃迁都伴随着自旋方向的变化。