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核磁共振氢谱原理解析
核磁共振氢谱原理解析
核磁共振氢谱原理是基于核磁共振现象的。
核磁共振是一种原子核具有自旋的现象，在外加磁场的作用下，具有不同自旋状态的原子核会在特定频率处吸收能量并发生翻转。
当外加的磁场方向改变时，吸收频率也会发生变化。
这个频率的大小与磁场强度和原子核自旋有关。
在氢谱中，利用氢原子核的自旋特性，将样品放入磁场中，通过改变磁场强度来改变吸收频率。
测量样品吸收的能量，并通过峰的数量和位置来确定样品中氢原子的种类和数量。
核磁共振氢谱原理是一种非常重要的分析方法，在化学、生物化学和医学等领域有广泛的应用。
核磁共振氢谱解析
2D与1H的耦合主要出现在氘代溶剂中，J
值 约为1H和1H耦合的1/6.5。例如使用氘代丙酮 作溶剂时，常常能在2.05ppm处发现一个裂 距很小的五重峰；
13C因天然丰度仅1％左右，它与1H的耦合在一
般情况下看不到；
19F、31P与1H的耦合比较重要，19F、31P的自旋
量子数均为1/2，所以它们对1H的耦合符合n+1 规律
• 芳烃和烯烃的各向异性效应
＋ －
＋
－
－
－
＋
＋
苯环上H的＝7.27;
乙烯的＝5.23
H H H H H H H H H H
H H H H H H H H
安纽烯有18个H。
12 个环外 H ，受到强的 去屏蔽作用， 环外氢 8.9； 6 个环内 H ，受到高度 的屏蔽作用， 环内氢 -1.8。
在非极性溶剂中，浓度越稀，越不利于形成氢 键。随着浓度减小，质子共振向高场移动；
改变测定温度或浓度，观察谱峰位置改变可确 定OH或NH等产生的信号； 分子内氢键的生成与浓度无关，相应的质子总 是出现在较低场。
(6) 溶剂效应
由于溶质分子受到不同溶剂影响而引起的化 学位移变化称为溶剂效应。例如：
19F与1H之间的耦合较强，从相隔2个键到5
个键的耦合都能观测到；31P对1H的耦合相对 较弱。
4.3.3 一级谱图的解析
1H
NMR所能提供的信息 –化学位移值 –耦合（自旋裂分峰形和耦合常数） –各峰面积之比（积分曲线高度比）
1. 对下列谱图进行指认
a CH3 O b c g e d f CH2 CH2 CH2 C OH O
(3) 活泼氢的化学位移
值 约为1H和1H耦合的1/6.5。例如使用氘代丙酮 作溶剂时，常常能在2.05ppm处发现一个裂 距很小的五重峰；
13C因天然丰度仅1％左右，它与1H的耦合在一
般情况下看不到；
19F、31P与1H的耦合比较重要，19F、31P的自旋
量子数均为1/2，所以它们对1H的耦合符合n+1 规律
• 芳烃和烯烃的各向异性效应
＋ －
＋
－
－
－
＋
＋
苯环上H的＝7.27;
乙烯的＝5.23
H H H H H H H H H H
H H H H H H H H
安纽烯有18个H。
12 个环外 H ，受到强的 去屏蔽作用， 环外氢 8.9； 6 个环内 H ，受到高度 的屏蔽作用， 环内氢 -1.8。
在非极性溶剂中，浓度越稀，越不利于形成氢 键。随着浓度减小，质子共振向高场移动；
改变测定温度或浓度，观察谱峰位置改变可确 定OH或NH等产生的信号； 分子内氢键的生成与浓度无关，相应的质子总 是出现在较低场。
(6) 溶剂效应
由于溶质分子受到不同溶剂影响而引起的化 学位移变化称为溶剂效应。例如：
19F与1H之间的耦合较强，从相隔2个键到5
个键的耦合都能观测到；31P对1H的耦合相对 较弱。
4.3.3 一级谱图的解析
1H
NMR所能提供的信息 –化学位移值 –耦合（自旋裂分峰形和耦合常数） –各峰面积之比（积分曲线高度比）
1. 对下列谱图进行指认
a CH3 O b c g e d f CH2 CH2 CH2 C OH O
(3) 活泼氢的化学位移
第一章 核磁共振氢谱解析
2 芳环和芳杂环
苯环3J大于饱和碳链的3J，这是因为在苯环中耦合作用 传递比较好，典型数值为8 Hz. 由于吡啶环内有氮原子存在， 就像前面讨论的电负性基团的取代使饱和碳链的3J 减小一样， 吡啶环内靠近氮原子的3J数值下降.远离氮原子的3J则与苯环 的3J相仿.
五元杂环（呋喃、噻吩和嘧啶）靠近杂原子的3J数值下 降，远离杂原子的3J 数值则大些，但是比苯环的3J小不少。
利用对称面法则判断氢原子的化学位移数值是否相等.
对称面法则：对于直接在同个碳原子〈以C 表示〉上的 两个相同基团〈以X表示〉来说，只有当该分子存在对称面， 且该对称面平分这个XCX 角时，这两个相同的基团才是对 映异位的.
也就是说，在测定核磁共振氢谱时，当使用非手性溶剂 时，这两个相同基团才会具有相同的化学位移数值（当使用 手性溶剂时，这两个相同基团可能具有不同的化学位移数 值) . 如果该分子存在分子内运动，则对于每一种构象来说， 都应该存在平分XCX角的对称面，这两个相同基团才是对映 异位的，在用非手性溶剂测定核磁共振谱时才会具有相同的 化学位移数值.也即化学等价.
1. 2. 1 耦合作用和耦合常数
磁性核之间才会有耦合作用.磁性核是它们的自旋量子数不 为零的原子核. 如果不是磁性核， 就不能对其他原子核产生藕合 作用， 本身也不能用核磁共振方法来测定.
由于磁性核在磁场中有不同的取向，与它(们)相邻的核(在氢 谱中指的是氢核〉的谱峰即会呈现被裂分(分裂)的多重峰.
理论上可以证明，或者从实际谱图的解析也可以知道： 只要相互耦合的基团具有不同的化学位移值，它们之间的耦 合裂分就会表现出来。反之，如果它们的化学位移数值相同 (不管是理论上应该具有相同的化学位移数值，还是它们凑巧 具有相同的化学位移数值），它们之间虽然也存在相互的耦 合作用，但是此时它们之间的耦合裂分作用表现不出来。以 上的论述对于分析核磁共振氢谱是十分重要的.
核磁共振氢谱解析ppt课件
第三章 核磁共振氢谱
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。 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NMR仪器
• 驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫 时间成反比。
• 饱和：高能级的核不能回到低能级，则NMR信号 消失的现象。
核磁共振仪
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)
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：
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：
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。 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NMR仪器
• 驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫 时间成反比。
• 饱和：高能级的核不能回到低能级，则NMR信号 消失的现象。
核磁共振仪
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)
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：
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：
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
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。
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原子核自旋取向能级差高几个数量级，热运动使这种倾向受破坏， 当达到热平衡时，处于高低能态的核数的分布服从Boltzmann分 布：
n+/n- 1+ ΔE / kT
式中：n+ ---- 低能态的核数
n- ---- 高能态的核数
k ----- Boltzmann 常数 T ----- 绝对温度 当T=27 C,磁场强度为1.0特斯拉时，高低能态的核数只差6.8ppm 磁场强度为1.4092时，高低能态的核数只差10ppm
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）
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:
交变电场的能量，跃迁到高能态，称核磁共振。
核磁共振的条件:
ΔE = 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
• 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……
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，
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
Boltzmann分布
• 在质子群中处于高低能态的核各有多少？
• 在绝对温度0度时，全部核处于低能态 • 在无磁场时，二种自旋取向的几率几乎相等 • 在磁场作用下，原子核自旋取向倾向取低能态，但室温时热能比
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=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
1, 2, 3, --- 自旋惰球体 有
2H, 10B,
能级分裂
两种取向代表两个能级，m=-1/2能级高于m=1/2能级。
EN
I
H0
2NH0
核的回旋和核磁共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场BO中，由于核自身的旋 转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的 作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋， 这种运动称为Larmor进动。
前言
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。 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NMR仪器
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。
• 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。
•1H-NMR o how many types of hydrogen ? o how many of each type ? o what types of hydrogen ? o how are they connected ?
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……
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,
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
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：
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：
核的自旋驰豫
• 驰豫过程可分为两种类型：自旋-晶格驰 豫和自旋-自旋驰豫。
驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程
• 自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能 量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率 1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。
• 自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量 平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变， 速率1/T2，T2为自旋自旋时间。
n+/n- 1+ ΔE / kT
式中：n+ ---- 低能态的核数
n- ---- 高能态的核数
k ----- Boltzmann 常数 T ----- 绝对温度 当T=27 C,磁场强度为1.0特斯拉时，高低能态的核数只差6.8ppm 磁场强度为1.4092时，高低能态的核数只差10ppm
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）
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:
交变电场的能量，跃迁到高能态，称核磁共振。
核磁共振的条件:
ΔE = 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
• 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……
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，
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
Boltzmann分布
• 在质子群中处于高低能态的核各有多少？
• 在绝对温度0度时，全部核处于低能态 • 在无磁场时，二种自旋取向的几率几乎相等 • 在磁场作用下，原子核自旋取向倾向取低能态，但室温时热能比
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=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
1, 2, 3, --- 自旋惰球体 有
2H, 10B,
能级分裂
两种取向代表两个能级，m=-1/2能级高于m=1/2能级。
EN
I
H0
2NH0
核的回旋和核磁共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场BO中，由于核自身的旋 转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的 作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋， 这种运动称为Larmor进动。
前言
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。 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NMR仪器
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。
• 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。
•1H-NMR o how many types of hydrogen ? o how many of each type ? o what types of hydrogen ? o how are they connected ?
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……
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,
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
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：
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：
核的自旋驰豫
• 驰豫过程可分为两种类型：自旋-晶格驰 豫和自旋-自旋驰豫。
驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程
• 自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能 量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率 1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。
• 自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量 平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变， 速率1/T2，T2为自旋自旋时间。