核磁共振光谱
【2024版】核磁共振光谱基本原理及实验操作
E=-μHHo
HO为外加磁场强度，μH为磁矩在外磁场方向的分量，μH=mh/2,所以
E=-mh/2Ho
由于自旋核在外磁场中有（2I+1）个能级，这说明自旋原子核在外加磁场中的能量是量子化的，不同能级之间的能量差为△E。根据量子力学选率，只有△m=±1的跃迁才是允许的，则相邻能级之间跃迁的能极差为
△E=△mh/2Ho
4核磁共振的产生
4.1拉莫尔进动
如图3-1所示，在外加磁场Ho中，自旋核绕自旋轴旋转，而自旋轴与磁场Ho又以特定夹角绕Ho旋转，类似一陀螺在重力场中运动，这样的运动称为拉莫尔进动。进动频率（又称拉莫尔频率）由下式算出
Wo=20=H0
而自旋角动量是量子化的，其在磁场方向的分量Pz和磁量子数（m）关系为Pz=mh/2,因为m共有2I+1个值，与此相应，Pz也有2I+1个值，与此相对应自旋核在z轴上的磁矩：
R为照射线圈，提供一定频率的电磁波；Helmholtz线圈为扫场线圈，其通直流电所产生的附加磁场用以调节磁场的强度；D为接收线圈，与放大器和记录系统相连。这三组线圈互相垂直，互不干扰。若所提供的照射频率和磁场强度满足某种原子核的共振条件时，则该核发生能级跃迁，核磁矩方向改变，在接收线圈D中产生感应电流（不共振时无感应电流）。感应电流被放大、记录，即得核磁共振信号。
核磁共振谱光谱解读
第八章核磁共振谱光谱学习要求：1、学会如何借助光学技术来分析化合物的结构。
2、掌握谱图分析，了解各种质子化学位移的位置。
3、知道影响化学位移的因素。
由上面的讨论可知，对于一个未知物，红外光谱可以迅速地鉴定出未知物分子中具有的哪些官能团，能指出是什么类型的化合物，但它难以确定未知物的精细结构。
自20世纪50年代中期，核磁共振技术开始应用于有机化学，对有机化学产生了巨大的影响，已发展成为研究有机化学最重要的工具之一，成为有机化合物结构测定不可缺少的手段。
8.1基本原理（1）核磁共振现象核磁共振是由原子核的自旋运动引起的。
不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。
核的自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在着一定的关系：当原子的质量数和原子序数两者之间是奇数或两者均为奇数时，I≠0，该原子核就有自旋现象，产生自旋磁矩。
如等。
当原子的质量数和原子序数均为偶数时，I=0，原子核不能产生自旋运动，也没有磁矩，如等。
当I≠0的原子核置于一均匀的外磁场（H O）中时，核的自旋具有（2I+1）个不同的取向。
对于氢原子核（I=1/2），其自旋产生的磁矩在外磁场中可有两种取向：一种是与外磁场方向相同，称为顺磁取向。
该取向的磁量子数m=+1/2,或用α表示。
另一种是与外磁场方向相反，称为反磁取向。
该取向的磁量子数m=-1/2，或用β表示。
反磁取向的能量较顺磁取向的能量高，这两种取向的能量差⊿E与外加磁场的强度成正比。
⊿E=式中h为普朗克常量，γ为核常数，称为核磁比。
对于氢原子，γ=26750。
以上关系如图9-28所示。
不过即使在很强的外加磁场中，⊿E数值也很小。
对于氢原子核，当H0=14092G（高斯，1G=10-4T）时，⊿E仅为2.5×10-5kJ/mol,当H0=23468G时，⊿E约为4×10-5kJ/mol,相当于电磁波谱中射频区的能量。
若外界提供电磁波，其频率适当，能量恰好等于核的两个自旋能级之差，hγ=⊿E则此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，发生核磁共振吸收。
核磁共振光谱(NMR)
4、氢键效应
分子形成氢键后，使质子周围电子云密度降低，产生
去屏蔽作用而使化学位移移向低场。
例如，一化合物其结构可能为（1）、（2）或（3），又 知 它 的 两 个 羟 基 氢 的 化 学 位 移 测 定 值 分 别 为 δ10.5 和 δ5.2 ，试问其结构为哪一种?
2、原子核的磁矩
原子核是带正电荷的粒子，当作自旋运动时，会产生 循环电流，也就会产生磁场，用磁矩μ来表示这种磁性质， 其大小与角动量 P 成正比。
P
称为磁旋比，是原子核的重要属性。
二、自旋核在磁场中的行为
无外磁场时，原子核的自旋取向是任意的，但有外磁场 存在时，原子核就会相对于外磁场发生自旋取向。按照量子 力学理论，核的自旋取向数为：
的绝对值为：
P h I (I 1)
2
式中，P 为核自旋角动量的最大可观察值，I 为核自旋量 子数，h 为普朗克常数。
核自旋量子数与原子量与原子序数有关，详见下表。
I = 0 的核没有自旋现象，不产生 NMR 信号；I＞1/2 的核，有电四极矩，不适于 NMR 研究； I = 1/2 的核，其 电荷呈球形发布，是 NMR 中最主要的研究对象，尤以 1H1 和 13C6 核研究的最多。
OH COOC2H5
OH
HO
COOC2H5
COOC2H5
OH
(1)
OH
(2)
OH
(3)
磁的各向异性效应是通过空间传递的。在氢谱中，这种 效应很重要。
① 叁键的磁的各向异性效应
核磁共振光谱的原理
核磁共振光谱的原理核磁共振光谱，简称NMR，是一种分析化学中常用的非破坏性技术。
它基于原子或分子的核磁共振现象，通过测量核磁共振信号的强度和频率，得到样品中不同核的化学环境及其数量等信息。
核磁共振光谱的原理主要涉及核磁共振现象、核自旋、磁共振现象等。
本文将对核磁共振光谱的原理进行详细解析。
一、核磁共振现象核磁共振现象是物理学中的一种现象，它是原子核的原子核磁矩与外加磁场相互作用的结果。
在外加磁场的作用下，原子核会处于能量较低的基态或者激发态，不同核在磁场下的能量差异和跃迁导致核磁共振现象的出现。
核磁共振现象的存在可以通过核磁共振光谱的测量得到。
二、核自旋核自旋是核磁共振现象的基础，也是核磁共振光谱的理论基础之一。
核自旋指的是原子核的一个固有性质，表示核内部的质子和中子的自旋状态。
核自旋量子数用I表示，同一个原子中不同核的I值不同，常见的有I=1/2（例如氢（1H）核）、I=1（例如碳（13C）核）、I=3/2（例如氟（19F）核）等。
三、磁共振现象磁共振现象指的是原子核在外加静磁场和射频磁场作用下发生共振吸收和发射。
在核磁共振实验中，样品被置于静磁场中，使核在基态或者激发态中占据不同的能级，在此基础上加上一个与原子核自旋固有方向针对性的高频交变电磁场，当外加磁场（静磁场）强度满足磁场共振条件时，核能够吸收或发射一定频率的电磁波。
这就是核磁共振信号，信号强度和频率与样品中核的数量和周围化学环境有关。
四、核磁共振谱核磁共振谱是一种通过核磁共振光谱技术得到的谱图，它是通过测量样品中核吸收或发射的共振信号所得到的。
核磁共振谱是一种通常用于分析样品组成的技术，可以用以确定分子中不同原子核的数量和化学环境，因此被广泛应用于化学、生化、药物学等领域。
根据谱图形状和位置等特征，可以进一步分析样品的结构和组成等信息。
五、结论核磁共振光谱是一种利用原子核磁共振现象、核自旋、磁共振现象等原理得到的分析化学技术。
通过测量核磁共振信号的强度和频率等参数，可以得到样品中核的数量和化学环境等信息。
新型核磁共振光谱技术的应用及其发展趋势
新型核磁共振光谱技术的应用及其发展趋势核磁共振光谱技术（NMR）是一种重要的分析方法，能够对物质结构和组成进行无损分析，广泛应用于生物化学、材料科学、环境监测等领域。
近年来随着科学技术的不断发展，新型的核磁共振光谱技术不断涌现，为NMR技术的应用和发展带来了新的机遇和挑战。
一、常见的核磁共振光谱技术1、液体核磁共振技术液体核磁共振技术是最早被使用的核磁共振技术之一，适用于液态样本的分析和测定。
通过对物质中的分子进行核磁共振的激发和检测，可以获取样品的结构信息和分子组成，如化学位移、偶合常数等。
2、固体核磁共振技术固体核磁共振技术是近几十年发展起来的新型技术，适用于研究固体材料的结构和性质。
通过对凝固态样品进行高分辨的核磁共振测量，可以获取样品的结构、构象、晶体缺陷等信息，在新材料的研究和开发中得到了广泛应用。
3、核磁共振成像技术核磁共振成像技术（MRI）是一种非侵入性的影像技术，可以对人体内部的结构和组织进行全方位的显示和分析。
在医学诊断中，MRI技术被广泛应用于脑、骨、心脏等部位的检查和诊断，成为一种极为重要的医学影像技术。
二、新型核磁共振光谱技术的应用1、超高场核磁共振技术超高场核磁共振技术是近年来快速发展起来的一种新型核磁共振技术，可以在高于1.5T的磁场下进行核磁共振实验。
相较于常规的核磁共振技术，超高场核磁共振拥有更高的信噪比和分辨率，可以对细微的分子结构和相互作用进行更加精细的分析和探究，广泛应用于生物科学、化学、药学等领域。
2、核磁共振晶体学技术核磁共振晶体学技术是一种新兴的固态核磁共振技术，通过对晶体样品进行高分辨的核磁共振测定，可以获取晶体中各原子的位置和固体结构等信息，成为一种研究晶体材料的重要手段。
该技术的应用范围主要覆盖化学、材料科学、生物化学等领域。
3、超极化核磁共振技术超极化核磁共振技术是最新发展起来的一种新型核磁共振技术，通过对样品中的核自旋进行非平衡极化，可以大幅度提高核磁共振的信噪比和分辨率。
核磁共振光谱 NMR光谱
经典力学和量子力学模型都说明：
并非所有的核都有自旋，在外加磁场中发生能级分裂！
a) I=0的原子核没有自旋现象。
b) I=整数，该类核有自旋，但NMR复杂，通常不用于
NMR分析。如2H，14N等。 c) I=半整数，可以用于NMR分析，特别是I=1/2的核如
1H，13C。
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。 当置于外加磁场H0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（两个能级）： (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;
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。
原子核的量子力学模型 带电原子核自旋 磁场 磁矩(沿自旋轴方向)
1H 1
磁矩的大小值。 如1H： = 26.752； 13C： = 6.728 ，单位：107rad.T-1.S-1
会造成什么后果？
随实验进行，低能级核越来越少，最后高、低能级上的 核数目相等--------饱和-----从低到高与从高到低能级的 跃迁的数目相同---体系净吸收为0-----共振信号消失！ 幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！
因为有弛豫 弛豫 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到 低能态的过程称为弛豫。
Boltzmann分布。否则饱和现象容易发生
低能态重建Boltzmann分布。
两种弛豫过程：
N h N + R elaxation
紫外可见吸收光谱红外吸收光谱核磁共振光谱相同之处
紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱和核磁共振光谱是化学分析中常用的三种光谱技术。
它们虽然在应用领域和原理上有所不同，但在某些方面也存在一些相似之处。
在本文中，我将深入探讨这三种光谱技术的共同点，并分析它们之间的联系。
1. 这三种光谱技术都是分析化学领域中常用的手段，用于研究物质的结构和性质。
它们能够通过不同的原理和方法，对物质进行分析和表征，从而为化学研究和实际应用提供重要的数据支持。
2. 在实验操作上，这三种光谱技术都需要对样品进行预处理和制备，以确保获得准确和可靠的测试数据。
对于紫外可见吸收光谱和红外吸收光谱，样品通常需要溶解或制备成适当的样品片；而对于核磁共振光谱，则需要对样品进行氢化处理和溶解。
3. 就数据解析而言，这三种光谱技术都需要对实验数据进行处理和解释，以获得与化学结构和性质相关的信息。
这包括对光谱图谱的解读和峰位的标定，以及对峰强度和形状的分析。
4. 这三种光谱技术在实验原理和测试方法上也存在一些共通之处。
它们都是基于物质对电磁辐射的吸收和发射现象，通过测定不同波长或频率下的吸收或发射光谱，获得与物质结构和性质相关的信息。
总结回顾：在本文中，我们从实验操作、数据解析和实验原理三个方面分析了紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱和核磁共振光谱的共同点。
这三种光谱技术在化学分析中发挥着重要作用，对研究物质的结构和性质具有重要意义。
通过深入理解和比较这三种技术，我们能够更全面、深刻和灵活地应用它们，在化学研究和实际应用中取得更好的成果。
个人观点和理解：我个人认为，紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱和核磁共振光谱的相同之处并不仅仅局限于实验操作、数据解析和实验原理上，更重要的是它们共同承担了化学分析和表征的重任，为我们揭示了物质的结构和性质。
在今后的研究和应用中，我们应该充分发挥这三种光谱技术的优势，进一步加深对它们的理解和应用。
通过本文的阐述，我相信你对紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱和核磁共振光谱的相同之处已经有了更全面的理解。
有机小分子结构检测用的四大光谱
有机小分子结构检测用的四大光谱
有机小分子的结构检测是一项非常重要的工作，其中使用的四大光
谱是红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱。
（一）红外光谱
红外光谱是一种常用的检测有机小分子结构的方法。
它基于物质分子
中原子之间的振动和转动，对分子进行谱学分析。
红外光谱可以用来
确定分子中的基团、官能团以及它们之间的化学键。
它的特点是原位、快速、准确，不需要特殊处理样品。
（二）紫外可见光谱
紫外可见光谱是通过辐射颜色为紫外和可见光区间的电磁波来对物质
进行分析。
它可以用来检测有机小分子中的双键、三键、环状结构等。
（三）核磁共振光谱
核磁共振光谱是一种非常常用的检测有机小分子结构的方法。
它可以
用来分析分子内原子核之间的相对位置和化学环境，进而确定分子的
化学结构。
通过对比化学位移和峰形的变化，可以确定分子中不同位
置的氢原子和碳原子。
（四）质谱
质谱是一种通过对物质分子进行电离和质量分析来确定分子结构的方法。
它是一种高灵敏度和高分辨率的技术，可以检测极微量的分子，是分析高分子材料、有机小分子和生物分子结构的有力工具。
综上所述，红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱是常用于检测有机小分子结构的四大光谱。
它们各有特点，可以相互协调使用来提高检测的准确性和效率。
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I3C NMR, CD3Cl 为 i容剂
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令 溶剂选择 : 注意不同溶剂中测得 的8值可 能有一定的差异 。
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当炕基中的H被其它基团X所取代后， 碳原子 的化学位移 的变化具有经验参数 ( 如下表〉 。
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2、 聚合物类型的鉴定 ---乙烯·丙烯、 乙烯·丁烯、 乙烯·己烯共聚物
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1 、单体结构与聚合反应…丙烯酸苟满酶及聚合物的合成
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聚乙烯 - 1 - 丁烯共 聚物
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3、 聚合物的支化度
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一般碳核的纵向弛豫时间 T 1最长可达百秒数量级，能被准
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国 5-7 核磁共振仪示意罔
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令 样品的体积与浓度 : 最小充满高度25mm ，体积O.3ml 。为获 得良好的信噪比， 样 品浓度为 5-10%0 lH谱只需 lmg左右。 13C 谱为几到几十毫克。粘度应较低，否则分辨率降低。
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聚乙烯 - 1 - 己燃共裂物
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3 、聚合物的支化度
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文链
表 5-8 低密踵.~蜻支键分布
类型
-CH. (Me) -C且，CH. ( E t ) -c日.C日.CH， (Pc) -CH.CH，CH.C日I ( Bu) -CHr-CH.CH.CH!CH. (Am)
-bexyJ及长文链 (L) 总数
每 1000个主链联*支链数
0 .0 1. 0 0.0 9 .6 S. 6 5.6 19 . 6
λýpJ1，c1JÛ&lJ &j!叹:VJJ注巳_t I/,,'!.L'!!jJ~J ;;uι~jw~ !.u:哈';~}王
'才频银荡"
射频撞收"
黯铁
组编发生篝
记录精
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令 参考物质: 一般采用内标，加入 1 % 囚甲基硅 (TMS) 。
有时也用溶剂作内标〈如果溶剂和溶质之间存在 相互作用 ， 折算时会产生一定误差)。 外标。将参考物放在特制的同心管内。
令 溶剂选择 溶剂
常用?在代溶剂的共振位置
IH谱 (3日)
13C 谱。c)
H 化食物
D化食物
负代氯仿 CDCJ 3
焦代丙嗣 (D3)2CO
7在代苯C6D6 焦代水D20
负代二 甲亚枫(CD3)2S0
7在代甲醇 CD30D
7.28 2.05 7.20 4.70
2.50, 3.50
3.35
78.0土0.5 77.0 土0.5
30.7, 206.7 29.8, 206.5
128.5:l::0.5 128.0土0.5
40.9 49.9
1. 3 3
七二主
8
7
7 6