1-核磁共振基本原理
简述核磁共振的基本原理
简述核磁共振的基本原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种基于原子核磁矩与外加磁场相互作用的物理现象的分析技术。
它在医学、化学和材料科学等领域有着广泛的应用。
核磁共振的基本原理是基于原子核的自旋运动以及与外加磁场的相互作用。
原子核具有自旋磁矩，当置于外加磁场中时，原子核的自旋磁矩会沿着外加磁场方向取向。
在外加磁场作用下，原子核会产生共振吸收、共振散射等现象。
核磁共振的实验装置主要包括磁场系统、射频系统和检测系统。
磁场系统由强大的恒定磁场和磁体组成，用于产生均匀的静态磁场。
射频系统用于产生射频场，并与样品中的原子核磁矩相互作用，从而激发共振信号。
检测系统则用于接收和测量样品中的共振信号。
在核磁共振实验中，首先将样品放置在磁场中，样品中的原子核磁矩会取向于磁场方向。
然后，通过射频脉冲产生射频场，使原子核磁矩发生磁矩矢量的旋转。
当射频场的频率与原子核的共振频率匹配时，原子核会吸收能量并发生共振转动。
这个过程称为共振吸收。
共振吸收信号可以通过检测系统进行接收和测量。
检测系统通常采用感应线圈，将样品中的共振信号转换为电信号。
然后，通过信号放大和处理，可以得到原子核的共振吸收谱图。
核磁共振技术可以提供丰富的信息，包括化学位移、耦合常数、弛豫时间等。
通过测量样品中原子核的共振信号，可以确定样品的分子结构、成分和物理化学性质。
在医学中，核磁共振成像（MRI）技术可以用于非侵入性地观察人体内部结构和组织功能。
总结起来，核磁共振是一种基于原子核磁矩与外加磁场相互作用的分析技术。
通过射频场的激发和共振吸收，可以获得样品中原子核的共振信号，并通过信号处理得到有关样品的信息。
核磁共振技术在医学、化学和材料科学等领域有广泛应用，为科学研究和医学诊断提供了重要工具。
核磁共振基本原理1_生物物理
核磁共振原理及其在 生物学中的应用
第一章 核磁共振基本原理 §1.1 ⎯ §1.3
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
第一讲
1. 原子核的磁矩 2. 核磁共振现象 3. 弛豫现象
• 自旋 • 角动量 • 核磁矩
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核自旋
基本粒子的内禀属性
核磁共振基本原理 2讲 吴季辉
S( t ) = M y' e − t / T2 cos( Δωt )
核磁共振基本原理 2讲 吴季辉
硬脉冲
为了使得在谱宽sw (spectrum width) 的范围内所有的核都旋 B0 转同样角度ϑ，射频脉冲必须足 够的强: ω1 = γB1 >> 2π⋅sw 进而脉冲宽度必须短于弛豫时 间 tp<<T1、T2 以保证在脉 Bv 冲期间弛豫作用可以忽略
1H 2D 13C 15N 19F 23Na 31P
1/2 1 1/2 1/2 1/2 3/2 1/2
100 15.351 25.144 10.133 94.077 26.451 40.481
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
第一讲
1. 原子核的磁矩 2. 核磁共振现象 3. 弛豫现象
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
弛豫过程的定量描述
dA A − A0 =− dt T
A是弛豫中的物理量，A0是平衡值，T称为 弛豫时间，其倒数称为弛豫速率
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核磁共振中的弛豫过程
• 自旋－晶格相互作用 : 自旋－ 晶格弛豫过程 • 自旋－自旋相互作用 : 自旋－ 自旋弛豫过程
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核磁共振成像技术原理
核磁共振成像（MRI，磁共振影像）是一种利用原子核在外磁场中的行为来生成高分辨率影像的医学成像技术。
以下是核磁共振成像技术的基本原理：
1. 核磁共振基础：
-原子核中的带电粒子，例如氢原子核（质子），具有自旋。
当这些原子核置于外部磁场中时，它们会产生磁矩，即一个磁场。
在医学成像中，常用的是质子的核磁共振。
2. 激发：
-当磁共振体（通常是人体组织中的水分子）置于强大的外部磁场中时，核磁矩会在外部磁场的作用下产生预cession运动，这是一种旋转运动。
通过应用额外的无线电频率（射频脉冲）来激发这些核磁共振体，使其离开平衡态。
3. 驰豫：
-一旦停止射频激发，核磁矩将重新恢复到平衡态。
这个过程称为核磁共振驰豫。
在这个过程中，核磁矩会释放出能量，产生一个旋转磁场。
4. 信号检测：
-放射出的能量产生的旋转磁场可以被检测。
在MRI中，探测器
会测量这个信号并传递给计算机。
5. 空间编码：
-为了获得空间信息，外加一组梯度磁场。
这些梯度场使得不同位置的核磁体经历不同的共振频率。
通过测量这些频率差异，可以获取关于空间位置的信息。
6. 图像重建：
-计算机将从探测器接收到的信号转换为二维或三维图像。
这涉及到使用数学算法对信号进行处理和图像重建。
总体而言，核磁共振成像技术利用核磁共振现象，通过对核磁体的激发、驰豫和信号检测，结合梯度磁场和计算机处理，实现对人体组织的高分辨率成像。
MRI对软组织有很好的分辨率，而且不涉及使用放射线。
核磁共振基本原理PPT课件
9/20/2024
四、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer
1．永久磁铁：提供外磁 场，要求稳定性好，均匀， 不均匀性小于六千万分之 一。扫场线圈。 2 ．射频振荡器：线圈垂 直于外磁场，发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。
9/20/2024
NMR图
9/20/2024
1.化学位移:
吸收峰所在的相对不同位置. 在照射频率确定时，都是H核，所以吸收峰的位置 应该是相同的,而实际不是这样.
(1).化学位移的由来 —— 屏蔽效应
化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。
h
E
Ih
H 0
9/20/2024
H核在分子中是被价电子所包围的。因此，在外加 磁场的同时，还有核外电子绕核旋转产生感应磁场H’。 如果感应磁场与外加磁场方向相反，则H核的实际感受 到的磁场强度为：
如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用,
氢核的磁场方向会发生变化:
H' H'
1H 核： 自旋取向数 = 2×1/2 + 1 = 2
9/20/2024
即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。
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
NMR 谱仪
600 MHz
磁体
9/20/2024
前置放大器
RF 产生 RF 放大 信号检测 数据采集控制 数据信息交流 运行控制 磁体控制
探头
机柜
第1节 核磁共振基本原理
两种取向不完全与外磁场平行，有夹角θ，核自旋磁场与 外磁场相互作用产生进动 (拉摩尔进动, Larmor precession)。
拉摩尔公式：
0 = 2 0 = B0
角速度0 ；进动频率 0； 特征常数 磁旋比； B0外磁场的磁感应强度；
两种进动取向不同的氢核之间的能 级差：E= B0 /I（磁矩）
共振条件：
(1) 核有自旋(磁性核)
(2)外磁场，能级裂分; (3)照射频率与外磁场的比值0 / B0 = / (2 ) ①在相同 B0 下，不同的核，因磁旋比不同，发生共振的频 率不同，据此可以鉴别各种元素及同位素。 例如，在 2.3 T 的磁场中，1H 的共振频率为100 MHz ， 13C 的为 25 MHz 只是氢核的1/4。 ②对同一种核， 一定，当B0 不变时，共振频率不变；当B0 改变时，共振频率也随之而变。 例如，氢核在1.409 T 的磁场中，共振频率为60 MHZ ， 而在2.350 T 时，为100 MHZ。
五、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer • 核磁共振波谱仪按扫描方式不同分为两大类：
连续波核磁共振波谱仪
脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪 1. 连续波核磁共振波谱仪(Continuous Wave NMR, CW-NMR)
可设计为两种方法：
固定磁场B0，改变射频频率v——扫频法。较困难 固定射频频率v ，改变磁场B0——扫场法。通常用
变温元件等。发射线圈和接收线圈相互垂直，分别与射频振
荡器和射频接受器相连。样品管座处于线圈的中心，测量过 程中旋转, 磁场作用均匀。
2. 傅立叶变换核磁共振波谱仪
(Pulse and Fourier Transform NMR, PFT-NMR) 不是通过扫场或扫 频产生共振信号；恒定 磁场，施加全频脉冲 （包括所有不同化学环 境的同类磁核的共振频 率），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。
核磁共振技术的基本原理和应用
核磁共振技术的基本原理和应用引言：近年来，随着科技的不断发展，人类创造了许多先进的科学技术，其中之一就是核磁共振技术。
核磁共振技术作为一种非侵入性的检测手段，在医学、化学、生物学等领域中得到了广泛的应用。
本文将对核磁共振技术的基本原理以及其在不同领域中的应用进行探讨。
一、核磁共振技术的基本原理核磁共振技术是利用原子核自旋磁矩与外加准直磁场、射频场交互作用的一种技术。
其基本原理可简要概括为以下几点：1. 原子核自旋磁矩：原子核由质子和中子构成，质子和中子的自旋造成了原子核的自旋磁矩。
具体而言，核自旋磁矩是指带电粒子（比如质子）绕自身转动产生的旋转磁矩。
2. 磁共振：当核自旋磁矩遇到外加准直磁场时，核自旋会在磁场中取向，形成两个能级：平行与反平行。
能级差值与自旋的有效尺度、核数、外加磁场大小有关。
3. 预cession 磁滞：在外加均匀磁场和射频场诱导下，核自旋会绕着磁场方向进行进动，称为预cession。
预cession频率与环境中的磁场强度以及射频场频率有关。
4. 能级跳变：当射频场频率与系统能级之间的差值相等时，能级间会出现共振现象，这种跳变会引起固有信号。
二、核磁共振技术在医学领域的应用核磁共振技术在医学中的应用非常广泛，尤其在医学影像领域中发挥着重要的作用。
1. 核磁共振成像（MRI）：核磁共振成像是核磁共振技术在医学影像学中的应用，它能够通过对人体局部区域进行扫描和成像，帮助医生观察人体组织结构、器官病变以及异常功能等。
MRI成像不需要使用任何放射性物质，因此相比传统的X光照射方法更为安全。
2. 核磁共振波谱（NMR）：核磁共振波谱是利用核磁共振技术对蛋白质、药物、代谢物等进行分析的一种方法。
通过对样品中的核磁共振信号进行分析，可以推断样品中分子的结构、组成以及浓度等信息，从而达到检测和分析的目的。
三、核磁共振技术在生物学和化学领域的应用除了在医学领域，核磁共振技术还在生物学和化学领域中得到了广泛的应用。
核磁共振的原理及其应用
核磁共振的原理及其应用原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种基于原子核自旋共振现象的物理分析技术。
它利用核自旋与外加磁场相互作用的特性，通过对样品施加一定的磁场和特定的射频脉冲，来获取样品中原子核的信息。
其基本原理可以概括为以下几点：1.原子核自旋：原子核具有自旋角动量，类似于地球的自转。
2.磁性：一些原子核具有磁性，即具有自旋角动量的原子核生成磁场。
3.外加磁场：在外加磁场的作用下，原子核的自旋发生朝向外加磁场的取向。
4.共振现象：当样品中的原子核处于特定的能级差时，可以通过外加的射频脉冲来改变原子核的取向，并观察到共振现象。
由于原子核的不同，核磁共振可以应用于很多不同的领域。
应用核磁共振技术在科学研究、医学诊断和材料分析等领域具有广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：医学诊断•磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）：核磁共振成像是一种无创性的医学成像技术，可用于检查人体内部的结构和功能。
它可以提供高分辨率的图像，帮助医生进行疾病的早期诊断和治疗计划。
•核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMRS）：核磁共振波谱是一种测量样品中各种化合物的含量和结构的技术。
通过测量样品中原子核的共振频率，可以分析样品的组成和结构。
化学分析•核磁共振波谱（NMR）：核磁共振波谱在化学分析中被广泛应用。
通过测量样品中化合物原子核的共振频率，可以确定化合物的结构和相对含量。
•核磁共振成像（NMR Imaging）：核磁共振成像也可以在化学分析中应用。
它可以提供样品内部的空间分布信息，帮助研究者了解样品的结构和组成。
物理研究•核磁共振学（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）：核磁共振学在物理研究中被广泛应用。
通过测量样品中的核磁共振信号，可以研究样品的物理性质、分子动力学和相互作用等。
核磁共振实验报告
核磁共振实验报告核磁共振实验报告引言：核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种重要的物理现象和科学技术，广泛应用于化学、生物、医学等领域。
本实验旨在通过核磁共振技术，了解其基本原理、仪器构成和应用。
一、核磁共振的基本原理核磁共振是基于原子核的磁性性质而产生的一种现象。
原子核具有自旋，即角动量，当处于外磁场中时，原子核会产生磁矩，并与外磁场相互作用。
这种相互作用会导致原子核发生能级分裂，产生能级差，从而形成共振吸收。
二、核磁共振的仪器构成核磁共振实验主要依赖于核磁共振仪器，其主要包括磁体、射频线圈、探测线圈和数据采集系统等组成部分。
1. 磁体磁体是核磁共振仪器的核心部分，用于产生稳定的外磁场。
常见的磁体有永磁体和超导磁体。
永磁体可以产生较弱的磁场，适用于一些小型实验室；而超导磁体可以产生较强的磁场，适用于大型实验室和医学影像设备。
2. 射频线圈射频线圈是用于产生射频场的设备，用于激发样品中的原子核共振吸收。
射频线圈的设计和制造对于实验结果的准确性和稳定性起着重要作用。
3. 探测线圈探测线圈用于接收样品中的核磁共振信号，并将其转化为电信号。
探测线圈的设计和性能直接影响到实验的信噪比和分辨率。
4. 数据采集系统数据采集系统用于记录、处理和分析核磁共振信号。
现代核磁共振仪器通常配备了先进的数据采集系统，可以实现高速、高分辨率的数据采集和处理。
三、核磁共振的应用核磁共振技术在化学、生物、医学等领域有着广泛的应用。
1. 化学领域核磁共振技术可以用于分析和鉴定化合物的结构。
通过测量样品中的核磁共振信号，可以推断出化合物的分子结构、官能团等信息。
这对于化学合成、药物研发等具有重要意义。
2. 生物领域核磁共振技术在生物领域中被广泛应用于蛋白质结构研究、代谢组学等方面。
通过核磁共振技术，可以揭示生物大分子的结构和功能，有助于理解生物体内的生物过程。
3. 医学领域核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是医学影像学中常用的一种无创检查方法。
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磁旋比，即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核
具有不同的磁旋比，它是磁核 一个特征（固定）值。 （3） 与P方向平行。
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1 2.79270 13 0.70216
H
C
可以产生能级分裂的核
若原子核存在自旋，产生核磁矩，这些 核的 行为很象
磁棒，在外加磁场下，核磁体可以有（2I+1）种取向。
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2
CDCl3
7.65
DMSO
7.65
5
2
16:03:35
7.60
5
7.55 7.50
7.62 7.61 7.61 7.60 7.60 7.60 7.59 7.59 7.58
7.67 7.67 7.66 7.65 7.65 7.63 7.62 7.62 7.61 7.61 7.60
7.60 7.55 7.50
只有自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I） 奇数 奇或偶
1 3 5 , , 2 2 2
例子
1 I ,1H1 , 13C ,19F ,15N 6 9 7 2 3 5 I ,11 B 5 , 35 Cl 17 , I ,17 O 8 2 2
12
est
第十一章 核磁共振波谱 分析
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16:03:35
9.0
1H
1.00
8.74
8.5
8.34 8.29 8.27
1.08 1.05
8.0
16:03:35
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0
3.34 1.13 6.02 4.93 1.05 1.08 1.09 7.52 7.51 7.36 7.35 7.33 7.30 7.28 7.27
3
3
7.45
7.48 7.48 7.47 7.45 7.45
7.48 7.48 7.47 7.46 7.45
7.45
7.40
4
7.40 7.35 7.30 7.25 ppm
4
7.35
7.40 7.40 7.39 7.38 7.38 7.37 7.37 7.36
7.38 7.38 7.38 7.37 7.36 7.36 7.35 7.35
Ei E j Ni E h exp exp exp Nj kT kT kT
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
6.626 1034 100.00 106 J s s 1 Ni exp 0.999984 23 1 Nj JK K 1.38066 10 298
o: 拉默尔频率
: 磁旋比
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一、 原子核的自旋
atomic nuclear spin （1）一些原子核像电子一样存在自
旋现象，因而有自旋角动量：
h P= [I(I+1)]1/2 2
I 为自旋量子数 （2）由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故 在自旋时会产生 核 磁 矩： P
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NMR的形成
射频磁场(B0)
B0
FID
N/N= exp(- E/kT)
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在1950年，Proctor 等人研究发现：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，如图所示。 由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。
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。
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二、 核磁共振现象
nuclear magnetic resonance
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;
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360
500 600 750 500b 800 900
800
3600 6000 9000 Байду номын сангаас0000 30000
总结
（1）在相同 B0 下，不同的核，因磁旋比不同，发生共振的 频率不同，据此可以鉴别各种元素及同位素。 例如，在 2.3 T 的磁场中，1H 的共振频率为100 MHz ， 13C 的为 25 MHz 只是氢核的1/4，而 133Cs 的仅仅是氢核的 1/8 左右。 （2）对同一种核， 一定，当B0 不变时，共振频率不变； 当B0 改变时，共振频率也随之而变。 例如，氢核在1.409 T 的磁场中，共振频率为60 MHZ ， 而在2.350 T 时，为100 MHZ。
一、原子核的自旋 atomic nuclear spin 二、核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 三、核磁共振条件 nuclear magnetic resonance condition of nuclear spectroscopy; NMR magnetic resonance 四、核磁共振波谱仪 第一节 nuclear magnetic resonance 核磁共振基本原理 spectrometer principles of nuclear magnetic resonance
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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．探头：有外径5mm的玻璃样品管座, 发射线圈，接收线 圈，预放大器和变温元件等。样品管座处于线圈的中心，测 量过程中旋转, 磁场作用均匀。发射线圈和接收线圈相互垂 直。
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第二节、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer
1．永久磁铁：提供外磁
场，要求稳定性好，均匀， 不均匀性小于六千万分之
一。扫场线圈。
2 ．射频振荡器：线圈垂 直于外磁场，发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz，…….
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： 200-400MHz；可 高达600-900MHz；
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现代核磁的特点
偶数 偶数
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偶数 奇数
0 1，2，3„„
C6 ,16O8 ,32S16
I 1,2H1,14N7 , I 3,10B5
讨论:
(1) I=1 或 I >0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 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，共振吸收 复杂，研究应用较少； （重要） (2)Ｉ＝1/2的原子核
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自旋核在磁场中的行为
1H
E2 =+ （h/4 ） B0
E
B0
P
E1 =－ （h/4 ） B0
磁旋比； B0外磁场强度
E= E2 － E1 = （h/2 ） B0
发生核磁共振时： E= h 0 共振频率 0 = （1/2 ） B0
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质谱给出分子量为269 分子式为:C17H17N3O
3.5 3.0
1.13 2.29 1.13
2.5
1.12 1.11
应用实例
2.0 ppm
3.94 3.79 3.33 3.33 3.33 3.08 3.06 3.05 3.03 2.92 2.91 2.89 2.88 2.86 2.82 2.78 2.33 2.31 2.08 2.07 2.07
静磁场(B0)
E
13C
NMR的形成
1H
splitting
splitting B0
E
E = hB0/2
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背景介绍
year 1961 1965 1969 1978 Frequency(MHz) 60 100 220 200 S/Na 6 30 80 300
1978
1985 1988 1994 1995 1996 2000
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样品的制备：
试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg；
傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ； 标样浓度（四甲基硅烷 TMS） ： 1%； 溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯 仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；
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常用溶剂的化学位移值
溶剂 CCl4 CS2 CDCl3 (CD3)2CO (CD3)2SO D2O 苯d6 (C6D6) 二氧六环d6 CF3COOH 还己烷-d12 吡啶-d5 CD3OH 7.27 2.05 2.50 4.8(变化大与样品浓度及温度有关) 7.20 3.55 12.5 1.63 6.98, 7.35, 8.50 3.35 128.0(3) 67.4 116.5(4), 163.3(4) 26.3(7) 149.3(3),123.5(3), 135.5(3) 49.0(7) δ 1H δ 13C 96.1 192.8 77.1(3) 30.3(7), 207.3 39.5(7)
3
7.30
2
7.29
1
OH
4
7.25 ppm