第8章 核磁共振波谱法
一 ．教学内容 1. 核磁共振波谱法的概念2. 核磁共振波谱法的基本原理（原子核的自旋和磁距、核磁共振的产生及相关表达式和意义、饱和与驰誉）3. 有机化合物的结构与质子核磁共振波谱（化学位移、自旋偶合与裂分、一级图谱与复杂图谱、化学交换、共振吸收强度）4. 有机化合物的结构与质子核磁共振波谱5. 核磁共振波谱仪6. 核磁共振波谱法的基本应用 二．重点与难点 1．核磁共振产生的条件及基本原理、表达式的意义2．影响化学位移地各种因素3．自旋偶合、裂分的机理4．一级图谱的裂分规律及应用5．图谱解析及结构分析 三．教学要求 1． 较牢固掌握核磁共振产生的条件及基本原理2． 较深入离解化学位移地概念、产生原因、表达式及影响因素3． 掌握某些常见基团的质子化学位移4．一般了解复杂图谱的概念、自旋体系的分类及复杂图谱的简化
四．学时安排 3 学时 第一节 核磁共振基本原理
1、 原子核的自旋
若原子核存在自旋，产生核磁矩：
自旋角动量：
核磁矩I：自旋量子数；h：普朗克常数；核磁子=eh/2M c
自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以
用（I）表征：
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… 讨论:
1． I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（22）等 ，无自旋，没
有磁矩，不产生共振吸收。
2． 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；
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。 二、 核磁共振现象
第15章 核磁共振波谱法
15.1基本原理
核磁共振波谱学是利用原子核的物理性质，采用先进的电子学和计算机技术，研究各种分子物理和化学结构的一门学科，自从1946年美国斯坦福大学和哈佛大学的F.Bloch和E.M.Purcell两个研究组首次独立观察到核磁共振信号并荣获1952年的诺贝尔物理学奖以来，核磁共振波谱学已发展成为化学家、生物化学家、物理学家以及医学家的不可缺少的物理方法，是分子科学、材料科学和医学等领域中研究不同物质结构、动态和物性的最有效工具之一。
核磁共振最先应用于研究有机物质的分子结构和反应过程。迄今为止，利用高分辨核磁共振谱仪已经测定了几万种有机化合物的核磁共振波谱图。
核磁共振还被广泛用于物理学和医学的研究，并能应用于食品工业、化学工业和制药工业等生产部门，进行生产流程的控制和产品的检验。特别是用于药物的定性、定量分析和结构测定时，能够在不改变药物的分子化学性质的前提下，研究其活性部位与细胞受体中起反应时的分子机制。
20世纪60年代末，超导核磁共振波谱仪和脉冲傅里叶变换核磁共振（简称PFT-NMR）仪的迅速发展，以及电子计算机和波谱仪的有机结合，使核磁共振技术取得了重要突破，其功能越来越完善。它可以在不破坏生物样品并保持在液体状态下研究生物大分子（如酶、蛋白质以及一些活体组织）的动力学过程、分子结构与生物功能的关系，获得用其他分析方法无法得到的多种信息参数，极大地弥补了X射线技术、电子显微技术和一般光谱技术的不足。另外，双共振技术的应用对于简化复杂谱线、发现隐蔽谱线、确定谱学参数以及物质结构也是一个非常有用的方法。
核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核，带正电的原子核的自旋运动产生磁矩，但并不是所有同位素的原子核都有自旋运动。原子核的自旋运动与自旋量子数I有关，I＝o的核没有自旋运动，不能用核磁共振来研究，按I的数值可将原子核分为三类：
（1）中子数、质子数均为偶数，则I＝0，如12C、16O和32S等同位素。
核磁共振波谱法
核磁共振（NMR）波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级
间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。核磁共振波谱通过化学
位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现
的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。核磁
共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构
进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量
测定。
带正电荷的原子核在作自旋运动时，可产生磁场和角动量，其磁性用核磁矩µ表
示，角动量P的大小与自旋量子数I有关（核的质量数为奇数，I为半整数；核的质量
数为偶数，I为整数或0），其空间取向是量子化的；µ也是一个矢量，方向与P的方
向重合，空间取向也是量子化的，取决于磁量子数m的取值（m=I, I-1,……-I，共有
2I+1个数值）。对于1H、13C 等 I =1/2 的核，只有两种取向，对应于两个不同的能
量状态，粒子通过吸收或发射相应的能量在两个能级间跃迁。
当自旋量子数I≠0的磁核处于一个均匀的外磁场H0中时，磁核因受到磁场的作用
力而围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。这种运动方式称为
拉摩进动。原子核的进动频率由下式决定：
其中 γ 为旋磁比，是原子核的基本属性之一。不同原子核的 γ 值不同，其值越大，
核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。如果提供一个射频场，其 ν 满足：
其中 h 为普朗克常数，则：
即射频场的频率正好等于在磁场H0中的核进动频率，那么核就能吸收这一射频场的
能量，导致在两个能级间跃迁，产生核磁共振现象。
核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。低灵敏度的主要原因
是基态和激发态的能量差非常小，通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子（当
1
外磁场强度约为 2 T 时）。
核磁共振波谱仪
核磁共振波谱法 目的与要求
核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）是一种用于研究物质的分子结构和化学性质的分析技术。它利用物质中原子核的磁共振现象来获取关于分子中原子核的信息。该技术广泛应用于有机化学、药物化学、生物化学等领域。
核磁共振波谱法的目的是通过测定样品的核磁共振谱图，获得关于样品中原子核种类、相对数量、结构以及它们之间的化学环境等信息。
核磁共振波谱法的要求包括：
1. 样品纯度：被测样品的纯度对核磁共振波谱的分析结果有很大影响。样品应尽量纯净，确保不会受到其他杂质的干扰。
2. 溶剂选择：通过溶解样品以提高其溶解度，并且在选择溶剂时要考虑溶剂的磁性，以避免对谱图的解释造成误导。
3. 参数设置：通过调整核磁共振实验中的参数，如脉冲序列、扫描时间等，可以优化信号强度和分辨率，从而得到更准确的谱图。
4. 仪器校准：核磁共振仪器的校准对于获得准确的波位和能量单位是非常重要的。仪器应定期进行校准，以确保结果的精确性和可靠性。
5. 数据分析：对获得的核磁共振波谱进行仔细的数据处理和分析，包括峰识别、积分、峰面积比较等，以获得关于样品结构和化学环境的详细信息。
总之，核磁共振波谱法的目的是通过测定并分析核磁共振谱图，获取样品中原子核的相关信息，并且在样品制备、参数设置、仪器校准和数据分析等方面要求细致和准确。
