29 核磁共振波谱分析
引 言
1945年，美国哈佛大学和斯坦福大学的几位学者，各自独立观察到一般状态下物质的核磁共振现象，1952年由此获得诺贝尔物理奖。1953年世界上第一台商品化NMR谱仪研制成功(30MHz)，1964年第一台超导磁体的NMR谱仪研制成(200MHz)，1976年Ernst等人确立了二维谱的理论基础，1991年Ernst教授因其在脉冲付立叶变换NMR和二维NMR方面的杰出贡献而获当年诺贝尔化学奖。2000年在900MHz谱仪上获得NMR谱图。
30MHz = 0.7T (泰斯勒tesla) = 7000高斯(Gauss)
200MHz = 4.7T = 47000高斯
400MHz = 9.4T = 94000高斯
10000高斯 = 1T
29 核磁共振谱仪的主要组成部分
1. 提供外磁场B0的磁铁
2. 产生射频场B1的谱仪部分
3. 用于控制及数据处理的计算机
三者构成一个整体——核磁共振谱仪
(1) 超导磁体—— 铌-钛合金绕成的螺管线圈，置于盛有液氦的超低温杜瓦瓶中，通过一定电流产生强磁场，在接近绝对零度的温度时，螺管线圈内阻几乎为零，成为超导体，消耗的功率也接近零，断绝电源后，超导电流仍保持循环流动，形成永久磁场。
(2) 波谱仪 射频发生器 N
探头 S
接收机 FID
NMR谱 数摸转换D/A FT 计算机 模数转换A/D
探头是NMR谱仪的心脏，样品管放置其中，探头绕有线圈，射频源作用于样品线圈，把共振时样品线圈发生的变化转交给接收机。
(3) 数据处理系统
FID－free inductione decay 自由感应衰减
有机化学基础知识点核磁共振谱与质谱的应用
在有机化学领域，核磁共振谱（Nuclear Magnetic Resonance
Spectroscopy，简称NMR）和质谱（Mass Spectrometry，简称MS）是两项重要的分析工具。它们能够提供有机化合物结构的信息以及分子质量和分子结构的确定。在本文中，我们将探讨核磁共振谱和质谱的基本原理以及其在有机化学中的应用。
一、核磁共振谱的基本原理及应用
核磁共振谱是利用核磁共振现象来研究核自旋的一种分析技术。在核磁共振谱中，通过测量核自旋在外加磁场中的行为，可以推断分子中不同原子的环境及它们之间的相互作用。核磁共振谱常用于确定有机化合物的结构，包括取代基的位置和空间构型。
1. 简要介绍核磁共振谱的基本原理
核磁共振谱的基本原理是基于与核自旋相关的信息。核自旋是物质分子中原子核固有的性质。当分子中存在磁性原子核时，当外加磁场施加在该分子上时，分子中的磁性原子核会受到作用，进而产生共振信号。核磁共振谱通过测量吸收和辐射的频率，以及两种能量状态之间的能量差，来推断原子核的环境和化学位移。
2. 核磁共振谱在有机化学中的应用
核磁共振谱在有机化学中有广泛的应用。通过核磁共振谱，我们可以确定有机化合物的结构，包括配体和基团的排列方式。例如，通过分析化合物的质子核磁共振谱，我们可以确定取代基的位置和种类。此外，核磁共振谱还可以用于分析各种化学反应的进程和动力学，从而帮助研究人员进一步理解化学反应的机理。
二、质谱的基本原理及应用
质谱是一种通过分析物质中带电粒子的质量和相对丰度的方法。在质谱中，样品分子经过电离，生成带电粒子，并经过加速后，通过磁场分离出不同质荷比的离子。最后通过检测器测量粒子的信号强度，以得到荷质比比例。
1. 简要介绍质谱的基本原理
质谱的基本原理是将样品分子离子化并产生带电离子。然后，将离子加速至高速移动，并通过磁场使具有不同质荷比的离子沿特定轨道旋转。质谱检测器根据离子飞行的时间和速度等参数生成质谱图，其中质谱图的横坐标表示质量比例，纵坐标表示离子信号的强度。
核磁共振波谱分析
1. 基本原理
核磁共振是在电磁波的作用下，原子核在外磁场中的磁能级之间的共振跃迁现象。因此，要产生核磁共振，首先原子核必须具有磁性。自旋量子数I=0的原子核没有磁性，自旋量子数I≠0的原子核具有磁性。
I=1/2：1H，13C，15N，19F，31P，77Se，113Cd，119Sn，195Pt.
I=3/2：7Li，9Be，11B，23Na，33S，35Cl，37Cl，39K，63Cu，79Br
此外还有I=5/2，7/2，9/2，1，2，3等。
I=1/2的原子核，电荷均匀分布在原子核表面，核磁共振的谱线窄，最适合核磁共振检测。1H，13C原子核是最为常见，其次是15N，19F，31P核。
除了原子核具有磁性外，要产生核磁共振，还必须外加一静磁场和一交变磁场。在磁场中，通电线圈产生磁距，与外磁场之间的相互作用使线圈受到力矩的作用而发生偏转。同样在磁场中，自旋核的赤道平面也受到力矩作用而发生偏转，其结果是核磁距围绕磁场方向转动，这就是拉莫尔进动。 其进动频率与外加磁场成正比，即：v=（ϒ/2π）*H0。
V—进动频率；
H0—外磁场强度；
ϒ—旋磁比。
在相同的外磁场强度作用下，不同的原子核以不同的频率进动。如果在垂直于外磁场方向加一交变磁场H1，其频率v1等于原子核的进动频率v。此时，就产生共振吸收现象。即使原子核在外磁场中的磁能级之间产生共振跃迁现象，也即核磁共振。
2. 核磁共振波普在化学中的应用
2.1 基本原则
从核磁共振波谱得到的信息主要有化学位移、偶合常数、峰面积、弛豫时间等。
化学位移在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。化学位移的标准：相对标准
TMS（四甲基硅烷）位移常数TMS=0。与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定
TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。采用此标准的原因：（1）12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；（2）屏蔽强烈，位移最大；只在图谱中远离其他大多数待研究峰的高磁场区有一个尖峰；（3）易溶于有机溶剂，沸点低，易回收。影响因素：（1）诱导效应：吸电子，电子云降低，屏蔽下降，低场出现，图左侧；（2）共轭效应；（3）磁各相异性效应；（4）范得华效应；（5）氢键去屏蔽效应：电子云密度降低，产生去屏蔽作用，化学位移向低场；（6）溶剂效应。
光谱分析在化学中的应用
光谱分析是一种重要的化学分析方法，通过对物质在不同波长下的吸收、发射或散射光的特性进行观测和分析，可以得到物质的组成、结构和性质等信息。在化学领域，光谱分析广泛应用于物质的定性和定量分析、反应动力学研究、杂质检测等方面。
一、紫外可见光谱分析
紫外可见光谱是一种常用的光谱分析方法，主要应用于物质的定性和定量分析。在紫外可见光谱中，物质吸收或反射不同波长的光线，产生特定的吸收峰，其位置和强度与物质的组成和结构密切相关。通过比较样品吸收光谱和参比物质吸收光谱，可以确定样品中特定物质的含量或存在形式。
二、红外光谱分析
红外光谱是一种用于研究物质化学结构和分析物质组成的重要手段。物质在红外光波长范围内有特定的吸收谱带，对应着物质中不同的化学官能团或化学键。通过测定样品的红外吸收光谱，可以确定样品中存在的官能团或化学键的类型和数量。
三、核磁共振光谱分析
核磁共振（NMR）光谱是一种通过核自旋状态转变产生的电磁辐射进行分析的方法。核磁共振光谱能提供关于分子结构、化学环境等信息。通过测量样品在不同磁场中产生的共振信号强度和频率分布，可以得到物质的组成和结构信息。 四、质谱分析
质谱分析是一种通过测量物质中分子或原子离子的质量和相对丰度进行分析的方法。质谱分析可以用于物质的定性和定量分析，特别适用于分析复杂混合物。通过测定样品中不同质量离子信号的强度和质量比，可以确定样品中存在的化合物或元素的种类和含量。
综上所述，光谱分析在化学中有着广泛的应用。紫外可见光谱、红外光谱、核磁共振光谱和质谱分析等方法，可以通过不同的光谱特征提供物质的组成、结构和性质等信息，为化学研究和分析提供了强有力的工具。光谱分析的发展和应用将进一步推动化学领域的进步与创新。
