核磁共振氢谱 原理

化学核磁共振氢谱原理

核磁共振（NMR）是一种基于核自旋转动的技术，可以用来检测原子核周围的局部化电子云的情况。在NMR谱中，谱线的位置和相对强度提供了有关被测物质分子结构和环境的信息。其中，核磁共振氢谱是应用最为广泛的一种NMR谱，因为氢是最常见的元素，并且其核表现出的巨大概率使其成为研究分子结构和分子动力学的理想工具。

核磁共振氢谱中，样品应置于强磁场中，如1.5T或3T。磁场越强，谱线分辨率就越高。当样品置于磁场中时，样品中的氢原子的核自旋将产生磁偶极矩，指向磁场的方向。由于氢原子核是质子，其核自旋量子数I=1/2，有两个可分裂的能级，一个高能级和一个低能级。处于低能级态的核愿意对准磁场的方向，而处于高能级态的核要反对磁场的方向，它们会呈现两个核自旋状态，称为alpha（↑）和beta（↓）。

如果在磁场中应用一个射频脉冲，使得大量的α核的磁偶极矩沿着磁场的方向发生倒转转到β核状态，即翻转角度θ=180°，这可以通过正弦射频场产生。当射频场停止时，翻转后的核会返回到α或β状态，向高或低能级态发送能量，然后释放出辐射能。这些释放出来的能量共振与垂直于磁场的射频场产生的能量相互作用而产生一个感应电压，可以通过探测器检测。由于磁场对于相邻的原子核有微小的差别，因此每个化学位阶均会产生磁共振信号，这称为化学位移。确切的化学位移是由核自旋和电子环境的相互作用以及相邻的核自旋和化学结构特性的影响所决定的。

化学位移是以化学位移量（单位是ppm）表达的，可以用来识别不同的化合物和它们的结构，以及定量计算样品中每种化合物的相对数量。从氢谱中识别化学位移可以进一步了解分子结构及其他化学性质。例如，苯环上的氢原子的化学位移约为7.2 ppm，而甲基上的氢原子的化学位移约为0.9 ppm。此外，不同的化学官能团也可能对氢的化学位移产生影响。例如，羧酸基会通过与周围的氢原子进行氢键作用来影响化学位移，使它们呈现较高的位移，化学位移约为10-13 ppm。

核磁共振氢谱 原理

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种利用原子核的磁共振现象来研究化学结构和性质的分析技术。在核磁共振氢谱中，主要关注的是氢原子的核磁共振现象。

核磁共振氢谱的原理基于原子核具有自旋的特性。原子核的自旋可以理解为一个带有磁矩的微观磁体，在外加磁场的作用下，原子核会发生共振现象。核磁共振氢谱主要研究的是氢原子核的共振现象。

核磁共振氢谱的测量过程中，首先需要将待测样品放置在一个高强度的磁场中，这个磁场一般是由超导磁体提供的。在磁场中，氢原子核的能级会发生分裂，形成不同能级的塞曼子能级。核磁共振谱通过测量不同能级之间的能量差，可以提供关于样品的结构和环境的信息。

核磁共振氢谱的测量通过应用射频脉冲来激发氢原子核的共振，然后测量其共振信号。通过测量共振频率和共振强度，可以获得样品中不同种类氢原子核的化学环境和数量的信息。常见的核磁共振氢谱信号一般以化学位移（chemical shift）表示，用来衡量氢原子核相对于参考标准的位置。同时，氢原子核的耦合关系（coupling）也可以通过核磁共振氢谱来研究。

核磁共振氢谱在化学、生物化学以及医学等领域都有广泛的应用。通过核磁共振氢谱的测量，可以确定分子结构、分析化学成分、研究反应机理等。此外，核磁共振氢谱还被广泛应用于医学诊断，例如核磁共振成像（MRI）技术就是基于核磁共振原理发展起来的。

总的来说，核磁共振氢谱是一种非常重要的分析技术，通过测量氢原子核的共振现象，可以提供有关化学结构和性质的宝贵信息。

82 Univ. Chem. 2019, 34 (1), 82−88

 收稿：2018-06-08；录用：2018-06-29；网络发表：2018-07-11 *通讯作者，Email: baiyinjuan@ 基金资助：陕西省精品资源共享课程；西北大学本科教育质量提升计划项目(JX17111) •师生笔谈• doi: 10.3866/PKU.DXHX201806008

活泼氢的核磁共振氢谱

杨婕，张世平，孙伟，白银娟*

西北大学化学与材料科学学院，合成与天然功能分子化学教育部重点实验室，西安 710127

摘要：核磁共振氢谱是有机化合物结构表征中最常使用的波谱方法之一，提供了有机化合物质子的化学位移、积分

面积和耦合裂分等信息。常见的活泼氢是与氧、氮和硫共价相连的氢原子，存在着快速交换机制，与碳上的氢有显

著的差异。在不同条件下活泼氢化学位移不固定、峰形多变并且耦合裂分情况复杂。本文探讨了如何通过核磁共振

氢谱解析活泼氢，培养学生对谱图进行观察、分析以及结构推导的能力。

关键词：核磁共振氢谱；活泼氢；

中图分类号：G64；O656

Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Active

Hydrogen

YANG Jie, ZHANG Shiping, SUN Wei, BAI Yinjuan *

Key Laboratory of Synthetic and Natural Functional Molecule Chemistry of Ministry of Education, College of Chemistry and Materials Science, Northwest University, Xi’an 710127, P. R. China. Abstract: Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy is one of the most commonly used spectral methods for the characterization of organic compounds. It provides proton information on chemical shifts, integral areas, and coupling splits of organic compounds. The common active hydrogen is a hydrogen atom covalently linked to oxygen, nitrogen, or sulfur. There is rapid active proton exchange which makes significant difference from other carbon-linked hydrogen. Under different conditions, the chemical shift of active hydrogen is not fixed, the peak shape is variable and the coupling split is complicated. In order to cultivate students' practical ability on observing, analyzing and structure characterizing, active hydrogen identification by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy was discussed in the article. Key Words: Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy; Active hydrogen

4.3.3 解析谱图的步骤

i.由分子式求不饱合度

ii.由积分曲线求1H

核的相对数目

iii.解析各基团

首先解析：

再解析：H3CO,H3CNAr,H3CCO,H3CC,H3C

( 低场信号)

最后解析：芳烃质子和其它质子

•活泼氢D2O交换，解析消失的信号

•由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析

•参考IR，UV，MS和其它数据推断解构

•得出结论，验证解构COOH,CHO核磁共振氢谱解析及应用

1HNMR谱解析实例某化合物的分子式为C3H7Cl，其NMR谱图如下图所示：试推断该化合物的结构。

3

2

2解：由分子式可知，该化合物是一个饱和化合物；由谱图可知：(1)有三组吸收峰，说明有三种不同类型的H 核；(2)该化合物有七个氢，有积分曲线的阶高可知a、b、c各组吸收峰的质子数分别为3、2、2；(3) 由化学位移值可知：Ha 的共振信号在高场区，其屏蔽效应最大，该氢核离Cl原子最远；而Hc的屏蔽效应最小，该氢核离Cl原子最近。

结论：该化合物的结构应为：

CH3CH2CH2Clabc

一个化合物的分子式为C10H12O2, 其NMR谱图如下图所示，试推断该化合物的结构。解：1）已知其分子式为C10H12O2。

2）计算不饱和度：Ω＝5。

可能有苯环存在，从图谱上也可以看到δ7.25

处有芳氢信号。此外，还应有一个双键或环。

3）根据积分曲线算出各峰的相对质子数。

积分曲线总高度＝26＋9＋9＋15＝59（格）

据分子式有12个氢，故每个氢平均约5（格）。按

每组峰积分曲线高度分配如下：

a=26/5≈5个质子，

b≈2个质子，

c≈2个质子，

d≈3个质子

4）从3）中可知，各峰知子数之和正好与分子式中氢

原子数目符合，所以分子无对称性。

5）解析特征性较强的峰：

①a 峰为单峰，是苯环单取代信号，可能是苯环与

烷基碳相连。因为：ⅰ.化学位移在芳氢范围之内，

δ7.2～7.5 ；ⅱ.不饱和度为5，说明有芳环存在

的可能性；ⅲ.有5个质子；ⅳ单峰说明与苯环相连的