波谱分析之核磁共振谱基础

4.3实验部分实验4-1 有机化合物的氢核磁共振谱一、实验目的1. 学习核磁共振波谱的基本原理及基本操作方法。

2. 学习1H核磁共振谱的解析方法。

3. 了解电负性元素对邻近氢质子化学位移的影响。

二、基本原理一张NMR波谱图，通常会提供化学位移值、耦合常数和裂分峰形以及各峰面积的积分线的信息，据此，我们可以推测有机化合物的结构。

化学位移值主要用于推测基团类型及所处化学环境。

化学位移值与核外电子云密度有关，凡影响电子云密度的因素都将影响磁核的化学位移，其中包括邻近基团的电负性、非球形对称电子云产生的磁各向异性效应、氢键以及溶剂效应等，这种影响有一定规律可循，测试条件一定时，化学位移值确定并重复出现，前人也已总结出了多种经验公式，用于不同基团化学位移值的预测。

耦合常数和裂分峰形主要用于确定基团之间的连接方式。

对于1H NMR，邻碳上的氢耦合，即相隔三个化学键的耦合最为重要，自旋裂分符合向心规则和n+1规则。

裂分峰的裂距表示磁核之间相互作用的程度，称作耦合常数J，单位为赫兹，是一个重要的结构参数，可从谱图中直接测量，但应注意从谱图上测得的裂距是以化学位移值表示的数据，将其乘以标准物质的共振，即仪器的频率，才能得到以赫兹为单位的耦合常数。

积分曲线的高度代表相应峰的面积，反映了各种共振信号的相对强度，因此与相应基团中磁核数目成正比。

通过对1H-NMR积分高度的计算，可以推测化合物中各种基团所含的氢原子数和总的氢原子数。

核磁共振谱图的解析就是综合利用上述三种信息推测有机物的结构。

用1H-NMR波谱图上的化学位移值(δ或τ)，可以区别烃类不同化学环境中的氢质子，如芳香环上的氢质子、与不饱和碳原子直接相连的氢质子、与芳香环直接相连-CH2或-CH3上氢质子、与不饱和碳原子相连的-CH2或-CH3上的氢质子、正构烷烃，支链烃和环烷烃上的氢质子。

化学位移的产生是由于电子云的屏蔽作用，因此，凡能影响电子云密度的因素，均会影响化学位移值。

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δ=0。

与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定TMSTMS=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。

核磁共振波谱法基本原理核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）是一种利用核磁共振现象进行分析的方法。

核磁共振是基于原子核的特定性质，在外加磁场作用下，原子核能够吸收具有特定频率的电磁波并发生共振现象的现象。

该方法通过检测不同原子核的共振信号来获取样品的结构和组成信息。

核磁共振波谱法基于原子核中的自旋（Spin）性质。

自旋是描述原子核内部的一种性质，可以与外加磁场相互作用。

在没有外加磁场作用下，原子核的自旋朝向是随机的。

然而，当样品置于强磁场中时，原子核的自旋会排列在不同能级上。

这些能级之间存在能量差，当这些能级之间的能量差等于外加电磁波的能量时，原子核就会发生共振吸收。

核磁共振波谱仪的基本构造包括磁场系统、射频系统、探测系统和计算机系统。

磁场系统用来产生强磁场，常见强磁场有永磁磁体、超导磁体等。

射频系统则用来产生特定频率的电磁波，以激发样品中的原子核共振吸收。

探测系统用来接收样品发出的信号，并将其转化为电信号，进一步处理和分析。

计算机系统则用来进行数据处理和结果分析。

在进行核磁共振波谱实验时，首先将样品放置于磁场中，样品中的原子核会受到磁场的作用，并分裂为不同能级。

接下来，通过调节射频系统产生特定频率的电磁波，激发样品中的原子核发生共振吸收。

这时，探测系统会接收样品发出的共振信号，并将其转化为电信号。

最后，计算机系统会对接收到的信号进行数学处理，生成核磁共振波谱图。

核磁共振波谱图是核磁共振波谱法的主要结果，可以提供关于样品的结构和组成的信息。

波谱图中的共振信号对应于不同原子核的吸收峰，其化学位移（Chemical Shift）可以帮助确定样品中的不同官能团或基团。

同时，共振信号的相对积分面积可以提供定量分析所需的信息。

总体而言，核磁共振波谱法通过利用原子核在磁场中的共振吸收现象，能够提供丰富的结构和组成信息。

它在有机化学、无机化学、生物化学等领域有着广泛的应用，成为了一种重要的分析手段。