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核磁共振波谱(NMR)

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核磁共振波谱法

核磁共振波谱法


图谱解析步骤
（1）区分出杂质峰、溶剂峰等 （2）计算不饱和度
（3）根据积分曲线确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目， 对氢原子进行分配
（4）对每个峰的，J进行分析。
（5）推出若干结构单元，最后组合为几种可能的结构式
（6）对推出的结构进行指认
图谱解析
化合物 C10H12O2
3 2
2
5
8
7
6
5
4
核磁共振波谱法
目录
核磁共振谱法（NMR）
谱图分析
核磁共振谱法
简介
核磁共振（NMR）是指在某个静磁场中物质的原 子核系统受到相应频率为或兆赫（MHz）为 107~108µm的长波电磁波的作用时，原子核在磁能 级间发生跃迁的共振现象。
核磁共振谱通常可分为氢谱(1H-NMR）和碳谱 (13C-NMR）。NMR与红外、紫外光谱一样，实 际上都是吸收光谱，只是NMR相应的波长位于无 线电波范围。物质吸收电磁波的能量较小，从而 引起的只是电子及核在其自旋态能级之间的跃迁。
3
2
1
0
=（2*10-12)/2=5
δ 3.0和δ 4.30三重峰和三重峰
O—CH2CH2—相互偶合峰 δ 2.1单峰三个氢，—CH3峰
结构中有氧原子，可能具有：
δ 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代 正确结构：
a b O c CH2CH2 O C CH3
O C CH 3
影响化学位移的因素 1.局部屏蔽效应
诱导效应：电子云密度降低，电子屏蔽小，增大
CH3F CH3Cl CH3Br CH3I 4.26 3.05 2.68 2.16 共轭效应 p-共轭，减小；-共轭， 增加
3.57 5.87
核磁共振波谱名词解释

核磁共振波谱名词解释

核磁共振波谱名词解释
1. 核磁共振(NMR): 一种物理现象，即在磁场中，原子核会有
不同的能量级别，通过吸收或发射电磁辐射来跃迁能级，产生一定频率的共振信号。

2. 化学位移(chemical shift): 核磁共振信号的频率与一定标准物
质（如四氢噻吩）产生的信号频率之差，用单位为ppm的化
学位移表示。

3. 异位体(metabolite): 生物体内的化合物，通常参与代谢反应，例如葡萄糖、乳酸等。

4. 预处理(pre-processing): 对核磁共振波谱数据进行峰识别、
基线校正、峰对齐等处理，以减少数据偏差和噪声干扰。

5. 多维核磁共振(NMR): 除了化学位移之外，另外加入了偏转
角度、自旋耦合等信息，通过多维波谱图展示，提高了化合物结构的精度。

6. 自旋耦合(spin coupling): 不同原子核之间相互作用而导致的
信号频率拆分现象，通常用杨-米尔斯耦合模型（J-coupling）
描述。

7. 核磁共振成像(NMRI): 借助核磁共振信号探测物体内部结构
信息，通过对不同位置的信号强度进行重构，得到体内成像。

核磁共振波谱原理

核磁共振波谱原理

核磁共振波谱原理
1.引言
核磁共振波谱(NMR)是一种重要的物理现象，广泛应用于化学、生物、医学等领域。

本文将介绍核磁共振波谱的物理原理及其应用。

2.原理
核磁共振波谱是利用核磁共振现象测量物质中的核磁矩。

当物质
处于磁场中，其原子核会受到磁场的作用而进入不同的能级。

当外加
高频电磁场与能级差相等时，核磁矩就会吸收能量而跳跃到较高能级。

当外加的高频电磁场的频率改变时，吸收能量的核磁矩也会改变，从
而产生不同的共振信号。

这些信号可用于确定物质中特定核的类型、
数量和化学环境等信息。

3.仪器及实验
核磁共振波谱需要高强度磁场和高频电磁辐射，因此需要设计制
造特殊的核磁共振仪器。

实验过程中需要将待测试样品放置在磁场中，并在外加高频电磁场作用下记录核磁共振信号。

根据不同的实验需求，可采用不同频率的高频电磁辐射。

4.应用
核磁共振波谱广泛应用于化学、医学、生物等领域。

在化学中，
核磁共振波谱可用于确定分子的结构和分子内原子的化学环境。

医学
中，核磁共振波谱可用于诊断疾病、研究生物分子及其运动过程等。

生物中，核磁共振波谱可用于研究生物大分子的结构和相互作用。

5.总结
核磁共振波谱是一种基于核磁共振现象测量物质核磁矩的技术。

它具有广泛的应用领域和重要的研究价值。

3.5-核磁共振波谱NMR详解

3.5-核磁共振波谱NMR详解


对于具有I、m的核量子化能级的能量 为：
m E H0 I
H0：外加磁场强度(G-高斯); β：核磁子(5.049×10-31J.G-1); μ：以β为单位的磁旋比.
对于具有I=1/2 m=+1/2、-1/2的核:
H0 μZ m=+1/2 μ E=+μβH0
对于具有I=1 m=1, 0 , -1的核:
2
高能级
• 受激态高能级磁
核将能量传递给
周围的介质粒子，
1
低能级
2
1
自身回复到低能
磁核的过程。
1/T2
2
高能级
1
高能级
横向弛豫: 受激态高能级磁核 将能量传递给同种 低能级磁核，自身
1
低能级
2
低能级
回到低能级磁核的 过程。1/T1
原子核在静磁场中的进动及能量
• 自旋量子数不为零的原子核，在外加静磁场H0中， 除了自旋外还将绕H0运动，类似于陀螺的运动， 称这种运动为进动。
• •
• •
实验证明，大多数原子核都围绕某个轴自身做旋转运动称自旋 运动。有机械旋转，就有角动量产生。 I：自旋量子数； 若原子核存在自旋，产生核磁矩： h：普朗克常数； 自旋角动量： 核磁子β=eh/2M c； 核磁矩： 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：
原子序数 偶数 奇、偶数
核磁共振波谱
核磁共振基本原理
• NMR简介
• 将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的 电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能 级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共 振
• 利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量 分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR • 在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振 吸收谱，重点介绍一维核磁共振氢谱的原理及 应用
NMR(核磁共振)

NMR(核磁共振)

到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程称为驰豫 （relaxation）过程
驰豫过程可分为两种：自旋—晶格驰豫和自旋— 自旋驰豫
（1）自旋—晶格驰豫（spin-lattice relaxation）：自旋—晶格 驰豫也称为纵向驰豫，是处于高能态的核自旋体系与其周围的 环境之间的能量交换过程。当一些核由高能态回到低能态时， 其能量转移到周围的粒子中去，对固体样品，则传给晶格，如 果是液体样品，则传给周围的分子或溶剂。自旋—晶格驰豫的 结果使高能态的核数减少，低能态的核数增加，全体核的总能 量下降。
（2）自旋—自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋— 自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转
移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃
迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全 体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表 示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固 定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液 体样品，T2约1s。
（2）v不变，改变B0 方法是将样品用固定电磁辐射进行照射，并缓缓改变外 加磁场的强度，达到引起共振为止。这种方法叫扫场 （field sweep）。
通常，在实验条件下实现NMR多用2法。
核磁共振波谱仪主要由磁铁、射频振荡器、射频接收器等 组成
（1）磁铁
可以是永久磁铁，也可以是电磁铁，前者稳定性好。磁场 要求在足够大的范围内十分均匀。当磁场强度为1.409T时，其 不均匀性应小于六千万分之一。这个要求很高，即使细心加工 也极难达到。因此在磁铁上备有特殊的绕组，以抵消磁场的不 均匀性。磁铁上还备有扫描线圈，可以连续改变磁场强度的百 万分之十几。可在射频振荡器的频率固定时，改变磁场强度， 进行扫描。
核磁共振波谱法(NMR)

核磁共振波谱法(NMR)


振实验时，所用的磁强强度越高，发生核磁共振所
需的射频频率也越高。
讨论：
（1）磁场固定时（ B0一定），不同的核具有不同的共振频率， 共振频率取决于核本身，大的核，发生共振所需的照射频率也大； 反之，则小。 （2）同样的核（一定），外加磁场B0越大，共振频率越大。 （3）若共振频率一定， 越大， B0越小。 例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） 1H 和13C的共振 频率为
样品，溶剂CDCl3, CD2Cl2, THF, etc.
当B = B0 +δB，使ν恰好等于照射样品的固定无线电波
频率ν0，样品中的氢原子核发生自旋能级跃迁。 B0 为核磁共振仪电磁铁的磁场强度，δB为扫描线圈产
生的磁场增量，5-10mG· min-1。
要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
1. I=0 的原子核O（16）；C（12）；S（32）等 ，无自旋， 无磁性，称为非磁性核，这类核不会发生核磁共振。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；
频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率 磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度 各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场，各 种核的共振频率为：
1H 13C 19F 31P
60.000 15.086 56.444 24.288
MHZ MHZ MHZ MHZ
磁场强度 0.9400 特斯拉 1.4092 2.3500 4.7000 7.1000 11.7500
核磁共振波谱法详细解析

核磁共振波谱法详细解析


CH3X
X 电负性
δ
CH3F
F 4.0 4.26
CH3OH
O 3.5 3.40
CH3Cl
Cl 3.1 3.05
CH3Br
Br 2.8 2.68
CH3I
I 2.5 2.16
CH4 (CH3)4Si
H
Si
2.1 1.8
0.23 0
2. 磁各向异性：π键产生的感应磁场，其强度及正负具有方向性，分子中
H所处的空间位置不同，屏蔽作用不同的现象
ν↑ , δ↑, 峰左移。
Y 型分子
HA HB XCCY
H0
➢HB 的核磁矩与外磁场 H0 方向相反, 使 HA 实受磁场 强度↓——屏蔽效应↑， ν↓,
δ↓, 峰右移。
3．自旋分裂的产生
HA HB XCCY
偶合 δX δY
δA
自旋分裂
JAB
JAB
在溶液中X型与Y型分子数目几 乎相等，外磁场的作用几率相同， 因此峰裂分的强度相同。
第三节 化学位移
一、屏蔽效应
2
H0
➢ H0=1.4092T, ν=60MHz
照射
H0一定时
所有H核吸收相同频率的光波
0=
无意义？
➢实验发现：由于H核周围的化学环境不同，H核发生共 振吸收时，共振频率微小的差异。
➢ NMR通过微小的差异——化学位移不同，推测H周围的 化学环境
一、屏蔽效应
感应磁场 方向 核
23.141.381023300
三、自旋驰豫
• 低能态核数n+仅比高能态核数n-多十万分之一 • 当n- =n+时，NMR信号消失——饱和 • 外磁场H0 ↑/ 温度↓，n-/n+↓，对测定有利
核磁共振光谱 NMR光谱

核磁共振光谱 NMR光谱


经典力学和量子力学模型都说明：
并非所有的核都有自旋，在外加磁场中发生能级分裂！
a) I=0的原子核没有自旋现象。
b) I=整数，该类核有自旋，但NMR复杂，通常不用于
NMR分析。如2H，14N等。 c) I=半整数，可以用于NMR分析，特别是I=1/2的核如
1H，13C。
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。 当置于外加磁场H0中时， 相对于外磁场，可以有 （2I+1）种取向： 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;
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。
原子核的量子力学模型 带电原子核自旋 磁场 磁矩(沿自旋轴方向)
1H 1
磁矩的大小值。 如1H： = 26.752； 13C： = 6.728 ，单位：107rad.T-1.S-1
会造成什么后果？
随实验进行，低能级核越来越少，最后高、低能级上的 核数目相等--------饱和-----从低到高与从高到低能级的 跃迁的数目相同---体系净吸收为0-----共振信号消失！ 幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！
因为有弛豫 弛豫 处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到 低能态的过程称为弛豫。
Boltzmann分布。否则饱和现象容易发生
低能态重建Boltzmann分布。
两种弛豫过程：
N h N + R elaxation
NMR(核磁共振)解析

NMR(核磁共振)解析


（2）自旋—自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋— 自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转 移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃 迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全 体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表 示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固 定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液 体样品，T2约1s。
在化学领域中的应用
１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型； ２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用 层析和纸层析检查不出来的杂质； ３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能 测定出混合物的比率； ４质子交换，单键的旋转和环的转化等。
5.2 核磁共振基本原理
5.2.1 原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。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。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平 行，且磁矩与角动量成正比，即 μ=γp ( 5.1 ) 式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad· T−1· s−1，即核磁 矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比， 它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核 磁子单位等于5.05×10−27J· T−1；
p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
h p I（I 1） 2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
核磁共振波谱法(NMR)

核磁共振波谱法(NMR)


1H
60.000 MHZ
13C
15.086 MHZ
19F
56.444 MHZ
31P
24.288 MHZ
对于1H 核，不同的频率对应的磁场强度：
射频 40 MHz 磁场强度 0.9400 特斯拉
60
1.4092
100
2.3500
200
4.7000
300
7.1000
500
11.7500
核磁共振仪
分类： 按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁场 按交变频率分：40 ，60 ，90 ，100 ， 200 ，500，--， 800 MHz（兆赫兹），频率越高，分辨率越高 按射频源和扫描方式不同分： 连续波NMR谱仪（CW-NMR） 脉冲傅立叶变换NMR谱仪（FT-NMR）
能级分裂
两种取向代表两个能级，m=-1/2能级高于m=1/2能级。
E
N
I
H0
2N H0
❖在外磁场中，核自旋能级差ΔE和外磁场强度B成正比。 ❖照射样品的电磁波能量hν正好等于 ΔE时，氢原子核吸收能量， 从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振现象。
γ 核磁共振吸收频率： ν = 2π B
共振条件
奇数 奇数或偶数 1/ 2
自旋球体
有
1H, 13C, 15N, 19F, 31P
奇数 奇数或偶数 3/2, 5/2,--- 自旋惰球体
有
11B,17O,33S,35Cl,79Br,127I
偶数 奇数
1, 2, 3, --- 自旋惰球体
有
2H, 10B, 14N
1. I=0 的原子核O（16）；C（12）；S（32）等 ，无自旋， 无磁性，称为非磁性核，这类核不会发生核磁共振。不产生 共振吸收。
磁共振波谱学的名词解释

磁共振波谱学的名词解释

磁共振波谱学的名词解释磁共振波谱学是一门运用核磁共振技术进行物质分析的学科。

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）是一种基于原子核核磁矩与外加磁场相互作用的物理现象，从而产生特定频率的幅度及相位变化。

磁共振波谱学则是通过测量和分析这种频率变化，来获取有关物质组成和结构特征的信息。

在磁共振波谱学中，一个关键的概念是共振。

共振是指原子核在特定的磁场中，受到一系列不同频率的射频辐射而发生能级跃迁，从而吸收或发射特定频率的电磁辐射。

这些频率信息可以通过经典物理中的共振条件来解释：当磁场的大小等于某个特定频率所需的能级跃迁能量差时，共振发生。

这一现象被用于磁共振波谱学中，通过测量共振频率来获取关于样品的结构和性质的信息。

在磁共振波谱学中，最常用的技术是核磁共振波谱（NMR spectroscopy）。

核磁共振波谱可用于分析各种化合物，包括有机化合物、生物分子和无机物质等。

这是因为核磁共振技术可以提供高分辨率和高灵敏度的信号，从而可以准确测量样品中不同核的共振频率，并将其与已知的标准物质进行比较，以确定分子的结构和化学环境。

除了核磁共振波谱，还存在其他类型的磁共振波谱学技术，如电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，简称EPR）和电子自旋共振（Electron Spin Resonance，简称ESR）。

这些技术在物质分析和材料研究领域也扮演着重要角色。

电子顺磁共振适用于研究具有未成对电子的化学物质，如自由基和过渡金属离子。

而电子自旋共振主要关注电子自旋与外加磁场的相互作用，从而提供电子自旋状况及分子电子结构的信息。

在磁共振波谱学中，通过对固体样品、液体样品或气态样品中的原子核或电子进行测量和分析，可以获得许多有用的信息。

例如，核磁共振波谱可用于鉴定化学物质的成分，确定它们的结构和构象、测定相对数量和浓度，甚至研究物质的动力学性质。

核磁共振波谱(NMR)

CH2 Br CH2 C Br CH2 C C Br
3.30
1.69
1.25
2.共轭效应： 共轭效应： 共轭效应 共轭作用增加某些基团的电子云密度，使其在高场共轭， 有些取代基通过 p − π 共轭作用增加某些基团的电子云密度，使其在高场共轭，如： 3.66 3.99 H O CH2 CH3 1.21 5.28
δ=
所表示的是该吸收峰距原点的距离。 δ 所表示的是该吸收峰距原点的距离。同一化合物早不同频率的仪器上得 到的化学位移是相同的，都可以与标准谱图对比。 到的化学位移是相同的，都可以与标准谱图对比。 选用TMS作参比的原因：它的 个质子受到硅原子的强屏蔽作用，在高场 作参比的原因： 个质子受到硅原子的强屏蔽作用， 选用 作参比的原因 它的12个质子受到硅原子的强屏蔽作用 区出现一个尖锐的强峰；它在大多数有机溶剂中易溶；呈现化学惰性； 区出现一个尖锐的强峰；它在大多数有机溶剂中易溶；呈现化学惰性；沸 点低（ 点低（26.5℃）因而样品易回收。 ℃ 因而样品易回收。 对于极性较大的有机化合物样品，常用DSS作“内标准” 对于极性较大的有机化合物样品，常用 作 内标准” （CH3）2SICH2CH2CH2SO3Na
H 1核磁矩的取向

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如左图所示自旋核，若磁矩方向与外磁场方向一致， 如左图所示自旋核，若磁矩方向与外磁场方向一致，此时 m = +1 / 2 一般为低能级，但另一种取向，即磁矩与外磁场方向相反， 一般为低能级，但另一种取向，即磁矩与外磁场方向相反，此时 m = −1 / 2 一般为高能级。由于磁矩的取向不同，决定了其能级的不同， 一般为高能级。由于磁矩的取向不同，决定了其能级的不同，核吸收或放出 能量时，其磁矩的取向要发生改变，根据量子力学理论， 能量时，其磁矩的取向要发生改变，根据量子力学理论，两能级之间的能量 差 ∆E 为： µ

核磁共振波谱的原理

核磁共振波谱的原理
核磁共振波谱（NMR）是一种通过研究原子核在强磁场和射
频辐射作用下的行为来获得化学结构和动力学信息的技术。

它基于核自旋在外加磁场中的取向状态和能级转换之间的吸收和辐射电磁辐射的能量差，创建了一种非常有用的谱学工具。

核磁共振波谱仪由一个强大的恒定磁场、一个射频辐射源和一个用于检测辐射吸收的探测器组成。

样品通过一个磁场梯度系统放置在一个均匀的强磁场中。

在强磁场中，原子核具有两种取向状态，即与磁场方向一致的α状态和与磁场方向相反的β
状态，它们具有不同的能量。

当一个与核自旋共振频率相匹配的射频辐射源作用在样品上时，原子核会跳跃到较高能级状态，这称为共振现象。

共振频率由Larmor公式决定，它与核的磁矩、外部磁场的强度和自旋量
子数有关。

共振吸收的强度和谱线的位置提供了关于样品中核种类、数量和化学环境的信息。

通过扫描核磁共振仪的磁场强度或射频辐射源的频率，可以获得核磁共振波谱图。

波谱图上的谱线位置对应于不同核的共振频率，谱线的强度对应于吸收强度。

通过对比样品与参考样品的谱线位置，可以确定化学位移，即不同核的环境对共振频率的影响。

谱线的形状和峰宽可以提供有关化学相互作用、分子结构和扭曲的信息。

除了提供结构信息外，核磁共振波谱还可以用于测定化合物的浓度、动力学参数以及研究化学反应和生物分子结构和运动等。

它在化学、生物化学、药学和材料科学等领域都有重要应用，成为一种不可或缺的分析技术。

NMR(核磁共振)分析


p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
h p I（I 1） 2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
原子核在磁场中的回旋, 这种现象与一个自旋的陀螺 与地球重力线做回旋的情况相似。 换句话说：由于磁场的作用，原子核一方面绕轴 自旋，另一方面自旋轴又围绕着磁场方向进动。其进动 频率，除与原子核本身特征有关外，还与外界的磁场强 度有关。进动时的频率、自旋质点的角速度与外加磁场 的关系可用Larmor方程表示： ω = 2 π v = γ B0 （5.4） v = γ / 2π B0 （5.5） 式中：ω— 角速度；v — 进动频率（回旋频率）； γ— 旋磁比（特征性常数）
在化学领域中的应用
１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型； ２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用 层析和纸层析检查不出来的杂质； ３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能 测定出混合物的比率； ４质子交换，单键的旋转和环的转化等。
5.2 核磁共振基本原理
5.2.1 原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。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。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平 行，且磁矩与角动量成正比，即 μ=γp ( 5.1 ) 式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad· T−1· s−1，即核磁 矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比， 它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核 磁子单位等于5.05×10−27J· T−1；

核磁共振波谱法详细解析

即： m = 1，0，-1
I=1 氢核磁矩的取向
核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的,是量
子化的，这种现象称为空间量子化。
用μZ表示不同取向核磁矩在外磁场方向的投影。
h μz m 2π
核磁矩的能量与μz和外磁场强度H0有关：
h E Z H 0 m H0 2
二、化学位移 例： CH3Br, 标准物：四甲基硅烷TMS
①H0=1.4092T, νCH3=60MHz+162Hz,
νTMS=60MHz
162 Hz 6 10 2.70 ppm 6 60 10 Hz
二、化学位移
② H0=2.3487T, νCH3=100MHz+270Hz,
νTMS=100MHz
原子核自旋能级跃迁
2.测定方法不同： UV、IR－－测定A（T） NMR －－共振吸收法 共振吸收法：利用原子核在磁场中，核 自旋能级跃迁时核磁矩方向改变产生感应 电流来得到NMR信号。
♫概述
三、核磁共振波谱法的应用
1.测定有机物结构：化学及立体结构（构型、构像、 互变异构）
2.医学：核磁共振成像技术（医疗诊断）
共有 2I+1 个取向； 每一种取向用磁量子数m表示，则m=I, I-1, I2,…, -I+1, -I。
1 1 1 m 例：I=1/2时， 2 1 2 即： , m 2 2 2
顺磁场 低能量
逆磁场 高能量
氢核磁矩的取向
例：I=1时，
2 1 1 3 个取向，
2
h H0 2 11 h h E2 ) h H0 H E 2 (( 1 ) ) E ( H 0
（二）原子核的共振吸收 1. 进动

nmr检测

百泰派克生物科技
nmr检测
NMR（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）即核磁共振波谱或称磁共振波谱（MRS），是一种观察原子核周围局部磁场的波谱技术。

核磁共振信号是无线电波激发原子核样品产生的，核磁共振信号可以用灵敏的无线电接收器检测到。

分子中原子周围的分子内磁场会改变共振频率，从而获得分子及其单个官能团的电子结构细节。

在现代有机化学实践中，核磁共振波谱是鉴定单分子有机化合物的有力工具。

核磁共振谱是独一无二的，分辨率高，易于分析，并且通常对小分子有很高的可预测性。

不同的官能团是明显可区分的，具有不同相邻取代基的相同官能团仍然给出可区分的信号。

核磁共振光谱常用来识别蛋白质和其他复杂分子。

除了识别之外，核磁共振波谱还可提供关于分子结构、动力学、反应状态和化学环境的详细信息。

最常见的核磁共振类型是质子和C13核磁共振波谱，它适用于任何一种包含具有自旋的原子核的样品。

百泰派克生物科技采用先进的光谱平台，提供基于NMR的分析服务，包括从有机小分子或代谢物到中等大小的肽或天然产物，再到生物大分子和合成的高分子量聚合物等的定性、定量以及结构等分析，欢迎免费咨询。

核磁共振波谱分析原理

核磁共振波谱分析原理
核磁共振波谱分析（NMR）是一种基于核磁共振现象的分析
技术，用于确定分子结构和化学环境。

原理很简单：原子核具有自旋，当这些原子核处于外加磁场中时，会存在基态和激发态之间的能级差。

当外加磁场的强度等于能级差时，原子核会发生能级间的跃迁，而产生共振吸收信号。

核磁共振波谱分析基于这个原理，首先将样品置于强磁场中，使各个原子核的自旋方向与强磁场方向发生共线。

然后通过施加射频脉冲，使部分自旋发生共振吸收，从而产生强度较大的共振信号。

这些信号会被NMR仪器接收并处理，最终转换成
核磁共振波谱。

在核磁共振波谱图上，横轴表示共振频率，纵轴表示吸收强度。

通过对波谱图的分析，可以确定不同核的化学位移，从而推断其所处的化学环境和分子结构。

同时，核磁共振波谱还可以提供有关化学键长、化学键角和空间构型等信息。

核磁共振波谱分析在有机化学、生物化学、材料科学等领域有着广泛的应用。

它是一种无损分析方法，可以用来鉴定化合物、研究反应动力学、分析混合物等。

同时，核磁共振波谱分析还可以用来定量分析样品中不同核的含量，并通过不同核之间的耦合情况推断化学结构。

总之，核磁共振波谱分析是一种非常有用的分析技术，可以提供丰富的化学信息，对于科学研究和实际应用具有重要意义。

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1.1.2 磁性原子核在外加磁场中的行为特性
核的自旋取向、 核的自旋取向、自旋取向数与能级状态
β
α
外 场 无 磁
0 H 在 磁 中 外 场
自旋取向数=2I+1 自旋取向数
m=I, I-1, ……-I.
∆E=2µH0 µ
9
核在能级间的定向分布及核跃迁
0 H 在 磁 中 外 场
通常在热力学平衡条件下，自旋核在两个能级间的定向分 布数目遵从Boltzmann分配定律，即低能态核的数目比高 能态的数目稍多一些。
19
2.1化学位移 2.1化学位移
意义？ 意义？ • 相对差值 与外加磁场 强度 H0 无关。 相对差值δ与外加磁场 无关。 用一台60 仪器， 例：① 用一台 MHZ 的 NMR 仪器，测得某质子共振时所需 射频场的频率比 TMS（四甲基硅烷）的高 120HZ。 （四甲基硅烷） 。
② 用一台 100MHZ 的 NMR 仪器，进行上述同样测试 仪器，
27
3）化学位移的影响因素 （3）分子内（间）氢键 分子内（
a. 分子内氢键：不受溶剂影响；b. 分子间氢键：受溶剂影响（浓度，温度等） 分子内氢键：不受溶剂影响； 分子间氢键：受溶剂影响（浓度，温度等）
10.93 HO O
OH 12.40
O
OH 9.70
28
小结：影响化学位移大小的因素 小结：
30
谱学知识介绍
sp2杂化碳上的质子化学位移范围： 杂化碳上的质子化学位移范围： a. 烯 烃 结构类型 环外双键 环内双键 末端双键 开链双键 末端连烯 一般连烯 α,β-不饱和酮 化学位移范围 4.4～4.9 4.4～ 5.3～5.9 5.3～ 4.5～5.2 4.5～ 5.3～5.8 5.3～ 4.4 4.8 α-H 5.3～5.6 5.3～ 6.5～ β-H 6.5～7.0
11
核的进动与拉摩尔频率
ω=γH0/2π γ π
陀螺在重力场下的进动
12
产生核磁共振的必要条件
1. 磁性核 指什么？ 指什么？ 4. 电磁辐射能量等于能极差
跃 迁 共 振
2. 外加静磁场
3. 电磁辐射？ 电磁辐射？
驰 豫
H0
在 外 磁 场 中
H0
在
外
磁
场
中
hν
hν
13
实现NMR的方法： 的方法： 实现 的方法 扫频： 扫频：frequency sweep 固定外加磁场强度H 固定外加磁场强度 0， 通过逐渐改变电磁辐射 频率来检测共振信号。 频率来检测共振信号。 扫场： 扫场：field sweep 固定电磁辐射频率ν 固定电磁辐射频率ν，通 过逐渐改变磁场强度来 检测共振信号。 检测共振信号。
1
几个问题： 几个问题： 药物的本质和来源？ 1. 药物的本质和来源？ 2. NMR是如何产生的？ 是如何产生的？ 是如何产生的 学习本门课程的目的即NMR的用途？ 的用途？ 3. 学习本门课程的目的即 的用途
2
Structures of drugs
N
HO N N
O
O
HO
O
OH
HO
O
Morphine
核的自旋与核磁矩
µ（核磁距）= γ（磁旋比）P（自旋角动量）
7
原子核的自旋量子数（ ）与质量数（ ）及原子序数（ ） 原子核的自旋量子数（I）与质量数（A）及原子序数（Z）的关系
µ = γ ⋅p
P=√I(I+1)⋅h/2π???
I=0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2等不同的数值.
质量数 （A） ） 奇数 偶数 偶数 原子序数 （Z） ）
21
3）化学位移的影响因素（重点内容！） ）化学位移的影响因素（重点内容！） δ =[ (υ sample-υ ref) / υ0 ]×106 υ = 2µH0(1- σ) /h µ
（1）电负性 随着相连基团电负性的增加氢核外围电子云密度 ） 不断增大。 不断降低，故化学位移值( 不断增大 不断降低，故化学位移值 δ)不断增大。 化学位移→屏蔽效应 电子云密度 化学位移 屏蔽效应→电子云密度 电负性 屏蔽效应 电子云密度→电负性
化 合 物 (CH3)4Si (CH3)3-Si(CD2)2CO2－Na+ CH3I CH3Br CH3Cl CH3F CH3NO2 CH2Cl2 CHCl3 氢核的化学位移 0.00 0.00 2.2 2.6 3.1 4.3 4.3 5.5 7.3
22
2.1.3化学位移的影响因素 化学位移的影响因素 ②磁的各向异性效应 定义： 定义： 具有多重键或共轭多重键分子，在外磁场作用下， 具有多重键或共轭多重键分子，在外磁场作用下， 电子沿分子某一方向流动，产生感应磁场。 电子沿分子某一方向流动，产生感应磁场。此感应磁 加磁场方向在环内相反（抗磁）， ），在环外相同 场与外 加磁场方向在环内相反（抗磁），在环外相同 顺磁）， 即对分子各部位的磁屏蔽不相同。 （顺磁）， 即对分子各部位的磁屏蔽不相同。
特点 与外加磁场方向一致， 与外加磁场方向一致，负屏蔽效应 ，δ增加 增加 与外加磁场方向相反，正屏蔽效应， 降低 与外加磁场方向相反，正屏蔽效应， δ降低
23
2.1.3化学位移的影响因素 化学位移的影响因素
②磁的各向异性效应 sp2>sp>sp3
CH3CH3 CH2=CH2 RHC=O 0.96 5.28 9-10
10
饱和(saturation)和弛豫 和弛豫(relaxation) 饱和 和弛豫
H0
H0
H0
跃迁、共振 跃迁、
饱和
驰豫
低能态的核吸收能量自低能态跃迁到高能态，能量将不再吸收， 此种状态称作“饱和 饱和”状态。 饱和 高能态的核由高能态回到低能态，从而保持Boltzman分布的热 平衡状态。这种过程称作“弛豫 弛豫”。 弛豫
Rgem Rtrans
H
Rcis
32
质子化学位移的经验计算
取代基对苯环芳氢的影响（ =7.27+Σ 取代基对苯环芳氢的影响（δ=7.27+Σs）
31
2.1化学位移 2.1化学位移
取代基对烯烃化学位移的影响 烯氢的化学位移值 双键碳原子上的质子化学位移值： 双键碳原子上的质子化学位移值：
δ C =C − H = 5.28 + ∑ S
乙烯质子的δ值 是乙烯基上各取代基R （5.28——乙烯质子的 值，ΣS是乙烯基上各取代基 乙烯质子的 是乙烯基上各取代基 同、R顺和R反对烯氢化学位移影响之和 ）
原子的杂化状态（ 原子的杂化状态（SP2 > SP > SP3） 电子云密度（吸电诱导、共轭等） 电子云密度（吸电诱导、共轭等） 磁各向异性（C=X, C-C） C磁各向异性（ 活泼氢交换( 活泼氢交换(-OH, -NnH, -COOH) 氢键缔合的影响
29
谱学知识介绍
1H-NMR化学位移总结： NMR化学位移总结 化学位移总结：
sp3杂化碳上的质子化学位移范围： 杂化碳上的质子化学位移范围： 烷烃类化合物： 烷烃类化合物：δ～1 与双键相连： 与双键相连：δ～2 与O相连：δ～＜4 相连： ～＜4 与N相连：δ～3（由于N的电四极矩效应，使与之连接的碳 相连： 由于N的电四极矩效应， 上的质子信号变宽） 上的质子信号变宽） 与芳环相连：δ2.3～2.9 与芳环相连：δ2.3～ 与羰基相连：δ2.0～2.2 与羰基相连：δ2.0～
•C=X基团 （X=C、O、N、S） 基团 、 、 、 ） HC CH δ =1.8 •三键 三键
下面这图是什么意思？ 下面这图是什么意思？为什 么正的分布在那里？ 么正的分布在那里？
H - C H + + C H H + H R - C + O C + + C -
24
C H C C
C C C H
∆E=2µH0 µ
∆E′=hν ′ ν
∆E= ∆E′ ′
核磁共振所需辐射频率：ν=(2µ/h)H0
14
∆E=2µH0 µ
∆E′=hν ′ ν
∆E= ∆E′ ′
H0=hν/2µ ν µ
15
屏蔽效应及能级跃迁
以氢核为例，实受磁场强度： 以氢核为例，实受磁场强度：
HN= H0(1- σ)
σ为屏蔽常数，表示电子屏 为屏蔽常数， 蔽效应的大小。 蔽效应的大小。其数值取决 于核外电子云密度， 于核外电子云密度，而电子 云密度与氢核所处的化学环 境有关。 境有关。
亚甲基 δ 1.20～1.40 ～
次甲基 δ δ 1.40～1.65 ～
Hb
+
3 5 4 2 1 6
Ha
-
Ha比Hb的化学位移数值稍大， 处于低场。
环己烷构象中平伏键受到的屏蔽效应26Leabharlann （2）氢核交换对化学位移的影响
等活泼氢可在分子间相互交换。 分子中的-OH、-COOH、-NH2等活泼氢可在分子间相互交换。 、 分子中的 、 RCOOHa+ HOHb RCOOHb + HOHa 信号的位置与溶液中羧酸和水的摩尔比有关。 信号的位置与溶液中羧酸和水的摩尔比有关。 δ观察 观察=Na×δa+Nb×δb 观察 × × 当体系中存在多种活泼氢时， 当体系中存在多种活泼氢时，同样也只能观测到一个平均的活泼氢信 号。 ROH + DOD = ROD + HOD
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0 (δ)
低磁场 去屏蔽
高磁场 屏蔽
18
不同类型氢核共振峰所处的大致位置
CH3COCH3
C6H6
CHO
TMS
C6H12
ppm 10
9