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。
1.什么是核磁共振？实现核磁共振的条件是什么？答：核磁共振基于磁性原子核（I>0）在外磁场中发生磁能及裂分（核自旋取向
不同），进而在射频场作用下使核自旋吸收射频能量在磁能及间跃迁而产生核
磁共振信号。实现核磁共振的条件是要满足射频场的能量（hν）与磁能间能量差
（ΔE）相等。即hν=ΔE=(γh/2π)H0,射频场频率满足ν=(γ/2π)H0 （其中，γ为原子
核的旋磁比，H0为外磁场强度）。
2.何谓化学位移？影响化学位移的因素有哪些？答：化学位移是指由于原子核外电子环流产生的感生磁场对外磁场的屏蔽（对
抗）效应，导致原子核感受到的磁场强度发生变化从而共振条件发生变化。这种
由于核外“化学环境”的变化导致共振频率发生变化（位移）的现象被称为化
学位移。影响化学位移的因素主要有：电子效应（诱导、共轭），磁各向异性效
应、氢键及溶剂影响等。
3.何谓自旋偶合和自旋裂分？它有什么重要性？答：核自旋受相邻核外电子环流产生的感生磁场的影响导致共振频率发生变化称为自旋偶合。由于自旋偶合导致谱线进一步产生的精细裂分称为自旋裂分。对
于简单的自旋体系（一级谱）自旋裂分符合n+1规则，因此可以据此判断相邻
基团上H的数目或基团的类型，从而获得分子的结构特征。
4.什么是化学等同和磁等同？试举例说明？答：在某一分子中化学为完全相同的一组核称为化学等价核（化学等同）。分子
中化学等价的一组核，它们中的每一个核对另外一组中每一个核的偶合常数也
相同，则称它们为磁等价核（磁等同）。例如，CH2F2分子中的两个H为化学等
同也是磁等同，同样两个F是化学等同也是磁等同；CH2C=CF2分子中两个H
为化学等同但非磁等同，同样两个F也是化学等同但非磁等同。
5.下图为某化合物的NMR波谱（见图9-54），确定它是下列化合物中的哪一
个，为什么？
答：（4）δ4.2的四重峰及δ1.2的三重峰说明结构中存在-CH2CH3单元，且连接于酯氧
端，即RCOO-CH2CH3，只有（4）吻合。而且验证（4）中其他基团的化学位移
一． 概 述
核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。核磁共振是指原子核在静磁场作用下，对固定频率电磁波进行吸收而在分裂后的能级之间产生共振跃迁的物理现象。NMR是由磁性核受幅射发生跃迁所形成的吸收光谱。研究最多、应用最广的是1H核的NMR，可用PMR或1H NMR表示。
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫和哈佛大学珀塞尔各自独立发现，两人因此获得1952年的诺贝尔物理学奖。1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系。1953年 Varian公司试制了第一台NMR仪器。
近二十多年发展：
高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率；
脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定；
计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。
二．基本原理
1.原子核的自旋： 原子核是具有一定质量的带正电的粒子——具有自旋现象,自旋时产生核磁矩。
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
