(完整版)第三章 核磁共振波谱法
1 第三章 核磁共振波谱法
核磁共振（NMR）现象的发现
1945 年，Stanford 大学F。 Bloch （波塞尔）领导的研究小组和Harvard 大学E. M. Purcell
（布洛赫)领导的研究小组几乎同时发现了核磁共振 （Nuclear Magnetic Resonance， NMR）现象，他们分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号。
对NMR 作出贡献的12位Nobel得主
他们二人因此获得1952 年诺贝尔物理学奖.
Richard R。 Ernst
唯一一位因为在核磁共振方面的突出贡献获而得Nobel化学奖的科学家。
应用领域广泛
今天,核磁共振已成为鉴定有机化合物结构及研究化学动力学等的极为重要的方法。在有机化学、生物化学、药物化学、物理化学、无机化学及多种工业部门中得到广泛的应用.另外,核磁共振成像技术已经普遍应用于临床。
【基本要求】
理解核磁共振谱的基本原理，基本概念和常用术语
掌握核磁共振谱与有机化合物分子结构之间的关系
掌握运用核磁共振谱解析分子结构的方法
【重点难点】
核磁共振谱与有机化合物分子结构之间的关系
核磁共振谱解析分子结构的方法
§1 核磁共振的基本原理
1。1 原子核的自旋和自旋磁矩
量子力学和实验都证明原子核的自旋运动与自旋量子数I 有关，而自旋量子数I 取决于原(完整版)第三章 核磁共振波谱法
2 子的质量数(A）和原子序数(Z）：
原子核是由中子与质子组成。质子与中子数为偶数的核,其自旋量子数I=0,没有自旋运动,例如12C、18O、32S等核。质子数与中子数其中之一为奇数I≠0,具有自旋现象,例如1H、13C、19F、31P、14N、35Cl等核.(质子数=核电荷数=原子序数）
自旋量子数I ≠ 0 的原子核都有自旋运动，并且核带有一定的正电荷.这些电荷也围绕着自旋轴旋转，从而产生循环电流，循环电流就会产生磁场.因此凡是I ≠ 0的原子核都会产生磁矩。其自旋磁矩 μ = γ P.μ是一个矢量，其方向与自旋轴重合；γ为磁旋比，代表磁核的性质，是核的特征常数。如,1H核的γ值为26。7519×107 T—1s—1(每秒特斯拉，磁感应强度B的单位为特斯拉（T））；13C核的γ值为6。7283×107 T-1s-1。P为自旋角动量为：
1 核磁共振波谱法
一、概述
早在1924年Pauli就预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可
以发生能级的分裂。1946年美国科学家布洛赫(Bloch，斯坦福大学)和珀塞尔（Purcell，
哈佛大学）分别发现在射频区（频率0.1～100MHz,波长1～1000m）的电磁波能与暴
露在强磁场中的磁性原子核(或称磁性核或自旋核)相互作用,引起磁性原子核在外磁
场中发生核自旋能级的共振跃迁,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸
收称为核磁共振(nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR)，他们也因此分享了
1952年的诺贝尔物理奖。所产生的波谱，叫核磁共振（波）谱。通过研究核磁共振波
谱获得相关信息的方法，称为核磁共振波谱法。
NMR和红外光谱、紫外—可见光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后发生能级
上的跃迁，但引起核磁共振的电磁波能量很低,不会引起振动或转动能级跃迁,更不会
引起电子能级跃迁。.
1949年，Kight第一次发现了化学环境对核磁共振信号的影响，并发现了信号与
化合物结构有一定的关系。而1951年Arnold等人也发现了乙醇分子由三组峰组成，
共振吸收频率随不同基团而异，揭开了核磁共振与化学结构的关系。
1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1956年，曾在Block实
验室工作的Varian制造出第一台高分辩率的仪器，从此，核磁共振波谱法成了化学
家研究化合物的有力工具，并逐步扩大其应用领域。 七十年代以后，由于科学技术
的发展，科学仪器的精密化、自动化，核磁共振波谱法得到迅速发展，在许多领域中
已得到广泛应用，特别在有机化学、生物化学领域中的研究和应用发挥着巨大的作用。
八十年代以来，又不断出现新仪器，如高强磁场的超导核磁共振波谱仪，脉冲傅里叶
变换核磁共振波谱仪，大大提高灵敏度和分辨率，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的采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起
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。
1 第三章 核磁共振波谱法
核磁共振（NMR）现象的发现
1945 年，Stanford 大学F. Bloch （波塞尔）领导的研究小组和Harvard 大学E. M. Purcell （布洛赫）领导的研究小组几乎同时发现了核磁共振 (Nuclear
Magnetic Resonance, NMR)现象，他们分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号。
对NMR 作出贡献的12位Nobel得主
他们二人因此获得1952 年诺贝尔物理学奖。
Richard R. Ernst
唯一一位因为在核磁共振方面的突出贡献获而得Nobel化学奖的科学家.
应用领域广泛
今天，核磁共振已成为鉴定有机化合物结构及研究化学动力学等的极为重要的方法。在有机化学、生物化学、药物化学、物理化学、无机化学及多种工业部门中得到广泛的应用。另外，核磁共振成像技术已经普遍应用于临床。
【基本要求】
理解核磁共振谱的基本原理，基本概念和常用术语
掌握核磁共振谱与有机化合物分子结构之间的关系
掌握运用核磁共振谱解析分子结构的方法
【重点难点】
核磁共振谱与有机化合物分子结构之间的关系
核磁共振谱解析分子结构的方法
§1 核磁共振的基本原理
1.1 原子核的自旋和自旋磁矩
量子力学和实验都证明原子核的自旋运动与自旋量子数I 有关，而自旋量子数I 取决于原子的质量数(A)和原子序数(Z)： 2
原子核是由中子与质子组成。质子与中子数为偶数的核，其自旋量子数I=0，没有自旋运动，例如12C、18O、32S等核。质子数与中子数其中之一为奇数I≠0，具有自旋现象，例如1H、13C、19F、31P、14N、35Cl等核。（质子数=核电荷数=原子序数）
自旋量子数I ≠ 0 的原子核都有自旋运动，并且核带有一定的正电荷。这些电荷也围绕着自旋轴旋转，从而产生循环电流，循环电流就会产生磁场。因此凡是I ≠ 0的原子核都会产生磁矩。其自旋磁矩 μ = γ P。μ是一个矢量，其方向与自旋轴重合；γ为磁旋比，代表磁核的性质，是核的特征常数。如，1H核的γ值为26.7519×107 T-1s-1（每秒特斯拉，磁感应强度B的单位为特斯拉（T））；13C核的γ值为6.7283×107 T-1s-1。P为自旋角动量为：
