(精选)第12章 核磁共振波谱法
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《核磁共振波谱法》PPT课件
采样间隔
扫描次数
选择适当的采样间隔，以确保谱图的准确 性和分辨率。
增加扫描次数可以提高谱图的信噪比，但 也会增加实验时间。因此，需要权衡信噪 比和实验时间，选择适当的扫描次数。
定性分析与定量分析
定性分析
通过比较已知样品和未知样品的NMR谱图，确定未知样品的组成和结构。
定量分析
通过测量样品中不同组分的峰面积或峰高，计算各组分的含量。需要建立标准 曲线或使用内标法进行定量分析。
样品稳定性
确保样品在NMR实验过程中保 持稳定，避免由于化学变化导 致谱图失真。
样品溶剂
选择适当的溶剂，以保证样品 的溶解和稳定性，同时避免对
NMR谱图产生干扰。
实验参数的选择与优化
磁场强度
脉冲宽度
根据实验需求选择适当的磁场强度，以提 高检测灵敏度和分辨率。
选择合适的脉冲宽度，以获得最佳的信号 强度和分辨率。
《核磁共振波谱法》ppt课件
汇报人：可编辑 2024-01-11
目录
• 核磁共振波谱法概述 • 核磁共振波谱法的基本原理 • 核磁共振波谱仪 • 核磁共振波谱法的实验技术 • 核磁共振波谱法的应用实例
01
核磁共振波谱法概述
定义与原理
定义
核磁共振波谱法是一种利用核磁共振现象进行物质结构和动力学研究的分析方法 。
化学位移是由于不同化学环境中的原子核受到不 同程度的磁场扰动，导致其能级分裂的差异。
通过测量化学位移，可以推断出原子核所处的化 学环境，进而确定分子的结构。
耦合与裂分
当两个或多个相邻的原子核相互作用 时，它们之间的能级会发生耦合，导 致谱线裂分。
通过分析裂分的谱线，可以进一步解 析分子内部的相互作用和结构信息。
武汉大学《分析化学》(第5版)(下册)章节题库(核磁共振波谱法) 【圣才出品】
第12章 核磁共振波谱法一、选择题1．下列化合物在NMR 谱图上峰组数目最少的是（ ）。
A ．（CH 3）2CHCH 2OHB ．CH 3CH 2CH 2OHC ．HOH 2CH 2OH【答案】C【解析】A 为4组；B 为4组；C 为2组；D 为3组。
2．关于NMR 氢谱，下面叙述不正确的是（ ）。
A ．NMR 氢谱可以给出质子的类型和化学环境B ．NMR 氢谱可以给出质子的分布C ．NMR 氢谱可以给出质子间的相互关系D ．NMR 氢谱可以鉴别化学环境相似的烷烃【答案】D【解析】A 项，通过化学位移，可以确定质子类型和所处的化学环境；B 项，通过比较积分高度，可以判断质子的分布；C 项，通过峰耦合和分裂可以给出质子间的相互关系；D 项，不能鉴别化学环境相似的烷烃。
3．下列化合物在H 1-NMR 谱图上峰组数目最多的是（ ）。
32B．CH3CH2CH2OHC．HOCH2CH2CH2OHD．【答案】B【解析】A为3组峰；B为4组峰；C为3绢蝰：D为3组峰。
4．磁各向异性效应使质子的化学位移值（）。
A．不改变B．变大C．变小D．变大或变小【答案】D【解析】磁各向异性是化学键，尤其是π键产生的感应磁场，其强度及正负具有方向性，使在分子中所处的空间位置不同的质子所受的屏蔽作用不同的现象。
处于正屏蔽区的质子其化学位移值降低，处于负屏蔽区的质子其化学位移值增大。
5．化学位移是由于核外电子云的（）所引起的共振时磁场强度的移动现象。
A．屏蔽作用B．能级裂分C．自旋耦合【答案】A6．射频区的电磁辐射的能量相当于（）。
A．核能级的跃迁B．核自旋能级的跃迁C．内层电子的跃迁D．电子自旋能级的跃迁【答案】B7．在下列化合物中质子化学位移（δ）最大者是（）。
【答案】D【解析】化学位移值与相邻原子的电负性的大小有关，相邻原子的电负性越大，吸电子效应越大，质子核外的电子云密度越小，屏蔽作用越小，化学位移值δ越大。
上述四种甲烷及其卤代物中，F的电负性最大，所以氟代甲烷的质子化学位移值δ最大。
第12章 核磁共振波谱法
• 该法的缺点是： • 固有的灵敏度比较低，但现代高级精密 的仪器可以使灵敏度极大提高 • 实际上不能用于固体的测定 • 仪器比较昂贵，工作环境要求比较苛刻， 因而影响了其应用的普及性
§12-1基本原理
一、核的自旋运动 • 原子核绕着某一个轴自身作旋转运动，称为核 的自旋运动 • 有自旋现象的原子核，具有自旋角动量（P） • 原子核是带正电粒子，在自旋时产生磁矩μ， 其方向可用右手定则确定 • 磁矩μ和角动量P都是矢量，方向相互平行，且 磁矩随角动量的增加呈正比地增加
• 核磁共振波谱法是结构分析最强有力的 手段之一，因为它把有机化合物最常见 的组成元素氢(氢谱)或碳(碳谱)等作为 “生色团”来使用，因此它可能确定几 乎所有常见官能团的环境，有的是其它 光谱或分析法所不能判断的环境，NMR 法谱图的直观性强，特别是碳谱能直接 反映出分子的骨架，谱图解释较为容易
• 有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢 谱外，还有碳谱、氟谱、磷谱等)，因此， 扩大了应用范围，各种谱之间还可以互 相印证 • 可以进行定量测定，因而也可以用于跟 踪化学反应的进程，研究反应机理，还 可以求得某些化学过程的动力和热力学 参数
1 ( B0 ) m E 1 B0 2 B0 1 I 2 2 1 ( B0 ) m E 1 B0 2 B0 1 I 2 2
• 低能态（m=+1/2），核磁矩方向与外磁 场同向 • 高能态(m=-1/2)，核磁矩与外磁方向相反 • 其能量差为： • △E=E-1/2-E+1/2=2μβB0
I 1/2 1 3/2 0 1/2 1 0 5/2 1/2 1/2
· S－ 1 · 10－ 8 ) 2.675 0.4102 0.8583 0 0.6721 0.1931 0 -0.3625 2.5236 1.083
核磁共振波谱法.ppt
(T 1 s1 T )
100 MHz
背景知识：磁感应强度，单位：特斯拉 T
永磁铁：0.4-0.7 T
F
变压器铁芯：0.8-1.4 T
H 超导强电流:几十 T
0
l I 地面：0.510-4 T
09:12:44
共振条件讨论：
2
H0
（1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率
(2) I=1 或 正整数的原子核: 2H1，14N7 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: I = 3/2： I = 5/2：
09:12:44
1H1，13C6，19F9，31P15 11B5，35Cl17，79Br35， 17O8，127I
E
zH0
m
h
2
H0
09:12:44
1H :
E1
1
2
h
2
H0,
E 1
1
2
h
2
H0
2
2
E
h
2
H0
由能级分裂现象说明，高场强仪器比低场强仪器测 得的核磁共振信号清晰。
09:12:44
回旋 轴
（二）原子核的共振吸收
1、原子核的进动
当带正电荷的、且具有自旋量子数的
核绕自旋轴旋转时则会产生磁场，当
这个自旋核置于外磁场中时，该核的
自旋磁场与外加磁场相互作用，将会
产生回旋（摇头旋转），这种回旋称
为进动 。进动频率 与外加磁场关
系可用 表示：
Larmor
第十二章 核磁共振波谱分析
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。
12 核磁共振波谱法
概论
NMR是结构分析的重要工具之一，在化 学、生物、医学、临床等研究工作中得 到了广泛的应用。 分析测定时，样品不会受到破坏，属于 无破损分析方法
12.1核磁共振基本原理
12.1.1 原子核的自旋和磁矩
原子核具有质量并带正 电荷，大多数核有自旋现象， 在自旋时产生磁矩，磁矩的 方向可用右手定则确定，核 磁矩和核自旋角动量P都是 矢量，方向相互平行，且磁 矩随角动量的增加成正比地 增加 =P
第12章 核磁共振波谱法
概论
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H核共振的原理及应用
12.2.2 化学位移的定义
2μ B h
hν 2 B0 1 σ ） B μ （ 0 2 (1 σ ) μ h
B0 1 σ ） （ 2
B 把B B0 (1 ）代入得 2
2ν B0 (1 σ )
由于氢核具有不同的屏蔽常数σ，引起外磁场或 共振频率的移动，这种现象称为化学位移。固定 照射频率, σ大的原子出现在高磁场处, σ小的原子 出现在低磁场处
概论 与紫外、红外比较
共同点都是吸收光谱 紫外-可见 红外 核磁共振
吸收 能量
无线电波 紫外可见 1~100m波长 红外光 光 最长，能量最 780nm~10 小,不能发生 200~780n 00m 电子振动转动 m 能级跃迁 电子能级 跃迁 振动能级 自旋原子核发 跃迁 生能级跃迁
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）
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。
CD3COCD3 CDCl3 CD2Cl2 CD3CN C6D6 D2O (CD3CD2)2O (CD3)2O (CD3)2NCDO CD3SOCD3 CD3CD2OD CD3OD C4D8O C6D5CD3 C5D5N C6H12
核磁共振波谱主要参数
用于结构分析的主要参数有化学位移， 自旋偶合常数，信号强度（峰面积）。
第十二章 核磁共振波谱法优秀课件
如何避免饱和？——让高能级的核回到低能级（弛豫）， 且弛豫的速度比激发跃迁的速度快，至少一样快
弛豫的方式 （1）发射辐射：几乎不可能 （2）非辐射弛豫：主要方式 A、自旋-晶格弛豫（spin-lattice or longitudinal relaxation)
核自旋体系将能量传递给周围环境 B、自旋-自旋弛豫（spin-spin or transverse relaxation)
Nj/N0=exp(-γhB0 /2πkT)
例题：计算当质子处于B0=4.69 T的磁场中时高能级和低能
级的数目之比，温度为20 oC。
Nj exp( E)exp( hB0 )
N0
kT
2kT
Nj N0
2.6 81 08T1 s1 6.6 31 034J s4.6 9T exp( 23.141.381023JK1293K
和标准的共振频率（分别为νｘ和νｓ ），以两共振频率的差 值同所用仪器的射频频率ν０的比值来表示化学位移δ
δ＝ （ νｘ －νｓ ）／ ν０×１０６ （ｐｐｍ） 扫场模式： δ＝ （Ｂｘ－Ｂｓ）／ Ｂ０ ×１０６（ｐｐｍ） δ与仪器的频率无关： 如：１１２－三氯丙烷甲基质子：２.２３ｐｐｍ
（4）以谁为参考标准？ 最佳选择：没有任何化学位移的氢核——不可能 选择ＴＭＳ（四甲基硅烷）
主要内容
第一节 概述 第二节 核磁共振的基本原理 第三节 化学位移与其影响因素 第四节 自旋耦合与自旋裂分 第五节 核磁共振波谱仪 第六节 核磁共振波谱法的应用
第一节
概述
核磁共振波谱法是一种基于测量物质对电磁辐射吸收的分 析方法。
（1）与紫外-可见光谱法和红外光谱法原理相似，都是基 于物质对电磁辐射的吸收的测量方法；
弛豫的方式 （1）发射辐射：几乎不可能 （2）非辐射弛豫：主要方式 A、自旋-晶格弛豫（spin-lattice or longitudinal relaxation)
核自旋体系将能量传递给周围环境 B、自旋-自旋弛豫（spin-spin or transverse relaxation)
Nj/N0=exp(-γhB0 /2πkT)
例题：计算当质子处于B0=4.69 T的磁场中时高能级和低能
级的数目之比，温度为20 oC。
Nj exp( E)exp( hB0 )
N0
kT
2kT
Nj N0
2.6 81 08T1 s1 6.6 31 034J s4.6 9T exp( 23.141.381023JK1293K
和标准的共振频率（分别为νｘ和νｓ ），以两共振频率的差 值同所用仪器的射频频率ν０的比值来表示化学位移δ
δ＝ （ νｘ －νｓ ）／ ν０×１０６ （ｐｐｍ） 扫场模式： δ＝ （Ｂｘ－Ｂｓ）／ Ｂ０ ×１０６（ｐｐｍ） δ与仪器的频率无关： 如：１１２－三氯丙烷甲基质子：２.２３ｐｐｍ
（4）以谁为参考标准？ 最佳选择：没有任何化学位移的氢核——不可能 选择ＴＭＳ（四甲基硅烷）
主要内容
第一节 概述 第二节 核磁共振的基本原理 第三节 化学位移与其影响因素 第四节 自旋耦合与自旋裂分 第五节 核磁共振波谱仪 第六节 核磁共振波谱法的应用
第一节
概述
核磁共振波谱法是一种基于测量物质对电磁辐射吸收的分 析方法。
（1）与紫外-可见光谱法和红外光谱法原理相似，都是基 于物质对电磁辐射的吸收的测量方法；
核磁共振波谱法
第12章 核磁共振波谱法
(Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry)
环境仪器分析
12 核磁共振波谱法 12.1 概述
将能够通过自旋运动产生磁矩的原子核放入磁 场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能 量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共 振信号，得到核磁共振谱，这种方法称为核磁 共振波谱法。
,17
O8
12C6 ,16O8 ,32S16
偶数
奇数
1，2，3…… I 1,2H1,14N 7 , I 3,10B5
环境仪器分析
12 核磁共振波谱法 12.2 核磁共振波谱法的基本原理
②自旋核在外加磁场中的取向(旋转方向)
取向数 = 2 I + 1
在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的,并且自旋产生的磁 场方向也是任意的。 如:H的I=1/2,则:
磁场强度2.3488 T；25C；1H 的共振频率与分配比：
共振频率
2
B0
2.68 108 2.3488 100.00MHz
2 3.24
Ni Nj
exp
6.626 1034 1.38066
100.00 106 1023 298
J J
s K
s1 1 K
0.999984
两能级上核数目差：1.610-5； 弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。
动量(ρ)和磁矩μ
如果放在外磁场中,
旋进轨道
自旋轴
自旋的质子
H0
环境仪器分析
12 核磁共振波谱法 12.2 核磁共振波谱法的基本原理
核的自旋角动量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可 用自旋量子数(I)来描述。
(Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry)
环境仪器分析
12 核磁共振波谱法 12.1 概述
将能够通过自旋运动产生磁矩的原子核放入磁 场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能 量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共 振信号，得到核磁共振谱，这种方法称为核磁 共振波谱法。
,17
O8
12C6 ,16O8 ,32S16
偶数
奇数
1，2，3…… I 1,2H1,14N 7 , I 3,10B5
环境仪器分析
12 核磁共振波谱法 12.2 核磁共振波谱法的基本原理
②自旋核在外加磁场中的取向(旋转方向)
取向数 = 2 I + 1
在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的,并且自旋产生的磁 场方向也是任意的。 如:H的I=1/2,则:
磁场强度2.3488 T；25C；1H 的共振频率与分配比：
共振频率
2
B0
2.68 108 2.3488 100.00MHz
2 3.24
Ni Nj
exp
6.626 1034 1.38066
100.00 106 1023 298
J J
s K
s1 1 K
0.999984
两能级上核数目差：1.610-5； 弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。
动量(ρ)和磁矩μ
如果放在外磁场中,
旋进轨道
自旋轴
自旋的质子
H0
环境仪器分析
12 核磁共振波谱法 12.2 核磁共振波谱法的基本原理
核的自旋角动量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可 用自旋量子数(I)来描述。
核磁共振波谱法
第二节
核磁共振波谱仪
3 ．射频信号接受器 （检测器）：当质子的 进动频率与辐射频率相 匹配时，发生能级跃迁， 吸收能量，在感应线圈 中产生毫伏级信号。
4．样品管：外径5mm的 玻璃管,测量过程中旋 转, 磁场作用均匀。
-OH TMS
-CH2
高分辨率NMR仪器
8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0
μ
+△ E
讨论:
产生共振条件： 0 = H0 / (2 ) =
（1）对于同一种核，磁旋比 为定值， H0变，射 频频率 0变。
氢核（1H）： 1.409 T
2.305 T
共振频率 60 MHz
共振频率 100 MHz
磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯） （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件 不同，需要的磁场强度H0和射频频率 0不同。
H0
m=I , I-1 ,I-2,….-I
2I+1个取向
如1H ， I=1/2 ，m=2I+1，磁量子数有2个取向。
对1H而言, 其核在外加磁场中有两个 自旋取向，即 m=+1/2，-1/2 m= -1/2, μ与外加磁
场方向相 反
H0 μZ
E
m=-1/2
μ H0=0
m=-1/2
△E
m=+1/2, μ
要求：了解P289 图14-11
小
结
1、化学位移值随着其邻近原子（或基团）的 电负性增强而增大。 2、烃基氢的值为芳环上氢 > 烯基氢 > 炔基氢 > 饱和碳原子上的氢。
3、饱和碳原子上的氢的值为3 > 2 > 1
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2
与紫外、红外比较
共同点都是吸收光谱
吸收 能量
紫外-可见
红外
核磁共振
无线电波
紫外可见 光
红外光 1~100m波长最 长，能量最小,
780nm~1000 不能发生电子
200~780nm
m
振动转动能级
跃迁
跃迁 类型
电子能级 振动能级跃 自旋原子核发
跃迁
迁
生能级跃迁
3
NMR是结构分析的重要工具之一，在化 学、生物、医学、临床等研究工作中得 到了广泛的应用。
当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
6
实践证明,核自旋与核的质量数,质 子数和中子数有关
质量数 为偶数
质量数 为偶数
质量数 为奇数
原子序 数为偶
数
原子序 数为奇
数
自旋量子 数为0
无自旋
12C6,32S16 ,16O8
自旋量子 数为1,2,3
有自旋
13
例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） 1H 的共振频率为
H 0 2.68108 1s1 4.69
2
2 3.14
2.0015108 s1 200.15 MHz
(1s1 1Hz)
放在外磁场 B0=2.35T =100MHz
分析测定时，样品不会受到破坏，属于 无破损分析方法
4
11.1核磁共振基本原理
一、原子核的磁性
原子核具有质量并带正
电荷，大多数核有自旋现象，
在自旋时产生磁矩，磁矩的
方向可用右手定则确定，核
磁矩和核自旋角动量P都是
矢量，方向相互平行，且磁
矩随角动量的增加成正比地
增加
=P
—磁旋比，不同的核具有不 同的磁旋比，对某元素是定值。 是磁性核的一个特征常数
I=1/2的氢核只有两种取向 I=1的核在B0中有三种取向
9
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
14N7
原子序 数为奇 或偶数
自旋量子
1H1, 13C6
数为 有自旋 19F9,31P15
1/2,3/2,5/2
7
I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布 于核表面,如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15
它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适 宜检测,目前研究和应用较多的是1H和 13C核磁共振谱
m h 2
I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频 的频率，即共振频率。
12
1 h 代入 2B0 得
2 2
h
0 2
产生核磁共振光谱的条件
（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说， 因磁矩为一定值，—为常数，所以发生 共振时，照射频率的大小取决于外磁场 强度的大小。外磁场强度增加时，为使 核发生共振，照射频率也相应增加；反 之，则减小。
N (
1
)
E
h
hB0
2 e kT e kT e 2kT
N(1)
2
16
当 的B1H0核= 数1.4之09比T为,温度为300K时,高能态和低能态
N(1) e 2
6.631034 J s2.68108 T 1s11.409T 23.141.381023 J K 1300K
10
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低 能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
△E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能 级分裂越大, △E越大 B0外加磁场
m= -1/2 E2= B0 无磁场
第11章 核磁共振波谱法
1
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，得到核磁共振谱
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，本章重点介绍H核共振的原理及应用
5
例 C1：3核H的原子C =6H.=732×.681×071T0-81T·S-1-·1S-1(特[斯拉]-1 ·秒-1)
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量 子数 I 的关系如下:
p h I (I 1) I可以为0，1 ，1，3，2等值
2
22
代入上式得: h I (I 1) （ = P） 2
14
(2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时
放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身 磁矩的大小, 大的核，发生共振所需的照射 频率也大；反之，则小。例：13C的共振频率 为:
c0 6.73 107 1s1 4.69
2
2 3.14
5.026 107 s1 50.26MHz
△E=2 B0
m= +1/2 E1= －B0
11
三、核磁共振
如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中 的核，且射频频率恰好满足下列关系时：
h =ΔE ΔE=2 B0
20
（核磁共振条件式） 自旋核的跃迁能量
h
磁性核
h =ΔE
高能级 低能级
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高 能态，这种现象叫做核磁共振现象。
8
二、自旋核在磁场中的行为
自旋核发生能级分裂， I=1/2的氢核分裂为两种能级
核自旋能级
把自旋核放在场强为B0的磁不同的取 向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示
m=I, I-1, I-2, ……-I
每种取向各对应一定能量状态
H 0 2.68108 1s1 4.69
2
2 3.14
2.0015108 s1 200.15 MHz
15
四、核自旋能级分布和驰豫
(一)核自旋能级分布
1H核在磁场作用下,被分裂为m=+1/2和m=-1/2 两个能级,处在低能态核和处于高能态核的分 布服从波尔兹曼分布定律
与紫外、红外比较
共同点都是吸收光谱
吸收 能量
紫外-可见
红外
核磁共振
无线电波
紫外可见 光
红外光 1~100m波长最 长，能量最小,
780nm~1000 不能发生电子
200~780nm
m
振动转动能级
跃迁
跃迁 类型
电子能级 振动能级跃 自旋原子核发
跃迁
迁
生能级跃迁
3
NMR是结构分析的重要工具之一，在化 学、生物、医学、临床等研究工作中得 到了广泛的应用。
当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
6
实践证明,核自旋与核的质量数,质 子数和中子数有关
质量数 为偶数
质量数 为偶数
质量数 为奇数
原子序 数为偶
数
原子序 数为奇
数
自旋量子 数为0
无自旋
12C6,32S16 ,16O8
自旋量子 数为1,2,3
有自旋
13
例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） 1H 的共振频率为
H 0 2.68108 1s1 4.69
2
2 3.14
2.0015108 s1 200.15 MHz
(1s1 1Hz)
放在外磁场 B0=2.35T =100MHz
分析测定时，样品不会受到破坏，属于 无破损分析方法
4
11.1核磁共振基本原理
一、原子核的磁性
原子核具有质量并带正
电荷，大多数核有自旋现象，
在自旋时产生磁矩，磁矩的
方向可用右手定则确定，核
磁矩和核自旋角动量P都是
矢量，方向相互平行，且磁
矩随角动量的增加成正比地
增加
=P
—磁旋比，不同的核具有不 同的磁旋比，对某元素是定值。 是磁性核的一个特征常数
I=1/2的氢核只有两种取向 I=1的核在B0中有三种取向
9
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
14N7
原子序 数为奇 或偶数
自旋量子
1H1, 13C6
数为 有自旋 19F9,31P15
1/2,3/2,5/2
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I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布 于核表面,如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15
它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适 宜检测,目前研究和应用较多的是1H和 13C核磁共振谱
m h 2
I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频 的频率，即共振频率。
12
1 h 代入 2B0 得
2 2
h
0 2
产生核磁共振光谱的条件
（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说， 因磁矩为一定值，—为常数，所以发生 共振时，照射频率的大小取决于外磁场 强度的大小。外磁场强度增加时，为使 核发生共振，照射频率也相应增加；反 之，则减小。
N (
1
)
E
h
hB0
2 e kT e kT e 2kT
N(1)
2
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当 的B1H0核= 数1.4之09比T为,温度为300K时,高能态和低能态
N(1) e 2
6.631034 J s2.68108 T 1s11.409T 23.141.381023 J K 1300K
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I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低 能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
△E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能 级分裂越大, △E越大 B0外加磁场
m= -1/2 E2= B0 无磁场
第11章 核磁共振波谱法
1
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，得到核磁共振谱
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，本章重点介绍H核共振的原理及应用
5
例 C1：3核H的原子C =6H.=732×.681×071T0-81T·S-1-·1S-1(特[斯拉]-1 ·秒-1)
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量 子数 I 的关系如下:
p h I (I 1) I可以为0，1 ，1，3，2等值
2
22
代入上式得: h I (I 1) （ = P） 2
14
(2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时
放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身 磁矩的大小, 大的核，发生共振所需的照射 频率也大；反之，则小。例：13C的共振频率 为:
c0 6.73 107 1s1 4.69
2
2 3.14
5.026 107 s1 50.26MHz
△E=2 B0
m= +1/2 E1= －B0
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三、核磁共振
如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中 的核，且射频频率恰好满足下列关系时：
h =ΔE ΔE=2 B0
20
（核磁共振条件式） 自旋核的跃迁能量
h
磁性核
h =ΔE
高能级 低能级
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高 能态，这种现象叫做核磁共振现象。
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二、自旋核在磁场中的行为
自旋核发生能级分裂， I=1/2的氢核分裂为两种能级
核自旋能级
把自旋核放在场强为B0的磁不同的取 向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示
m=I, I-1, I-2, ……-I
每种取向各对应一定能量状态
H 0 2.68108 1s1 4.69
2
2 3.14
2.0015108 s1 200.15 MHz
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四、核自旋能级分布和驰豫
(一)核自旋能级分布
1H核在磁场作用下,被分裂为m=+1/2和m=-1/2 两个能级,处在低能态核和处于高能态核的分 布服从波尔兹曼分布定律