核磁共振谱图解析

- 1 - 核磁谱图解析例题

核磁谱图是一种极其重要的化学技术，对于各式各样的化学分析都有帮助。可以用来识别和鉴别物质，探测化学反应过程和结构，分析复杂的有机、无机和蛋白质结构。核磁谱图解析可以帮助我们深入理解化学反应，研究有机物质的加工、形成及其在体内的代谢过程。

核磁谱图解析主要包括核磁共振谱、氢谱、氧谱等多种谱图，依据不同的氢谱特征可以控制不同的化合物。核磁谱图解析需要结合原子比例、氢谱特征、极化效应、共振频率等多种参数，解释谱图中的信息，从而确定化合物的结构。

本文将以一道核磁谱图解析例题为基础，介绍核磁谱图解析的基本流程以及如何实现此项技术。

例题：有一种物质，核磁谱图与下表相符。

PPT指数状碳化效果(ppt) 56串碳 3.6 44碳 4.3

核磁谱图解析要求按照一定步骤进行，第一步要理解谱图中的各个碳核信号，即什么是碳核峰、氢核峰、氧核峰及其极化效应。对于本题，根据谱图结果，应该有两个碳核峰。一个是链状碳，ppt指数为56，极化效应为3.6；另一个是辅碳，ppt指数为44，极化效应为4.3。

第二步，要确定不同碳核的具体安排，例如，链状碳可能安排在键中间，辅碳可能安排在键边，或者分子上其他位置。对于本题，应该有三种可能性：1）链状碳在键中间，辅碳在键边；2）链状碳在键边，辅碳在键中间；3）链状碳和辅碳都在键边。 - 2 - 第三步，要在不同可能性中分析出最可能存在的结构。该分析主要依据氢谱图，它可以提供关于分子结构的有用信息，有助于确定分子的拓扑结构和碳链的安排。例如，可以根据氢谱图确定特定碳核的位置、共价键的次序、氢离子的数量、链式碳的数量等。对于本题，应该考虑到链状碳极化效应较高，且链状碳可能在键中间，所以可能是链状碳安排在键中间，辅碳在键边的情况。

第四步，确定一种最可能的结构，要综合考虑氢谱图、极化效应和共振频率等更多信息，确定最终的结构。对于本题，应该根据极化效应和其他参数确定最有可能的结构，即链状碳安排在键中间，辅碳在键边的情况。

教学目标：了解核磁共振的原理，在有机化合物结构表征中的应用。

教学重点：能解析简单的H-NMR谱图

教学安排: A2—>D4—>D5；100min

具有奇数原子序数或原子质量的元素，如1H、13C、15N、17O、27A1、31P等原子在磁场中、适宜频率的无线电波幅射下会发生共振现象，称为核磁共振。（又写作NMR,nuclear maganetic

resonanal）。如果是氢原子共振称为氢核磁共振（1H-NMR），如果是13C共振称为13C一核磁共振（13C-NMR）。所得的谱图常称为氢谱和碳谱。1H-NMR能给出分子中H和C的数目以及H的化学环境，故是表征有机化合物的重要工具，普遍被应用。这里主要介绍1H-NMR。

一、基本原理

1．原子核的自旋

质子与电子一样，是自旋的。有自旋量子数+1/2和-1/2 两个自旋态，其能量相等，处于两个自旋态的几率相等。自旋时产生的自旋磁场的方向与自旋轴重合。在外磁场H0作用下，两个自旋态能量是不再相等。能量低的是自旋磁场与外磁场同向平行，能量高的是自旋磁场与外磁场逆相平行。两种自旋态的能量差△E随着外磁场强度增加而变大。

2．核磁共振的条件

在外磁场中，质子受到电磁波（无线电波）幅射，只要电磁波的频率能满足两个相邻自旋态能级间的能量差△E，质子就由低自旋态迁跃到高自旋态，发生核磁共振。质子共振需要的电磁波的频率与外磁场强度成正比。

实现共振有两种方法：

①固定外磁场强度H0不变，改变电磁波频率ν ，为扫频。

②固定电磁波频率ν 不变，改变磁场强度H0，称为扫场。

两种方式的共振仪得到的谱图相同，实验室多数采用后一种，如60MHz，100MHz，400MHz就是指电磁波频率。

3．核磁共振仪的构造及操作

核磁共振仪由可变磁场，电磁波发生器，电磁波接收器，样品管等部分组成，如下面图:

样品放在两块大电磁铁中间，用固定的无线电波照射，在扫描线圈中通直流电，产生微小的磁场，使总的外磁场逐渐增加。当磁场达到H01时，试样的一种质子发生共振。信号经放大记录，并绘制出核磁共振谱图,如上右图。

核磁共振波谱解析的主要参数

1. 化学位移（Chemical Shift）

化学位移是核磁共振谱上信号相对于参比物的位置。它是由核磁共振体系中不同核的环境所决定的。化学位移的测量可以提供化学组成、 分子结构等信息。在核磁共振谱图上，化学位移以ppm（parts per

million）为单位来表示。常用参比物有TMS（二甲基硅烷），其化学位移 定为0 ppm。

2. 积分强度（Integral Intensity）

积分强度是指核磁共振谱上信号的峰面积，它与信号分子的数量成正比。通过测量积分强度可以计算出各个组分在样品中的相对含量。积分强度是定量分析的重要参数。

3. 耦合常数（Coupling Constants）

耦合常数是指核磁共振谱上两个磁共振峰的距离，即两个信号的分裂程度。耦合常数的测量可以提供关于分子之间相互作用的信息，包括分子的平面结构、键长等。耦合常数的大小和形态可以帮助研究分子的化学性质。

4. 旋转速率（Spin-Spin Relaxation Time）

旋转速率(T2)是指核磁共振谱上信号的半高宽（FWHM），它反映了样品中分子之间的自旋-自旋耦合强度。旋转速率的测量可以为表征样品的物理性质（如分子流动速度、粘滞效应等）提供重要的信息。

5. 解析峰形（Line Shape） 解析峰形是指核磁共振谱上信号的峰形状，通常为高斯型或洛伦兹型。解析峰形的位置和形状可以提供信号的分辨率和灵敏性。不同的峰形对信号参数的解析有不同的影响。

6. 离域效应（Chemical Exchange）

核磁共振谱解析还可以通过观察离域效应来获取关于分子间和分子内动力学过程的信息。离域效应是指分子或官能团中的动态过程对核磁共振信号的影响。可以通过观察峰形的形变、峰的强度、位置和化学位移的变化来分析离域效应。

总之，核磁共振波谱解析的主要参数包括化学位移、积分强度、耦合常数、旋转速率、解析峰形和离域效应。这些参数的测量和解析可以提供分子结构、组成、动力学等信息，对于化学、生物、材料等领域的研究具有重要的意义。

１０２　Ｎ。．４　Ｊｕ１．２０１７　分析仪器Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｉｎｓｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　２０１７年第４期　

浅谈一维核磁共振谱图的解析方法　

梁向晖毛秋平钟伟强　（华南理工大学化学与化工学院，广州５１０６４０）　

摘要：核磁共振波谱仪的广泛应用，使得大量的复杂化合物的结构得以鉴定，推动了整个有机化学向前飞速　发展。如何对核磁共振谱图进行解析对初学者而言是一个难点，本文简述了一维核磁共振谱图（１Ｄ－ＮＭＲ）的解析　方法，并通过一个实例进行说明，以帮助初学者尽快地熟悉解析核磁共振谱图的方法。　关键词：核磁共振解析方法　１Ｄ－ＮＭＲ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—２３２ｘ．２０１７．０４．０１９　

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｓｐｅｃｔｒａ．Ｌｉｎｇ　Ｘｉａｎｇｈｕｉ，　

Ｍａｏ　Ｑｉｕｐｉｎｇ，Ｚｈｏｎｇ　Ｗｅｉｑｉａｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ＮＭＲ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｎｄ　ａｎ　ｅｌｋ—　ａｍｐｌｅ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ｔｏ　ｈｅｌｐ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉｎｎｅｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｕｃｌｅａｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ；１　Ｄ—ＮＭＲ　

１　引言　

１９３９年，物理学家伊西多・拉比（Ｉｓｉｄｏｒ　Ｒａｂｉ）　

发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反　

向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的