29 核磁共振波谱分析
引 言
1945年，美国哈佛大学和斯坦福大学的几位学者，各自独立观察到一般状态下物质的核磁共振现象，1952年由此获得诺贝尔物理奖。1953年世界上第一台商品化NMR谱仪研制成功(30MHz)，1964年第一台超导磁体的NMR谱仪研制成(200MHz)，1976年Ernst等人确立了二维谱的理论基础，1991年Ernst教授因其在脉冲付立叶变换NMR和二维NMR方面的杰出贡献而获当年诺贝尔化学奖。2000年在900MHz谱仪上获得NMR谱图。
30MHz = 0.7T (泰斯勒tesla) = 7000高斯(Gauss)
200MHz = 4.7T = 47000高斯
400MHz = 9.4T = 94000高斯
10000高斯 = 1T
29 核磁共振谱仪的主要组成部分
1. 提供外磁场B0的磁铁
2. 产生射频场B1的谱仪部分
3. 用于控制及数据处理的计算机
三者构成一个整体——核磁共振谱仪
(1) 超导磁体—— 铌-钛合金绕成的螺管线圈，置于盛有液氦的超低温杜瓦瓶中，通过一定电流产生强磁场，在接近绝对零度的温度时，螺管线圈内阻几乎为零，成为超导体，消耗的功率也接近零，断绝电源后，超导电流仍保持循环流动，形成永久磁场。
(2) 波谱仪 射频发生器 N
探头 S
接收机 FID
NMR谱 数摸转换D/A FT 计算机 模数转换A/D
探头是NMR谱仪的心脏，样品管放置其中，探头绕有线圈，射频源作用于样品线圈，把共振时样品线圈发生的变化转交给接收机。
(3) 数据处理系统
FID－free inductione decay 自由感应衰减
核磁共振波谱法
核磁共振（NMR）波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级
间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。核磁共振波谱通过化学
位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现
的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。核磁
共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构
进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量
测定。
带正电荷的原子核在作自旋运动时，可产生磁场和角动量，其磁性用核磁矩µ表
示，角动量P的大小与自旋量子数I有关（核的质量数为奇数，I为半整数；核的质量
数为偶数，I为整数或0），其空间取向是量子化的；µ也是一个矢量，方向与P的方
向重合，空间取向也是量子化的，取决于磁量子数m的取值（m=I, I-1,……-I，共有
2I+1个数值）。对于1H、13C 等 I =1/2 的核，只有两种取向，对应于两个不同的能
量状态，粒子通过吸收或发射相应的能量在两个能级间跃迁。
当自旋量子数I≠0的磁核处于一个均匀的外磁场H0中时，磁核因受到磁场的作用
力而围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。这种运动方式称为
拉摩进动。原子核的进动频率由下式决定：
其中 γ 为旋磁比，是原子核的基本属性之一。不同原子核的 γ 值不同，其值越大，
核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。如果提供一个射频场，其 ν 满足：
其中 h 为普朗克常数，则：
即射频场的频率正好等于在磁场H0中的核进动频率，那么核就能吸收这一射频场的
能量，导致在两个能级间跃迁，产生核磁共振现象。
核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。低灵敏度的主要原因
是基态和激发态的能量差非常小，通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子（当
1
外磁场强度约为 2 T 时）。
核磁共振波谱仪
第十四章 核磁共振波谱法 - 经典习题
1．试对照结构指出图14-1上各个峰的归属。
解：δ1.2 三重峰 3H-CH2-CH3
δ2.0 单 峰 3H-CO-CH3
δ4.0 四重峰 2H-O-CH2-CH3
δ6.8～7.6 4H-C6H4-
δ9.8 单峰 1H-NH-
图14-1 例题1的1H-NMR谱
2．由下述1H-NMR图谱，进行波谱解析，给出未知物的分子结构及自旋系统。
（1）已知化合物的分子式为C4H10O，1H-NMR谱如图14-2所示。
图14-2 C4H10O的 1H-NMR谱
解：u=(2+2×4-10)/2=0
δ1.13 三重峰 6H -CH2-CH3（2个）
δ3.38 四重峰 4H -O-CH2-CH3（2个） 可能结构式为：CH3-CH2-O-CH2-CH3
自旋系统：2个A2X3
（2）已知化合物的分子式为C9H12，1H-NMR谱如图14-3所示。
图14-3 C9H12的 1H-NMR谱
解：u=(2+2×9-12)/2=4
δ1.22 二重峰 3H -CH-CH3
δ2.83 七重峰 1H -CH-(CH3)2
δ7.09 单 峰 5H C6H5-
可能结构式为：
自旋系统：A6X，A5
（3）已知化合物的分子式为C10H10Br2O，1H-NMR谱如图14-4所示。
图14-4 C10H10Br2O的 1H-NMR谱
解：u=(2+2×10-12)/2=5
δa 2.42 单峰 3H -CO-CH3
δb 4.88 双峰 1H
δc 5.33 双峰 1H
δd 7.35 单峰 5H C6H5-
可能结构式为：
自旋系统：A5、AB、A3
3．某化合物分子式为C8H12O4，NMR图谱如图14-6所示，δa=1.31（三重峰，）δb=4.19（四重峰），δc=6.71（单峰），Jab=7Hz，峰面积积分值比a:b:c=3:2:1，试推断其结构式。
核磁共振波谱法 目的与要求
核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）是一种用于研究物质的分子结构和化学性质的分析技术。它利用物质中原子核的磁共振现象来获取关于分子中原子核的信息。该技术广泛应用于有机化学、药物化学、生物化学等领域。
核磁共振波谱法的目的是通过测定样品的核磁共振谱图，获得关于样品中原子核种类、相对数量、结构以及它们之间的化学环境等信息。
核磁共振波谱法的要求包括：
1. 样品纯度：被测样品的纯度对核磁共振波谱的分析结果有很大影响。样品应尽量纯净，确保不会受到其他杂质的干扰。
2. 溶剂选择：通过溶解样品以提高其溶解度，并且在选择溶剂时要考虑溶剂的磁性，以避免对谱图的解释造成误导。
3. 参数设置：通过调整核磁共振实验中的参数，如脉冲序列、扫描时间等，可以优化信号强度和分辨率，从而得到更准确的谱图。
4. 仪器校准：核磁共振仪器的校准对于获得准确的波位和能量单位是非常重要的。仪器应定期进行校准，以确保结果的精确性和可靠性。
5. 数据分析：对获得的核磁共振波谱进行仔细的数据处理和分析，包括峰识别、积分、峰面积比较等，以获得关于样品结构和化学环境的详细信息。
总之，核磁共振波谱法的目的是通过测定并分析核磁共振谱图，获取样品中原子核的相关信息，并且在样品制备、参数设置、仪器校准和数据分析等方面要求细致和准确。
