图示：磁性核在外加磁场中的行为

图 1: (1) 无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(2) 放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场

方向 平行或反平行

图 2: (1) 无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2) 放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行

（高能量）两种，出现能量差 E=h 。

用能量等于 E 的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去 ( 或核自旋由与磁场平行方向转为反平行 ) ，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。

NMR 利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。

N

S

N

S

S

N

N

S

电磁波与不同种类核的作用

N

S

N

S

N

S

S

N

S

N

N

S不同频率

频率

强度

二、 NMR 发展简史

1924 年 Pauli W. 假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂

1952 年 Standford 大学的 Bloch 和 Harvard 大学的 Purcell 独立证实了上述假设。获 Nobel Prize

1953 年，第一台 NMR 仪器 FT-NMR 1991 年 ， Ernst 对高分辨核磁共振方法发展（获 Nobel Prize ） 2002 年 （生物大分子的核磁分析）

三、设计 NMR 仪器的关键考虑

a) NMR 产生的外因：外加磁场

b) NMR 信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定

c) 样品的吸收频率范围：无线电电磁波

d) NMR 谱记录：吸收峰频率 (化学位移）与峰强度的关系

第二节 核磁共振理论基础

一、 核磁共振的产生

1 、 磁性核和非磁性核

自旋角动量与磁矩磁矩

原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距 μ 。

磁距 μ 与自旋角动量 P 成正比，比例常数为 ：　　　　　　　　 　　

= P

称为磁旋比，是原子核的重要属性（见下页图）。

但是，不是所有的原子核都有磁性。

自旋量子数为 1/2的常用核的 NMR性质

同位素核 磁旋比

(radius T-1s-1)

天然丰度

(%)

相对灵敏度

1H 2.68× 108 99.98 1.00

13C 6.73× 107 1.11 0.016

15N -2.7× 107 0.37 —

19F 2.52× 108 100.00 0.83

31P 1.08× 108 100.00 0.066

经验规律：

（ 1 ） 原子核的总核自旋角动量 P 为零，此类核无 NMR 信号。

如 4He, 12C, 16O ，质子数与中子数相等。（ 2 ）自旋角动量 P 不为零，称为磁性核： I 0

I 0 的核为磁性核，可以产生 NMR 信号。 I = 0 的核为非磁性核，无 NMR 信号。

1)I(I2π

hP

自旋角动量 P是量子化的，可用自旋量子数 I表示。 I为整数、半整数或零。

原子核组成 ( 质子数 p 与中子数 n) 与自旋量子数 I的经验规则：p 与 n同为偶数， I = 0 。如 12C, 16O, 32S 等。p + n = 奇数， I = 半整数 (1/2, 3/2 等 )。 如 1H, 13C, 15N, 17O, 31P 等。p 与 n同为奇数， I = 整数。如 2H, 6Li 等。

I 0 的核为磁性核，可以产生 NMR 信号。 I = 0 的核为非磁性核，无 NMR 信号。

I=1/2 的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。

自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系

原子序数 Z 质量数 A 自旋量子数 I 例

奇、偶 奇 半整数

I=1/2 1H; 13C; 15N;19F; 31P; 77Se等

I=3/2 7Li; 9Be;11B; 33S; 35Cl; 37Cl

等

I=5/2 17O; 25Mg;27Al; 55Mn等

奇 偶 整数I=1 2H; 6Li; 14N等

I=2 58Co

I=3 10B

偶 偶 零 12C; 16O; 32S等

2 、核磁共振的频率磁距 μ 与磁场 B0 的相互作用能 E 为

E = - μB0 = PB0

原子核间进行能级跃迁的能量为00

2

1

2

1 22B

hmB

hEEE

（选律 m = 1 ）

= B0 /2

自旋量子数为 1/2 的核核磁矩与能级的关系

(a) 地球重力场中陀螺的进动 (b) 磁场中磁性核的进动

核的进动圆频率： = 2 = B0

核磁共振的产生

静磁场中，磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波 ( 能量等于 E) 照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。

E =h = (h/2) B0

= B0 /2核磁共振的基本方程式

讨论：（ 1 ）磁场固定时，不同频率的电磁波可使不同的核 ( 不同 ) 产生共振；（ 2 ）同样的核 ( 一定 ) ，改变磁场时，吸收频率不同。

不同核的 NMR

B0 = 2.35T核 天然同位素

存在比(%)

E (J) (MHz)

1H 99.98 6.6 x 10-26 10013C 1.1* 1.7 x 10-26 2519F 100 6.2 x 10-26 9431P 100 2.7 x 10-26 40.514N 99.63 0.5 x 10-26 715N 0.37* 0.6 x 10-26 1017O 0.037* 0.9 x 10-26 13.5

*天然丰度越低，测定越困难。

B0 = 2.35T （特士拉）： = 25MHz 时， 13C 共振；分别为 100MHz 、94MHz 、 40.5MHz 时，可分别观测 1H, 19F, 31P 核的吸收。

磁性核的共振频率与外加磁场成比例： B0

3 、 驰豫过程 Relaxation Process

热平衡时各能级上核的数目服从 Boltzmann 分布

N / N= exp(- E / kT)

E =h = h B0 /2

N / N = exp(-h B0 /2kT)

N ：高能级的原子核数

N ：低能级的原子核数

k： Boltzmann 常数， 1.3810-23JK-1

若 1H 核， B0 = 4.39T, 20C 时，则：

N / N = exp[-(2.681086.6310-344.39) / (21.3810-23293)]

= 0.999967

对于 106 个高能级的核，低能级核的数目：

N = 106/ 0.999967 = 1,000,033

(a) 核在态与态间达到热平衡的状态。

(b) 比 (a) 处于高热能的状态，不再有热平衡

(c) 两能级间原子核数目相等的饱和状态，在驰豫之前不再有净能量吸收

驰豫过程：饱和状态时观测不到 NMR 信号。要观测到净能量吸收，

必须有核从态返回态，此即驰豫过程。即必须保持上图的 (a) 或

(b) 状态。

• 自旋 -晶格驰豫 (spin-lattice relaxation) ：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围 分子吸收转变成热运动，称自旋 -晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋 -晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋 -晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋 -晶格驰豫的时间用 T1 表示。

• 自旋 -自旋驰豫 (spin-spin relaxation) ：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间 (寿命 )改变。自旋 -自旋驰豫的时间用 T2 表示。

驰豫的两种方式：

4 、 NMR 信号的灵敏度

N / N = exp( E / kT) = exp(h B0 /2kT)

由于 E / kT 很小，

N / N 1+ E / kT = 1+h B0 /2kT

N B0 ，即：低能级核的数目与磁场强度呈线性关系，NMR 信号的强弱随磁场强度成比例增加

53 年第一台仪器： B0 =0.7T ， 1H 共振于 30MHz93 年前后，用于 NMR 的超导磁体场强达 17.5T ， 1H 共振于 750MHz化学系 90MHz ； 200MHz ；生物系 500MHz

二、 核磁共振参数 1 、 化学位移 chemical shift

核磁共振条件 : = B0 /2 。依此公式，只有单个质子峰未考虑核外电子云的影响。实际上质子受到屏蔽作用

氢核实际所受的磁场为：

B0-Be = (1-) B0

= [(1-) B0]/ 2 ：屏蔽常数

即： 1H 核所处的化学环境不同，不同，也不同。

特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的化学位移，用 (ppm) 表示。

乙醇的氢谱

)ppm(106

标

标样

乙醇的氢谱

1H-NMR ： TMS13C-NMR ： TMS14N, 15N-NMR ： 液 NH317O-NMR ： H2O19F-NMR ： CFCl331P-NMR ： 85%H3PO4

Si

CH3

CH3

H3C CH3

NMR标准物质的选择标准秃核 ( 无屏蔽作用 )或电子云密度非常大的核 ( 屏蔽作用非常大， = 0) ，例如：

TMS 四甲基硅烷

TMS 的优点

1 ）单峰： TMS 中所有质子等同，只有一个吸收峰

2） TMS 的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大 (电子云密度大 )， 处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物 H核的共振频率都 在左侧3 ）一个分子中有 12个等价 H 和 4个等价 C ，故加入低含量如 1-5% v/v 的 TMS 可得到足够强的尖峰。4） TMS稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低 (b.p. = 27C) ，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。

5） TMS 不溶于水，对于水溶液，有 DDS 和 TSP-d4 等钠盐替代 品。它们的甲基 H 在几乎与 TMS 相同的位置出峰，亚甲基 H 出一系列小峰，市售亚甲基 H均为氘代产品。

2 、自旋 - 自旋耦合 spin-spin coupling` 核自旋通过成键电子与附近相邻磁性核自旋间的相互作用所引起的 NMR 谱线分裂现象。

以下列分子结构单元为例分析谱线裂分现象：

—C—C—H

H

H

H

H

CH2对 CH3 的影响

B0

(2)

(3)

(1) (4)

Field direction

Possible spin orientations of methylene proton

自旋同时相反， CH3 三重峰右边的第一个峰。(1)

(4) 自旋同时相同， CH3 三重峰左边的第一个峰。

(2) (3) 自旋相反，影响抵消。中间峰

裂分为 3 ， 峰面积比—— 1:2:1 。

CH3对 CH2 的影响

B0

可能的组合方式 : 23=8种中间 6 组为两组等同的磁效应裂分为 4峰面积比为 1:3:3:1

相邻原子上的质子数以 n 表示，则简单氢谱 NMR 谱线的裂分数为 n+1 。

谱线分裂数的 n+1 规则 :

(a+b)n 展开式的各项系数

n 二项式展开系数 峰型1

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

0

1

2

3

4

5

单峰

双峰

三重峰

四重峰

五重峰

六重峰

3 、耦合常数 J (coupling constant)

谱线裂分产生的裂距，反映两个核之间的作用力强弱，单位 Hz 。与两核之间相隔的化学键数目关系很大：

nJ：n 化学键的个数。同碳上的氢，无耦合。不同种磁性核时，有耦合。

相邻碳上的氢。如 HA-CH2-CH2-HB, HA 与 HB 的耦合。相隔 4个化学键，耦合作用很弱。

2J:3J:4J:

4 、峰面积反映某种原子核的定量信息。

各峰组的面积之比反映了各官能团的氢原子数之比

5 、弛豫时间与核在分子中所处的环境有关，因此可以表征分子大小、分子与溶剂的作用、分子运动的各向异性等。

三、影响化学位移的因素

和红外光谱需要记忆一些官能团特征吸收频率一样，核磁共振波谱图谱解析的关键是要首先记住不同类型的质子的化学位移。

例如： CH3— 0.9 左右

—CH2— 1.2 左右

Ph—H 7-8 之间

1. 常见官能团的氢谱

A) CH3

0.9 ppm (饱和 )

在高场出峰，峰强，易于辨认

0.8 1.2; 2.12.6; 2.2 3.2; 2.0 2.7; 3.2 4.0

1H(CH3)

(1)烷基： 02 ppm (烷烃 )

CH3HC O CH3 OCH3 C CH3 CH3 N

B) CH2

CH2 CH3H3C CH2 ORH3CCH2HCH3C O

1H(CH2) 1.17 2.47 3.40

C) CH 一般比 CH2 的值大 0.3ppm

CH2 YX

(2)烯：Ha

C

Hb

C

X

Hc

一般 1Hc 最大。

(3)苯环：

无取代基时，

47 ppm (6.5 ppm左右较普遍 )

1H=7.3 ppm, 单峰

A) 单取代a.烃基单取代

HC CHRCH3 HC C CRCH2

一组峰，分辨不开

OH OR NH2 NHR NRR'

b.邻对位单取代 **

*

邻对位质子受屏蔽作用，在高场，分辨不开间位质子在低场，三重峰

c. 间位单取代

CHO COR COOR COOH CONHR

NO2 N N SO3HAr

苯环电子云密度降低，邻位质子受影响大

Jab ： 7 10 Hz ； Jac ： 2 3 Hz ；Jad ： 0 1 Hz

Ha

Hb

Hd

Hc

邻位质子受去屏作用，大，粗略呈双峰；其它质子位移不大。

B) 二取代

a.对位二取代

最具特色，两对 3J 耦合

四重峰，左右对称NH2

NO2

A A

B B HA = 7.27-0.8+0.3 = 6.77

HB = 7.27+1.0-0.15 = 8.12

o-NO2:1.0; m-NO2: 0.3o-NH2: 0.8; m-NH2: 0.15

b.邻位二取代

相同取代基时，谱图左右对称不同取代基时，谱图复杂

c. 间位二取代

谱图复杂。中间质子显示粗略单峰。

*

*

*

4)活泼氢： OH NH2 SH COOH

值变化大。易受温度、添加重水、改变溶剂及酸度的影响

醇 OH 3.0-6.0 ppm(CCl4 等惰性溶剂 )

羧酸 COOH 10-13 ppm

脂肪胺 NH2 0.5-5.5 ppm

一般不产生峰的裂分，对相邻 C 上的 H影响复杂

活泼氢

1 ）惰性溶剂稀释，移向高场。 甲醇 OH 的甚至可降至负值。

2 ）活泼氢形成氢键，去屏作用， 增加。

3 ）活泼氢易发生质子交换，属于特定分子 的时间短，峰不裂分， 可变。4 ）重水可以确认活泼氢

R OH + R O DD2O + H O D

=4.7 ppm

CH3OHA + CH3OHB +CH3OHB CH3OHA

R N HA + R N HB R N HB + R N HA

CH3OHA + HB O H CH3OHB HA O H+

OO

HA

HB

OO

HA HB

OO

HB

HA

1 、取代基的电负性屏蔽作用 电子云密度 电负性化学位移

与 CH3连接基团的电负性对其质子化学位移的影响 化合物 (CH3)

(CH3)4-Si, TMS 0.0 定义 (CH3)3-Si(CD2)2CO2

-Na+, TSP-d4 0 CH3I 2.2 CH3Br 2.6 CH3Cl 3.1 CH3F 4.3 CH3NO2 4.3 CH2Cl2 5.5 CHCl3 7.3

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

2 2.5 3 3.5 4 4.5

Electronegativity of X

CH3-F

CH3-O

CH3-N

CH3-C

CH3—X 的质子位移

2 、相连碳原子的 S-P杂化

CH3-CH3 CH2=CH2 CHCH

0.9 5.8 2.9

酸度顺序 (3) (2) (1)

C杂化形式 SP3 SP2 SP

屏蔽作用减弱

3 、环状体系的环电流效应

以苯环为例 （环外 H 与磁场同向）

•环外氢 : 顺磁效应 , 去屏蔽• 环内侧氢 :逆磁效应 , 屏蔽

H CH3CH3

CH2H2C

H2CCH2 CH2

7.3 2.3 2.0 -1.0

电子数满足 4n+2 的环状多烯

=9.3

=-3.0

甲基 1H, =-4.2

B.烯烃的各向异性

H

R

O

H

O

H

RO

O

H

R2N

O

=9.7 =10.0 =8.0 =7.8

•双键 C 上的氢：去屏蔽作用，值高于饱和 C•双键平面上下方：逆磁效应，屏蔽作用

C.炔烃的各向异性•叁键 C 上的氢受屏蔽作用

NMR解析举例

1) C5H10O2

（ 1 ） H 数目 6 ： 4 ： 4 ： 6 = 3 ： 2 ：2 ： 3

（ 2 ）不饱和度 =1 有一个双键

（ 3 ） =3.6 处为单峰

O可能的结构 CH3—O—C—

=0.9 处三重峰为是典型的— CH2—CH3 峰=2.2 处三重峰为羰基相邻的 CH2 的两个质子另一个 CH2 在 =1.7 处产生 12 个峰（ 43 ），但仪器分辨率不够，只看到 6 个峰。

可能的结构

O

CH3—O— C—CH2—CH2—CH3

简化图谱的方法—去耦

为使谱图简化，除去相邻核间的耦合作用的方法。

醋酸异丙酯的 1H-NMR(100MHz) 。双重照射去耦的谱图变化实例。 (a)常法测定的谱图。 (b) 照射最右端的两个甲基质子去其耦合作用 (c) 去次甲基质子的耦合作用

用两个电磁波发生器，扫描第一个发生器，（ A核的共振频率 1 ），用 2 的强电磁波照射，使 B 核共振达到饱和。双重照射法除去 B 核对A核的影响。

双照射方法

第三节 核磁共振波谱仪

一、 NMR 仪器的基本构成

外加磁场探头

高频电磁波发生器及接受器数据处理及记录

1 、 NMR 用磁铁

强弱：磁场强度 B0 ，单位： T习惯用氢核的共振频率来表示。如 100M 的仪器，B0=2.35T 。

永久磁铁 permanent magnetB0< 2.1T ，简单、经济耐用。重量轻 ( 如 60MHz ， 350kg) 。

电磁铁 electromagnetB0< 2.35T(100MHz以下 ) 。需强大电流产生磁场 (60MHz 时3.5kW) ，并需水冷保持温度恒定以使磁场强度稳定。较重，且耗电量大。

超导磁铁 superconductive magnet

利用铌钛合金在液氦中 (温度 4K) 的超导性质。只要不破坏超导状态，及时补充液氦，则磁场强度不变。

液氮

液氦超导线圈

磁场强度与灵敏度、分辨率的关系

• 磁场强度越强，低能级上核的数目越多， 灵敏度越高

100 MHz 时， N 比 N多 17200 MHz 时， N 比 N多 33300 MHz 时， N 比 N多 50

• 磁场的均一性越好，分辨率越高

• 磁场越强，以频率表示的化学位移越大， 分辨率越高

（ 1 ）连续波 NMR 仪器 (CW-NMR)核磁共振条件： = B0 /2

• 扫频方式 (frequency sweep) ：固定 B0 ，扫描电磁波频率• 扫场方式 (field sweep) ：固定，扫描磁场强度 B0

CW-NMR 仪器的不足：连续变化一个参数使不同基团的核依次满足共振条件任一瞬间只有一种原子核处于共振状态，其它核处于等待状态

结果： 样品利用率低，灵敏度低，分辨率低

2 、电磁波发生器

（ 2 ） FT-NMR

特点：磁场强；强而短的脉冲 ( 高频脉冲 )

在这一脉冲下，所有的核都发生共振。脉冲停止后，这些核都产生相应的核磁共振信号。这些信号含多种频率，总信号是多种频率信号的叠加，这些信号以时间为变量，也是随时间衰减的。因此，信号是时间的函数 ( 时域谱 ) ，通过 FT 转换变为频域谱。

dtetfF ti

)(

2

1)(

环己烯的 13C谱

脉冲 FT-NMR 的优点

3. 通过增加重复累积测量次数使样品测量信号平均化， 降低噪声，可提高 S/N 比。故 FT-NMR 与连续波仪器 相比灵敏度高，样品用量少，测定时间短。

1. 在脉冲作用下，该同位素的所有核同时共振

2. 脉冲时间短 ( 为微秒级，脉冲间隔为几秒 ) ， 在样品进行累积测量时较连续波仪器节省时间。 一般 1H-NMR 测量累加 10-20次，需时 1 分左右； 13C-NMR 测量需时数分。

3 、探头圆柱形， 在磁体中心，放样品管

作用： 发射脉冲电磁波

检测核磁共振信号

产生固定频率的探头：双核探头： 1H ， 13C

四核探头： 1H ， 31P ， 13C ， 15N

频率连续可调探头： 如 31P 到 15N

4 、 样品处理技术

1.粘度不高的液态： 2-15%的溶液

2.NMR溶剂不应含氢，可用卤化或氘代溶剂， 如 CDCl3, C6D6 等。

二、二维核磁共振 （ 2-D NMR ）

•改变不同 t ，施加两次脉冲电磁波，重复测定，得到两个频率变量或化学位移变量的二维谱图。•在这种 2D图谱中，两种自旋 - 自旋偶合（弛豫时间）不同的核显示不同的图谱特征。

1 、同核位移相关谱（ COSY）2 、异核位移相关谱（ H ， C-COSY）3 、总相关谱（ TOCSY）4 、其他 2D谱

同核位移相关谱（ COSY ）

三、核磁成像

四、固体核磁

如果按照通常的作图方法，用固态样品作图会得到很宽的谱线，得不到什么信息。产生这种现象主要有两个原因：

第一是自旋核之间的偶极 -偶极相互作用；

第二是化学位移的各向异性。

这两个原因都和分子在磁场中的取向有关。在液体试样中，分子在不断地翻滚，因此以上两种作用都被平均掉了。

作固体高分辨核磁共振谱的方法为交叉极化／魔角旋转法 CP／ MAS(Cross Polarization/Magic Angle Spinning) 。

　　前面所提到的偶极 -偶极相互作用及化学位移的各向异性，其数值的大小均包含

（ 3cos2θ － 1）项

θ是所讨论的两核连线和静磁场 B0 之间的夹角。

如果我们取

cos2θ=1 ／ 3（ θ＝ 54°44ˊ ），

（ 3cos2θ － 1）项为零，于是这样就可消除上述两项作用。54°44ˊ 这个角度就叫做魔角。