《 仪器分析实验 》 核磁共振波谱法

西北大学基础化学实验

《《仪器分析实验仪器分析实验》》

核磁共振波谱法NNuclear uclear MMagneticagnetic

RResonanceesonanceFor ShortFor Short ：： NMRNMR

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核磁共振波谱法一、 NMR 三要素二、 NMR 的基本信息及 NMR 谱图解析三、 NMR 谱仪结构四、 NMR 实验操作步骤

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一 NMR 的三要素 -- 磁性核、静磁场、射频场1. 磁性原子核 : 质子数或中子数为奇数的原子核具有自旋角动量 , 当原子核自旋时 , 相当于核表面的正电荷在运动，运动的电荷即电流会感应产生磁场，因此，每一个自旋的原子核相当于一个磁偶极子 , 自旋的原子核也称为磁性核。例如 1H, 13C, 19F 等。

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2. 静磁场 : 没有外加静磁场时，原子核的自旋是任意取向的，样品的宏观磁矩为零。当把含磁性核的样品放入静磁场时，对于自旋 I ＝ 1/2 的原子核，核自旋有两种取向：一种与外加静磁场平行，原子核的能量降低；另一种与外加静磁场反平行，原子核的能量升高，即原子核产生能级分裂。

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3. 射频场 : 如果在垂直于外加静磁场的方向加一射频场，当射频场的角频率满足 时，原子核产生共振吸收信号，其中 为 Planck 常数 , 为原子核的旋磁比、 为外加静磁场的强度。 0E h B

0Bh

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Spin State Energy Spin State Energy DifferencesDifferences

vs. Magnetic Field Strengthvs. Magnetic Field Strength

00 4.74.7 9.49.4

EnergyEnergy

Magnetic field strength, BMagnetic field strength, B00 (Tesla) (Tesla)

E E 200 MHz200 MHz

for for 11HH

spinspinstatestate

spinspinstatestate

E E 400 MHz400 MHz

for for 11HH

High Field NMRHigh Field NMR • • increased sensitivityincreased sensitivity • • increased resolutionincreased resolution

randomlyrandomlyoriented nucleioriented nuclei

(no magnetic field)(no magnetic field)

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二 NMR 谱的基本信息1. 化学位移2. 自旋耦合3. 谱线积分面积

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1 化学位移 :Chemical Shift

B0 Blocal

a bare nucleus (H+)feels the full effect ofthe external field (B0)

electron density partiallyshields the nucleus from

B0 so it “feels” Blocal

electrons generate aninduced field (Bi)which opposes B0

Bi

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由于原子核外有电子屏蔽，原子核感受到的是所处环境局域场的磁场强度 ，其中 为屏蔽常数，随着原子核所处的化学环境变化而变化 . 因此，当原子核所处的化学环境不同时，原子核感受到的磁场强度不同，因此共振频率不同，谱峰落在不同的位置上。换言之，原子核的共振频率与原子核所处的化学环境有关，即与屏蔽常数有关。

0 1localB B

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一一些些常常见见基基团团的的11HH化化学学位位移移值 值

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2 自旋耦合 自旋原子核通过成键电子相互作用，引起谱线裂分。对自旋 I ＝ 1/2的弱耦合体系，满足 n ＋ 1 裂分规则，即一个自旋 I ＝ 1/2 的原子核，如果与 n 个自旋 I ＝ 1/2 的原子核相互耦合，那么该原子核的谱峰将裂分为 n ＋ 1 重峰，各峰的强度比满足二项式展开系数。

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ethyl isopropyl

singlet doublet triplet quartet pentet 1:1 1:2:1 1:3:3:1 1:4:6:4:1

常见的耦合裂分模式

ethyl signature: quartet / tripletwith integration ratio of 2 / 3

septet / doublet & 1 / 6 ratio

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3 积分面积 谱线积分值与共振核的个数成正比，这是 NMR 谱可以定量分析分子中共振核的个数的依据。如图五 Ethyl formate 的1H － NMR 谱中，－ CH3 、－ CH2 －、－ CH ＝的积分面积分别为 3 、 2 、 1 ，分别对应于共振核个数 3 、 2 、 1 。

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三 NMR 谱仪结构图

西北大学基础化学实验探头

超导磁体横切面

图

超导磁体剖面图

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四 1 NMR 实验安全1) 机械表 , 磁卡 , 含铁的工具 , 装有心脏起博器和人工假肢等不可靠近磁体 .

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2) 操作注意事项a. 样品管洗干净后自然晾干、以免它变形b. 将样品管插入转子的步骤如下图所示 , 样品管底部最多只能放到样品规的底部 , 而且液柱中心应与黑色中心线对齐 .

将样品管插入转子的步骤样品管在探头中的位

置

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3) 放样步骤a. 键入 ro off（停止腔内样品旋转）b. 键入 ej ， 打开压缩空气闸门c. 腔内样品弹出（或听到气流声后），取出原有样品，放入新样品d. 键入 ij ， 关闭压缩空气闸门，把样品送入腔内

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四 2 NMR 实验步骤1) Sample preparation2) Predefine parametersets3) Lock 、 turn/march 、 shim4) Acquire5) Process6) Print