磁旋比：1H=26753， 2H=410 7，13C= 6726弧度/秒 高斯NH02H0
自旋角速度ω，外磁场H0，进动频率ν
共振条件
原子核在磁场中发生能级分裂，在磁场的垂直方向上加小交变电场，
如频率为v射，当v射等于进动频率ν，发生共振。低能态原子核吸收
交变电场的能量，跃迁到高能态，称核磁共振。
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
60 100 200 300
磁场强度 0.9400 特斯拉 1.4092
2.3500 4.7000 7.1000
500
11.7500
核磁共振仪
质量数与电荷数均为双数，如C12，O16，没有 自旋现象。I=0
质量数为单数，如H1，C13，N15，F19，P31。I 为半整数，1/2，3/2，5/2……
质量数为双数，但电荷数为单数，如H2，N14， I为整数，1，2……
I为自旋量子数
自旋角动量（PN），自旋量子数（I） I=0，1/2，1，3/2……
106 标准 样品 106
标准
标准
标准：四甲基硅（TMS），δ=0，（如以τ表示，τ=10，τ=10+δ）
向左
向右
低场
磁场强度
高场
影响化学位移的因素
诱导效应 共轭效应 各向异性效应 Van der Waals效应 氢键效应和溶剂效应
诱导效应：氢原子核外成键电子的电子云密度产生的屏 蔽效应。
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
原子核的进动
在磁场中，原子核的自旋取向有2I+1个。各个取向由一个自旋量子 数m表示。
Toluene
Pyridine
Cyclohexane
CD3COCD3 CDCl3 CD2Cl2 CD3CN C6D6 D2O (CD3CD2)2O (CD3)2O (CD3)2NCDO CD3SOCD3 CD3CD2OD CD3OD C4D8O C6D5CD3 C5D5N C6H12
图3-5 乙醚的氢核磁共振谱
屏蔽效应 化学位移的根源
磁场中所有自旋核产生感应磁场，方向与外加磁场相反或相同，使 原子核的实受磁场降低或升高，即屏蔽效应。
H核=HO（1-σ）
其中H核表示氢核实际所受的磁场，σ为屏蔽常数 分类：顺磁屏蔽，抗磁屏蔽
化学位移的表示 ：单位ppm
H 106 H标准 H样品 106
H 标准
H 标准
• 瑞士科学家库尔特·维特里希因“发明了利用核磁共振技术测定溶 液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖。
NMR谱的结构信息
化学位移 偶合常数 积分高度
1. 核磁共振的基本原理
原子核的磁矩 自旋核在磁场中的取向和能级 核的回旋和核磁共振 核的自旋弛豫
原子核的自旋、磁矩
Methylnitrile
Benzene
Water
Diethylether (DEE)
Dimethylether (DME)
N,N-Dimethylformamide (DMF)
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)
Ethanol
Methanol
Tetrehydrofuran (THF)
拉电子基团：去屏蔽效应，化学位移左移，即增大 推电子基团：屏蔽效应，化学位移右移，即减小
/ppm
CH3F 4.26
CH3OH 3.40
CH3Cl 3.05
CH3Br 2.68
CH3I 2.16
CH3-H 0.23
cba
/ppm
CH3CH2CH2Br
Ha 3.30
Hb 1.69
Hc
1.25
试比较下面化合物分子中 Ha Hb Hc 值的大小。
核磁共振的条件:
ΔE
或
=h v射=
vv迴迴==
h
vB射O =/2hπ
BO
/2π
射频频率与磁场强度Bo是成正比的，在进行核磁共振实
验时，所用的磁强强度越高，发生核磁共振所需的射 频频率也越高。
： 要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现
频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率 磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度 实际上多用后者。 各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各 种核的共振频率为：
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)
NMR仪器的主要组成部件： 磁体：提供强而均匀的磁场 样品管：直径4mm, 长度15cm,质量均匀的玻璃管 射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品 扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供一个附加可 变磁场，用于扫描测定 射频接受器 ：用于探测NMR信号，此线圈与射频发生器、扫描 发生器三者彼此互相垂直。
H C O > Ar H > H C C > H C C > H C
芳环环的上下方为屏蔽区，其它地方为去屏蔽区
叁键 ：键轴向为屏蔽区，其它为去屏蔽区。
羰基平面上下各有一个锥形的屏蔽区，其它方向（尤其是
平面内）为去屏蔽区。
O RCH
9-10
磁矩（μN*），核磁矩单位（βN），核磁子；磁旋比（γN）
N
gN
I(I 1)N
N
N
PN
自旋核在磁场中的取向和能级
具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的， 可用磁量子数m来表示核自旋不同的空间取向，
其数值可取：m =I,I-1,I-2, ……,-I ，共有2I
+1个取向。
I = n / 2 n = 0 , 1 , 2 , 3 ---- （取整 数）
NMR发展
近二十多年发展 高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率； 脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定； 计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断化 合物的空间结构起重大作用。
• 英国R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。
等位质子
化学等价质子
非手性环境为化学等价 对映异位质子
手性环境为化学不等价
化学等价质子与化学不等价质子的判断
Cl
Ha
CC
Cl
Hb
A
Cl Ha C
Cl Hb
B
O
H3C a
CH3 b
C
H3C
Cl Ha
Cl
CH3
Hb
D
Ha
O
Hb
Br
Br
E
Cl
Ha
CC
Hc
Hb
I
Br Ha C
Cl Hb
F
a CH3 b H3C C OCH3 CH3
交变频率与分辨率的关系
核磁共振波谱的测定
样品：纯度高，固体样品和粘度大液体样品必须溶解。 溶剂：氘代试剂(CDCl3, C6D6 ,CD3OD,
CD3COCD3, C5D5N ) 标准：四甲基硅烷 (CH3)4Si ，缩写：TMS
优点：信号简单，且在高场，其他信号在低场， 值为正值；沸点低（26。5 C)，利于回收样品； 易溶于有机溶剂；化学惰性
化学等价质子与化学不等价质子的判断
--- 可通过对称操作或快速机制（如构象转换） 互换的质子是化学等价的。
--- 不可通过对称操作或快速机制（构象转换） 互换的质子是化学不等价的。
--- 与手性碳原子相连的 CH2 上的两个质子是化 学不等价的。
对称轴旋转
对称操作 其他对称操作 （如对称面）
FT-NMR谱仪特点： 有很强的累加信号的能力，信噪比高（600：1），灵敏度高，分 辨率好（0.45Hz)。可用于测定1H, 13C, 15N ,19F, 31P等核的一维和二 维谱。可用于少量样品的测定。
2. 核磁共振仪与实验方法
按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁 按交变频率分：40兆，60兆，90兆，100兆，220兆，250兆，300兆 赫兹…… 频率越高，分辨率越高
第一季度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
北部 西部 东部
第二季度
第三季度
第四季度
PFT-NMR谱仪
PFT-NMR谱仪与CW谱仪主要区别：信号观测系统，增加了脉冲程序 器和数据采集、处理系统。各种核同时激发，发生共振，同时接 受信号，得到宏观磁化强度的自由衰减信号（FID信号），通过计 算机进行模数转换和FT变换运算，使FID时间函数变成频率函数 ，再经数模变换后，显示或记录下来，即得到通常的NMR谱图。
实验方法：内标法、外标法 此外还有：六甲基二硅醚（HMDC, 值为0.07ppm),
4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠（DSS, 水溶性，作为极性化合物的内标，但 三个CH2的 值为0.5~3.0ppm,对样品信号有影响）
Acetone
NMR Lock Solvents
Chloroform
Dichloro Methane
3. 氢的化学位移