赣南师范学院2011—2012学年第一学期
《波谱分析》课程论文
班级： 09材化 学号： 090908015 姓名： 宋心明 指导教师： 成绩：
核磁共振波谱法
化学化工学院 09材料化学 090908015 宋心明
摘要：核磁共振(NMR)方法与红外光谱法或紫外光谱法一样，基本上是吸收光谱的另一种形式。核磁共振与有机分子结构联系起来，并且逐步发展成为研究有机分子结构的主要方法之一。
关键字：核磁共振(NMR) 核磁共振谱 测定方法
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：
w0=γH0
(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：
ΔΕ=hv=μH0/I(其中h 为普朗克常数)
V=γH0/2Π
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（当外磁场强度约为2 T 时）。
核磁共振谱
核磁共振信号（峰）可提供四个重要参数：化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值和谱峰相对强度。处于不同分子环境中的同类原子核具有不同的共振频率，这是由于作用于特定核的有效磁场由两部分构成：由仪器提供的特定外磁场以及由核外电子云环流产生的磁场（后者一般与外磁场的方向相反，这种现象称为“屏蔽”）。处于不同化学环境中的原子核，由于屏蔽作用不同而产生的共振条件差异很小，难以精确测定其绝对值，实际操作时采用一参照物作为基准，精确测定样品和参照物的共振频率差。在核磁共振波谱中，一个信号的位置可描述为它与另 一参照物信号的偏离程度，称为化学位移。常用的化学位移参照物是四甲基硅烷
（TMS），其优点是化学惰性；单峰；信号处在高场，与绝大部分样品信号之间不会互相重叠干扰；沸点很低（27℃），容易去除，有利于样品回收。而对于水溶性样品，常用3-三甲基硅基丙酸钠-d4（TSP）或2，2-二甲基-2-硅戊基-5-磺酸钠（DSS），其化学位移值也非常接近于零。DSS的缺点是其三个亚甲基质子有时会干扰被测样品信号，适于用作外参考。
化学位移仅表示了磁核的电子环境，即核外电子云对核产生的屏蔽作用，但未 涉及同一分子中磁核间的相互作用。这种磁核间的相互作用很小，对化学位移没有影响，但对谱峰的形状有着重要影响。这种磁核之间的相互干扰称为自旋—自旋偶合，由自旋偶合产生的多重谱峰现象称为自旋裂分，裂分间距（赫兹）称为偶合常数J，偶合常数与外磁场强度无关。偶合也可发生在氢核与其他核（I≠0）之间,如19F、13C和31P等。
测定方法
1、溶剂选择 合适的溶剂除了对样品有较好的溶解度外，其残留的信号峰应不干扰所分析样品的信号峰。氘代溶剂同时提供异核锁信号。应尽可能使用高氘代度、高纯度的溶剂，并注意氘原子会对其他原子信号产生裂分。适用于氢谱（1H NMR）的溶剂同样也适用于氟谱（19F NMR），常见的有CDCl3、CD3OD、D2O、DMSO-d6、DMF-d7、酸和碱等，通常不含氟的溶剂均可使用。同时应注意含氟样品中氟原子对其他核的J-偶合。
2、样品制备 按各品种项下的要求。样品的浓度取决于实验的要求及仪器的类型， 测定非主要成分时需要更高的浓度。供试液的体积取决于样品管的大小及仪器的要求，通常样品溶液的高度应达到线圈高度的2 倍以上。选用符合定量要求的核磁管，常用外径为5 或10mm，长度为15 或20cm 的核磁管。当样品量较少时可选用微量核磁管。
3、测定 将样品管放入谱仪中，先进行样品和谱仪的调谐，再仔细对谱仪匀场，使谱仪达到最佳工作状态。设置合适的实验参数，采样，完成后再进行图谱处理，并分段积分。同一个实验通常可同时得到定性和定量数据。对于核磁共振定量分析，实验参数的正确设置非常重要，以保证每个峰的积分面积与质子数成正比。必须保证有足够长的驰豫时间，以使所有激发核都能完全驰豫，因而定量分析通常需要更长的实验时间。
定性和定量分析：核磁共振波谱分析可广泛应用于结构确证，热力学、动力学 和反应机理的研究，以及用于定量分析。
定性分析：核磁共振波谱是一个非常有用的结构解析工具，化学位移提供原子核 环境信息，谱峰多重性提供相邻基团情况以及立体化学信息，偶合常数值大小可用于确定基团的取代情况，谱峰强度（或积分面积）可确定基团中质子的个数等。一些特定技术，如双共振实验、化学交换、使用位移试剂、各种二维谱等，可用于简化复杂图谱、确定特征基团以及确定偶合关系等。对于结构简单的样品可直接通过氢谱的化学位移值、偶合情况（偶合裂分的峰数及偶合常数）及每组信号的质子数来确定，或通过与文献值（图谱）比较确定样品的结构，以及是否存在杂质等。与文献值（图谱）比较时，需要注意一些重要的实验条件，如溶剂种类、样品浓度、化学位移参照物、测定温度等的影响。对于结构复杂或结构未知的样品，通常需要结合其他分析手段，如质谱等方能确定其结构。
定量分析：与其他核相比，1H 核磁共振波谱更适用于定量分析。在合适的实验条 件下，两个信号的积分面积（或强度）正比于产生这些信号的质子数：
A1N2=A2N1
其中A1、A2 为相应信号的积分面积（或强度）；N1、N2 为相应信号的总质子数。
在绝对定量模式下，将已精密称定重量的样品和内标混合配制溶液，测定，通过比较样品特征峰的峰面积与内标峰的峰面积计算样品的含量（纯度）。合适的内标应满足如下要求：有合适的特征参考峰，最好是适宜宽度的单峰；内标物的特征参考峰与样品峰分离；能溶于分析溶剂中；其质子是等权重的；内标物的分子量与特征参考峰质子数之比合理；不与待测样品相互作用等。常用的内标物有：1,2,4,5-四氯苯、1,4-二硝基苯、对苯二酚、对苯二酸、苯甲酸苄酯、顺丁烯二酸等。内标的选择依据样品性质而定。
4、固体核磁波谱 液体核磁样品如果放在某些特定的物理环境下，是无法进行研究的，而其它原子级别的光谱技术对此也无能为力。但在固体中，像晶体，微晶粉末，胶质这样的，偶极耦合和化学位移的磁各向异性将在核自旋系统占据主导，在这种情况下如果使用传统的液态核磁技术，谱图上的峰将大大增宽，不利于研究。目前已经有一系列的高分辨率固体核磁技术被研发出来。高分辨固体核磁技术包含两个重要概念，即通过高速旋转来限制分子自取向和消除磁各向异性，对于后者，最常用的旋转方式是魔角旋转（Magic angle spinning），即旋转轴和主磁场的夹角为54.7°。固体核磁技术常被用于膜蛋白，蛋白纤维和聚合物的结构探究，以及无机化学中的化学分析。但同样可被应用于研究于树叶和燃油。
核磁共振的应用随着对其研究的渗透而越发广阔。核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术；通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息；，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有 6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查等等。
总结：随着技术的成熟与发展，核磁共振光谱法一定会对人类的生活和科技研究掀起更大的波澜。
参考文献：
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