核磁共振实验报告

核磁共振实验报告

华东理工大学

化学与分子工程学院高分子专业M115529王强大20__年5月

核磁共振实验报告

实验目的：

1．掌握核磁共振的原理与基本结构；

2．学会核磁共振谱图的操作方法与谱图分析；

3．了解核磁共振在实验中的具体应用；

实验原理：

核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。

根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0

质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数

质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数

迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P

由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。

原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。

原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。

核磁共振的应用:

NMR技术

核磁共振频谱学：

NMR技术即核磁共振谱技术，是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。对于华东理工大学

有机分子结构测定来说，核磁共振谱扮演了非常重要的角色，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱。

对于孤立原子核而言，同一种原子核在同样强度的外磁场中，只对某一特定频率的射频场敏感。但是处于分子结构中的原子核，由于分子中电子云分布等因素的影响，实际感受到的外磁场强度往往会发生一定程度的变化，而且处于分子结构中不同位置的原子核，所感受到的外加磁场的强度也各不相同，这种分子中电子云对外加磁场强度的影响，会导致分子中不同位置原子核对不同频率的射频场敏感，从而导致核磁共振信号的差异，这种差异便是通过核磁共振解析分子结构的基础。原子核附近化学键和电子云的分布状况称为该原子核的化学环境，由于化学环境影响导致的核磁共振信号频率位置的变化称为该原子核的化学位移。

耦合常数是化学位移之外核磁共振谱提供的的另一个重要信息，所谓耦合指的是临近原子核自旋角动量的相互影响，这种原子核自旋角动量的相互作用会改变原子核自旋在外磁场中进动的能级分布状况，造成能级的裂分，进而造成NMR谱图中的信号峰形状发生变化，通过解析这些峰形的变化，可以推测出分子结构中各原子之间的连接关系。

最后，信号强度是核磁共振谱的第三个重要信息，处于相同化学环境的原子核在核磁共振谱中会显示为同一个信号峰，通过解析信号峰的强度可以获知这些原子核的数量，从而为分子结构的解析提供重要信息。表征信号峰强度的是信号峰的曲线下面积积分，这一信息对于1H-NMR谱尤为重要，而对于13C-NMR谱而言，由于峰强度和原子核数量的对应关系并不显著，因而峰强度并不非常重要。

早期的核磁共振谱主要集中于氢谱，这是由于能够产生核磁共振信号的1H原子在自然界丰度极高，由其产生的核磁共振信号很强，容易检测。随着傅变换技术的发展，核磁共振仪可以在很短的时间内同时发出不同频率的射频场，这样就可以对样品重复扫描，从而将微弱的核磁共振信号从背景噪音中区分出来，这使得人们可以收集13C核磁共振信号。近年来，人们发展了二维核磁共振谱技术，这使得人们能够获得更多关于分子结构的信息，目前二维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。

实验过程：

(1)样品制备：一般采用5mm的标准样品管，样品十几毫克至几十毫克，对于PFT-NMR

而言，1H-NMR谱一般只需要1mg左右甚至更少。根据样品性质，选择好氘代试剂，溶解后加入样品管，塞好样品管，擦拭干净后，放入转子中，用量筒调节好转子位置，即可放入磁场中心的样品腔中，打开气流开关，使样品管旋转。

(2)按照具体实验仪器的操作说明，进行匀场，锁场。

(3)设置实验合适的参数，采集信号，相应调整，确定化学位移，积分，得到1H-NMR谱

(4)打印谱图。

华东理工大学

核磁共振谱图图分析：

谱图中化学位移在1.2-1.3单峰对应有机物的亚甲基-CH2-；

化学位移在1.5-1.6的四重峰是-CH-,它受邻位甲基的影响；

化学位移1.8附近的峰是甲基,它受邻位-CH-的影响而裂分为二重峰；

化学位移在3.2附近的峰对应于-N-；

化学位移在7.3附近的峰对应于上的4个氢原子，因为这4个氢原子的化学环境相同在谱图上表现为单峰；

化学位移在7.6对应于下方苯环的3个氢原子，裂分为三重峰；

化学位移在7.5附近的峰对应于苯环上的4个氢原子，裂分为四重峰；

谱图上还有一些杂峰与所给有机物的结构无法匹对，可能所给的样品并非期待的有机物或者里面含有一些有机物杂质。

注意事项：

制样中的注意点

（1）要得到高分辨率的谱图，样品溶液中绝对不能有悬浮的灰尘和纤维，一般情况下用

棉花和滤纸把样品直接过滤到样品管中。

（2）测试微量样品时，要带手套处理样品，以防止手指上的微量悬浮物溶在溶液中，否

则1H-NMR谱中1,4ppmmm会出现一个7Hz裂分的双峰，可能来自丙氨酸或者乳酸。

（3）控制样品量，一般对于1H-NMR来说需要的量比较小，大概几个毫微摩尔就可以了，

对于二纤维谱和碳谱浓度就要比较大，最好有几十个毫摩尔。

（4）氘代溶剂选择时需要注意使样品容溶解，溶剂峰和样品峰没有重叠，黏度低，并且

价格便宜。

（5）控制溶剂量，一般样品的溶剂量应该为0.5ml，大概在核磁管中的长度为4cm左右，

溶剂量太小会影响匀场，进而影响实验的浓度和谱图的效果，溶剂量太大会导致浪费。

（6）尽量选用优质核磁样品管，样品管必需清洗干净，无残留溶剂和杂质，以免影响测试结果，并且最好不要在核磁管上乱贴标签，这会导致核磁管轴向的不均衡，在样品旋转时影响mm分别率，还有可能大碎核磁管造成重大损失。

其它注意点：

（6）样品在磁场的位置很重要，应保证处在磁场的几何中心，除非有其它要求。

（7）注意将磁性物体远离磁体，它们可能对磁体、匀场线圈和探头造成严重损坏，盛装

低温液体的同心杜瓦可能被强力撞裂。

华东理工大学