《有机化学》课程教学课件（PPT讲稿）第十二章 核磁共振和质谱

第十二章核磁共振和质谱核磁共振（NMR）和质谱（MS）都是近年来普遍使用的仪器分析技术，对有机化学工作者是很好的结构测定工具。特别是核磁共振，它具有操作方便、分析快速、能准确测定有机分子的骨架结构等优点。随着高场仪器、多核谱仪、大容量快速计算机的出现和使用，核磁共振仪器提高到了一个新的水平也使其测试技术，像二维（2D)傅立叶变换核磁共振、固体高分辨核磁共振、核磁共振成像等技术得到发展。核磁共振是有机化学应用最普遍的且是最好的结构分析方法，利用它可测定IH、13C、15N、31P、19F等你所感兴趣的各种核的谱图。但由于篇幅所限本书只涉及最常见的4和13C核磁谱图

第十二章核磁共振和质谱 核磁共振(NMR)和质谱(MS)都是近年来普遍使用 的仪器分析技术，对有机化学工作者是很好的结构 测定工具。特别是核磁共振，它具有操作方便、分 析快速、能准确测定有机分子的骨架结构等优点。 随着高场仪器、多核谱仪、大容量快速计算机的出 现和使用，核磁共振仪器提高到了一个新的水平， 也使其测试技术，像二维(2D)傅立叶变换核磁共振、 固体高分辨核磁共振、核磁共振成像等技术得到发 展。核磁共振是有机化学应用最普遍的且是最好的 结构分析方法，利用它可测定1H、 13C、 15N、 31P、 19F 等你所感兴趣的各种核的谱图。但由于篇幅所限 本书只涉及最常见的4和13C核磁谱图

质谱只需微量样品就可提供相对分子质量、分子式和分子结构的信息。再配合其他仪器测试方法如NMR、IR、UV等，能准确测定结构。质谱和色谱联用，质谱和电子计算机联用更增加了质谱的测试范围和能力，使它成为结构分析领域不可缺少的工具

质谱只需微量样品就可提供相对分子质量、分 子式和分子结构的信息。再配合其他仪器测试方法， 如NMR、IR、UV等，能准确测定结构。质谱和色谱联 用，质谱和电子计算机联用更增加了质谱的测试范 围和能力，使它成为结构分析领域不可缺少的工具

12.1核磁共振基本原理带电荷的质点自旋会产生磁场，磁场具有方向性，可用磁矩表示（图12-1）。原子核作为带电荷的质点，它的自旋可以产生磁矩。但并非所有原子核自旋都具有磁矩，实验证明，只有那些原子序数或质量数为奇数的原子核自旋才具有磁矩，如1H，13C15N，170，19F，29Si，31P等。组成有机化合物的主要元素是氢和碳，现以氢核为例说明核磁共振的基本原理。氢核（质子）带正电荷，自旋会产生磁矩（图12-1八在没有外磁场时，自旋磁矩取向是混乱的（图12-2（a）），但在外磁场Ho中，它的取向分为两种：一种与外磁场平行，另一种则与外磁场方向相反(图12-2(b))

12. 1 核磁共振基本原理 带电荷的质点自旋会产生磁场，磁场具有方向 性，可用磁矩表示（图12-1)。原子核作为带电荷的 质点，它的自旋可以产生磁矩。但并非所有原子核 自旋都具有磁矩，实验证明，只有那些原子序数或 质量数为奇数的原子核自旋才具有磁矩，如1 H， 13C， 15N， 170， 19F， 29Si， 31P等。组成有机化合物的主要 元素是氢和碳，现以氢核为例说明核磁共振的基本 原理。氢核(质子)带正电荷，自旋会产生磁矩（图 12-1八在没有外磁场时，自旋磁矩取向是混乱的 （图12-2(a))，但在外磁场H0中，它的取向分为两 种:一种与外磁场平行，另一种则与外磁场方向相反 （图12-2(b))

419QQH.（b）存在外磁场(a）没有外磁场图12-2自旋磁矩的取向图12-1质子自旋产生磁矩

这两种不同取向的自旋具有不同的能量。与外磁场相同取向的自旋能量较低，另一种能量较高。这两种取向的能量差△E可用式（12-1）表示：h·TH(12-1)4E:2TT式中h为普郎克（Planck）常数；r为磁旋比（magnetogyric ratio），对于特定原子核，r为一常数（如质子r为2.6750）；H为外加磁场强度。从式（12-1）可知，两种取向的能差与外加磁场有关，外磁场越强它们的能差越大。图12-3清楚地表示外加磁场强度与两种自旋的能差的关系。当外磁场强度为H时，能差为△E1.H2时能差为^E2，因H2>H1，所以^E2>△E1

这两种不同取向的自旋具有不同的能量。与外磁 场相同取向的自旋能量较低，另一种能量较高。这两 种取向的能量差△E可用式（12-1)表示： 式中h为普郎克（Planck)常数；r为磁旋比 （magnetogyric ratio)，对于特定原子核，r为一常 数(如质子r为2. 675 0)；H为外加磁场强度。从式 （12-1 )可知，两种取向的能差与外加磁场有关，外 磁场越强它们的能差越大。图12-3清楚地表示外加磁 场强度与两种自旋的能差的关系。当外磁场强度为H1 时，能差为△E1,H2时能差为△E2，因H2＞H1，所以△E2 ＞△E1

AEABHHiH图12-3不同磁场强度时两种自旋的能差

与外加磁场方向相同的自旋吸收能量后可以跃迁到较高能级，变为与外磁场方向相反的自旋。申磁辐射可以有效地提供能量。当辐射能恰好等于跃迁所需要能量时，即E辐=hv=^E，就会发生这种自旋取向的变化，即核磁共振。因两种自旋状态的能差（△E)与外磁场强度有关所以发生共振的辐射频率也随外加磁场强度变化很容易找到它们之间的关系。将式（12-1）代入E辐=hv=△E式可得到式（12-2）。hrhyTH(12-2)2T

与外加磁场方向相同的自旋吸收能量后可以跃 迁到较高能级，变为与外磁场方向相反的自旋。电 磁辐射可以有效地提供能量。当辐射能恰好等于跃 迁所需要能量时，即E辐=hv =△E，就会发生这种自 旋取向的变化，即核磁共振。 因两种自旋状态的能差(△E)与外磁场强度有关， 所以发生共振的辐射频率也随外加磁场强度变化。 很容易找到它们之间的关系。将式（12-1)代入 E辐=hv =△E式可得到式（12-2)

由式（12-2)可求得不同磁场强度时发生共振所需的辐射频率。如果固定磁场强度，根据式(12-2)可求出共振所需频率。如外加磁场强度为1.4092T，辐射频率v应为2.6750/（2πx1.4092)=60MHz，同样，若同定辐射频率也可求出外磁场强度。目前核磁共振主要有两种操作方式：固定磁场扫频和固定辐射频率扫场。后者操作方便较为通用。常用核磁共振仪结构示意如图12-4

由式（12-2)可求得不同磁场强度时发生共振 所需的辐射频率。如果固定磁场强度，根据式 (12-2)可求出共振所需频率。如外加磁场强度为 1.4092T，辐射频率ν应为2. 6750/(2πx1.4092) =60MHz。同样，若同定辐射频率也可求出外磁场强 度。 目前核磁共振主要有两种操作方式：固定磁场 扫频和固定辐射频率扫场。后者操作方便 较为通用。 常用核磁共振仪结构示意如图12-4

样品管川牌瓜磁铁磁铁AML辐射频率发生器接收及放大器记录器图12-4核磁共振结构示意

图12-4核磁共振结构示意

将样品置于强磁场内，通过辐射频率发生器产生同定频率的无线电波辐射。同时在扫描线圈通入直流电使总磁场强度稍有增加（扫场）。当磁场强度增加到一定值，满足式（12-2时，辐射能等于两种不同取向自旋的能差，则会发生共振吸收。信号被接收、放大并被记录仪记录。目前最常用的仪器为300MH，、400MHz、600MH,等。一般，兆赫（MHz）数越高，分瓣率越好

将样品置于强磁场内，通过辐射频率发生器产 生同定频率的无线电波辐射。同时在扫描线圈通入 直流电使总磁场强度稍有增加（扫场）。当磁场强 度增加到一定值，满足式（12-2)时，辐射能等于 两种不同取向自旋的能差，则会发生共振吸收。信 号被接收、放大并被记录仪记录。目前最常用的仪 器为300MHz、400MHz、600MHz等。一般，兆赫 （MHz)数越高，分辨率越好