1、核磁共振实验报告核磁共振实验报告核磁共振实验报告地点：四川农业大学专业（班级）：应用化工201402姓名： 学号：指导教师：实验日期：2016年 5月31 日核磁共振测有机物结构一、实验目的：1学习核磁共振波谱的原理；2学习1H核磁共振谱图的解析方法；3了解核磁共振谱仪的工作原理及基本操作方法；二、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
2、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
3、于某一特定原子，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
4、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。 1H NMR可提供三方面的信息，即化学位移值、耦合常数和裂分峰形以及各峰面积的积分线，根据这三方面的信息可以推测有机物的结构。化学位移值主要用于推测基团类型及所处化学环境。化学位移值与核外电子云密度有关，因此凡是影响电子云密度的因素都将影响1H化学位移。其中包括与1H相邻元素和基团的电负性、非球形对称电子云产生的磁各向异性效应、氢键以及溶剂效应等。尽管影响1H化学位移值得因素
5、较多，但化学位移值与这些因素之间的关系存在一定的规律性，在给定条件下化学位移值能重复出现。因此根据化学位移值来推测1H的化学环境是很有价值的。目前总结出了多种经验计算公式，可预测处于不同化学环境的各种基团的化学位移值。 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
6、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。 核磁共振波谱测定时，通常是用适当的溶剂将试样溶解，参考物TMS作为内标加入其中。为了避免溶剂中的1H干扰，通常使用氘代溶剂或四氯化碳等不含氢的溶剂。所谓氘代溶剂是指溶剂是指溶剂分子中的氢原子被重氢，即氘（D）所取代，常用的氘代试剂有氘代氯仿、氘代丙酮、重水等。三、实验仪器与试剂1. PicoSpin 80型核磁共
7、振谱仪2.试样管 5mm3.其他 滴管、不锈钢样品勺、小试管刷等4.试样 甲苯、异丙苯、乙酰乙酸乙酯5.参考物 TMS6.溶剂 氘代氯仿（含1%TMS）四、实验内容：(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-NM
8、R谱图。(4) 打印谱图。五、核磁共振谱图图分析：甲苯 1C7H8饱和度为42有两组峰，且都为单峰，说明有两种环境质子处于孤立的环境。3由于峰宽比5:3，5+3=8，符合分子式，在=7.25处可知有苯环，且为单取代，=2.25处可知有甲基3. 综合质子比，饱和度，可得知该化合物为甲苯EAA1.有4种峰说明有4中质子在不同环境。2分子式 C6H10O3饱和度为23.质子比3:3:2:2，3+3+2+2=10符合分子式4.在=0.75-1.25处有三组峰，可说明有烷基相连，且该组分为甲基，相邻部位连有亚甲基。=3.75-4.25处有4组峰，质子数为2可是说名亚甲基周围连有一个甲基，另一边连有极性较
9、强的基团，例如“-O-”键。5. =2.0处有一单峰，可得有一烷基与“C=0”键相连，是烷基向低场移动并且周围并未连接有H质子，据质子比得知该处为“CH3-”6. =3.25处一单峰，且说明周围没有氢质子，据质子比，质子为2，且可得是亚甲基，且可能周围连有羰基，使亚甲基向低场移动。7.综合上述，该化合物为异丙苯1.异丙苯饱和度为42.质子比:5:1：6有三种环境的质子，5+1+6=12质子符合分子式3. =6.75-7.25处一个峰，质子数为5，可说明有一个苯环且为单取代。4. =1.0-1.8处有2组峰，可以连有一个甲基且周围可能连一个“-CH-”键，由于为6个质子，可能连有2个甲基且化学环
10、境相同。5. =2.8-2.5一个质子，可能是连有“-CH-”键，由于有多重峰，说明那个周围连有多个氢质子。6.综合上述及分子式得知该化合物六、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1,4ppm mm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
11、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
12、，盛装低温液体的同心杜瓦可能被强力撞裂。七、思考题1.产生核磁共振的必要条件是什么？答：1原子核必须具有核磁性质，即必须是磁性核 (或称自旋核)具有自旋现象，自旋量子数不为0。 2需要有外加磁场，磁性核在外磁场作用下发生核自旋能级的跃迁，从低能态跃迁至高能态需吸收能量，外加磁场能量要足够大，场强足够强。3只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收，这就是核磁共振波谱的选择性。由于核磁能级的能量差很小，所以共振吸收的电磁辐射波长较长，处于射频辐射光区。2何谓屏蔽作用及化学位移？答：屏蔽作用：处于磁场中时，在外加磁场的作用下，电子的运动产生感应磁场，其方向与外加磁场相反，因而外围电
13、子云起到对抗磁场的作用。 化学位移：化学位移是用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，即由屏蔽作用所引起的共振时磁感应强度的移动，在谱图上出现的位置不同，各类氢原子的这种差异被称为化学位移。3. 简述偶合和自旋裂分产生的原因。偶合作用的大小如何表示和测量？答：偶合和自旋裂分产生的原因：相邻两个氢核之间的自旋干扰（自旋偶合）；一般在质子间相隔3个键发生由自旋偶合所引起的谱线增多的现象称为自旋裂分。偶合作用的大小用偶合常数表示，偶合作用测量多重峰的锋间距4.核磁共振波谱能为有机化合物结构分析提供哪些信息？化学位移：推测质子的类型及化学环境；自旋裂分：峰数、峰裂距推测核间关系；峰积分值：得出氢分布，氢个数。
