核磁共振實驗報告材料

1、核磁共振實驗報告地點：農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)（班級）：應(yīng)用化工201402 學(xué)號： 指導(dǎo)教師：實驗日期：2016年5月31日核磁共振測有機物結(jié)構(gòu)一、實驗?zāi)康模?. 學(xué)習(xí)核磁共振波譜的原理；2. 學(xué)習(xí)1H核磁共振譜圖的解析方法；3. 了解核磁共振譜儀的工作原理及基本操作方法；二、實驗原理：核磁共振現(xiàn)象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進動。根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核與電子一樣， 也具有自旋角動量， 其自旋角動量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子 數(shù)決定，實驗結(jié)果顯示，不同類型的原子核自旋量子數(shù)也不同：質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為0 ;質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為半整數(shù)；質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，

2、質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為整數(shù)。迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有：1H > 11B、13C、170、19F、31P由于原子核攜帶電荷，當(dāng)原子核自旋時，會由自旋產(chǎn)生一個磁矩，這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同，大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同， 則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉(zhuǎn)， 這一現(xiàn)象類似陀螺在 旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動軸的擺動，稱為進動。進動具有能量也具有一定的頻率。原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的的

3、外加磁場中，其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。原子核發(fā)生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關(guān)，根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化， 這樣就形成了一系列的能級。當(dāng)原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發(fā)生能級躍遷， 也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發(fā)生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎(chǔ)。為了讓原子核自旋的進動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據(jù)物理學(xué)原理當(dāng)外加射頻場的頻率與原子核自旋

4、進動的頻率相同的時候，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收， 為能級躍遷提供助力。因這樣此某種特定的原子核， 在給定的外加磁場中， 只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量， 就形成了一個核磁共振信號。1H NMR可提供三方面的信息，即化學(xué)位移值、耦合常數(shù)和裂分峰形以及各峰面積的積分線，根據(jù)這三方面的信息可以推測有機物的結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)位移值主要用于推測基團類型及所處化學(xué)環(huán)境?；瘜W(xué)位移值與核外電子云密度有關(guān)，因此凡是影響電子云密度的因素都將影響1H化學(xué)位移。其中包括與1H相鄰元素和基團的電負(fù)性、非球形對稱電子云產(chǎn)生的磁各向異性效應(yīng)、氫鍵以及溶劑效應(yīng)等。盡管影響1H化學(xué)位移值得因素較多，但化學(xué)位移值與這些因

5、素之間的關(guān)系存在一定的規(guī)律性，在給定條件下化學(xué)位移值能重復(fù)出現(xiàn)。因此根據(jù)化學(xué)位移值來推測1H的化學(xué)環(huán)境是很有價值的。目前總結(jié)出了多種經(jīng)驗計算公式，可預(yù)測處于不同化學(xué)環(huán)境的各種基團的化學(xué)位移值。耦合常數(shù)是化學(xué)位移之外核磁共振譜提供的的另一個重要信息，所謂耦合指的是臨近原子核自旋角動量的相互影響，這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進動的能級分布狀況， 造成能級的裂分，進而造成NMR譜圖中的信號峰形狀發(fā)生變化， 通過解析這些峰形的變化，可以推測出分子結(jié)構(gòu)中各原子之間的連接關(guān)系。最后，信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息，處于相同化學(xué)環(huán)境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰

6、，通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子核的數(shù)量，從而為分子結(jié)構(gòu)的解析提供重要信息。表征信號峰強度的是信號峰的曲線下面積積分，這一信息對于1H-NMR譜尤為重要，而對于 13C-NMR譜而言，由于峰強度和原子核數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系 并不顯著，因而峰強度并不非常重要。核磁共振波譜測定時，通常是用適當(dāng)?shù)娜軇⒃嚇尤芙猓瑓⒖嘉颰MS作為標(biāo)加入其中。為了避免溶劑中的1H干擾，通常使用氘代溶劑或四氯化碳等不含氫的溶劑。所謂氘代溶劑是指溶劑是指溶劑分子中的氫原子被重氫，即氘（D ）所取代，常用的氘代試劑有氘代氯仿、氘代丙酮、重水等。三、實驗儀器與試劑1. PicoSpin 80型核磁共振譜儀2. 試樣管5mm3其

7、他 滴管、不銹鋼樣品勺、小試管刷等4試樣甲苯、異丙苯、乙酰乙酸乙酯5. 參考物TMS6. 溶劑氘代氯仿（含1%TMS ）四、實驗容：(1) 樣品制備：一般采用 5mm的標(biāo)準(zhǔn)樣品管，樣品十幾毫克至幾十毫克，對于PFT-NMR而言，1H-NMR譜一般只需要1mg左右甚至更少。根據(jù)樣品性質(zhì)，選擇好氘代試劑，溶解后加入樣品管，塞好樣品管，擦拭干凈后，放入轉(zhuǎn)子中，用量筒調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)子位置，即 可放入磁場中心的樣品腔中，打開氣流開關(guān)，使樣品管旋轉(zhuǎn)。(2) 按照具體實驗儀器的操作說明，進行勻場，鎖場。(3) 設(shè)置實驗合適的參數(shù)，采集信號，相應(yīng)調(diào)整，確定化學(xué)位移，積分，得到1H-NMR譜圖。(4) 打印譜圖。五、

8、核磁共振譜圖圖分析：甲苯1 C7H8飽和度為42. 有兩組峰，且都為單峰，說明有兩種環(huán)境質(zhì)子處于孤立的環(huán)境。3. 由于峰寬比5:3 , 5+3=8，符合分子式，在3=7.25處可知有苯環(huán)，且為單取代，3=2.25處可知有甲基3. 綜合質(zhì)子比，飽和度，可得知該化合物為甲苯EAA I I * I ' I 1 I II I 1 I I | ! | I I ' F' I I I | I I I' I | | I I! | I1 'I I I 1 IBZ 12.0 11, $ | Q1(10 Q5 fl, 0 R. -5i Jt,0 7. S 7, D fa S.

9、氐唱 & 9 亂。4. S 4. 3L 5 X 0 2 5 10 1 久 L.O Q $ 0 <1fj d科1有4種峰說明有4中質(zhì)子在不同環(huán)境。2分子式C6H10O3飽和度為23.質(zhì)子比3:322，3+3+2+2=10符合分子式4在3 =0.75-1.25處有三組峰，可說明有烷基相連，且該組分為甲基，相鄰部位連有亞甲基。3 =3.75-4.25處有4組峰，質(zhì)子數(shù)為2可是說名亞甲基周圍連有一個甲基，另一邊連 有極性較強的基團，例如“ -O- ”鍵。5. 3 =2.0處有一單峰，可得有一烷基與“C=0”鍵相連，是烷基向低場移動并且周圍并未連接有H質(zhì)子，據(jù)質(zhì)子比得知該處為“CHL

10、9;6. 3 =3.25處一單峰，且說明周圍沒有氫質(zhì)子，據(jù)質(zhì)子比，質(zhì)子為 2,且可得是亞甲基， 且可能周圍連有羰基，使亞甲基向低場移動。7.綜合上述，該化合物為1異丙苯飽和度為 42質(zhì)子比：5:1: 6有三種環(huán)境的質(zhì)子，5+1+6=12質(zhì)子符合分子式3. S =6.75-7.25處一個峰，質(zhì)子數(shù)為 5,可說明有一個苯環(huán)且為單取代。4. S =1.0-1.8處有2組峰，可以連有一個甲基且周圍可能連一個“-CH-”鍵，由于為6個質(zhì)子，可能連有2個甲基且化學(xué)環(huán)境相同。5. S =2.8-2.5 一個質(zhì)子，可能是連有“ -CH- ”鍵，由于有多重峰，說明那個周圍連有多個氫 質(zhì)子。6. 綜合上述及分子式

11、得知該化合物h3C六、注意事項：制樣中的注意點（1）要得到高分辨率的譜圖，樣品溶液中絕對不能有懸浮的灰塵和纖維，一般情況下用 棉花和濾紙把樣品直接過濾到樣品管中。（2）測試微量樣品時，要帶手套處理樣品，以防止手指上的微量懸浮物溶在溶液中，否則1H-NMR譜中1,4ppm mm會出現(xiàn)一個7Hz裂分的雙峰，可能來自丙氨酸或者乳酸。（3） 控制樣品量，一般對于1H-NMR來說需要的量比較小， 大概幾個毫微摩爾就可以了， 對于二纖維譜和碳譜濃度就要比較大，最好有幾十個毫摩爾。（4）氘代溶劑選擇時需要注意使樣品容溶解，溶劑峰和樣品峰沒有重疊，黏度低，并且 價格便宜。（5） 控制溶劑量，一般樣品的溶劑量應(yīng)

12、該為0.5ml，大概在核磁管中的長度為 4cm左右, 溶劑量太小會影響勻場，進而影響實驗的濃度和譜圖的效果，溶劑量太大會導(dǎo)致浪費。（6）盡量選用優(yōu)質(zhì)核磁樣品管，樣品管必需清洗干凈，無殘留溶劑和雜質(zhì)，以免影響測試結(jié)果，并且最好不要在核磁管上亂貼標(biāo)簽，這會導(dǎo)致核磁管軸向的不均衡，在樣品旋轉(zhuǎn)時影響mm分別率，還有可能大碎核磁管造成重大損失。其它注意點：（6）樣品在磁場的位置很重要，應(yīng)保證處在磁場的幾何中心，除非有其它要求。（7）注意將磁性物體遠(yuǎn)離磁體，它們可能對磁體、勻場線圈和探頭造成嚴(yán)重?fù)p壞，盛裝 低溫液體的同心杜瓦可能被強力撞裂。七、思考題1產(chǎn)生核磁共振的必要條件是什么？答：1 原子核必須具有核

13、磁性質(zhì)，即必須是磁性核（或稱自旋核）具有自旋現(xiàn)象，自旋量子數(shù)不為0。2需要有外加磁場，磁性核在外磁場作用下發(fā)生核自旋能級的躍遷，從低能態(tài)躍遷至高能 態(tài)需吸收能量，外加磁場能量要足夠大，場強足夠強。3只有那些能量與核自旋能級能量差相同的電磁輻射才能被共振吸收，這就是核磁共振波譜的選擇性。由于核磁能級的能量差很小，所以共振吸收的電磁輻射波長較長，處于射頻輻射光區(qū)。2 何謂屏蔽作用及化學(xué)位移？答：屏蔽作用：處于磁場中時，在外加磁場的作用下，電子的運動產(chǎn)生感應(yīng)磁場，其方向與外加磁場相反，因而外圍電子云起到對抗磁場的作用。化學(xué)位移：化學(xué)位移是用核磁共振儀可以記錄到有關(guān)信號，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時吸收電磁波的頻率不同，即由屏蔽作用所引起的共振時磁感應(yīng)強度的移動，在譜圖上出現(xiàn)的位置不同，各類氫原子的這種差異被稱為化學(xué)位移。