核磁共振实验报告

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1、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

2、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

3、决定，也就是说，对于某一特定 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

4、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。iHNMR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

5、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

6、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。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iH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

7、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 8型0核磁共振谱仪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, iH-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

8、。按照具体实验仪器的操作说明，进行匀场, 锁场。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谱图。打印谱图。五、核磁共振谱图图分析：甲苯-i：mn-I2DII -ILOO -loan -noo -叔-fiiXI-500 -lea -SCO-aoti-100-ii-LOO1. C7H8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6=7.25处可知有苯环，且为单取代，6 =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EAA-iW-：Wirxi1有4种峰说明有4中

9、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6 =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。 6 =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 强的基团，例如“-0-”键。5. 6 =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“ CH-”36. 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

10、. 综合上述，该化合物为2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=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. 6=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个甲基且化学环境相同。5. 6 =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CH5六、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

11、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iH-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

12、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。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，

13、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。