核磁共振實驗報告

1、.核磁共振實驗報告地點：四川農(nóng)業(yè)大學專業(yè)（班級）：應用化工201402姓名： 學號：指導教師：實驗日期：2016年 5月31 日核磁共振測有機物結(jié)構(gòu)一、實驗目的：1 學習核磁共振波譜的原理；2 學習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)

2、量數(shù)為偶數(shù)，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、17O、19F、31P 由于原子核攜帶電荷，當原子核自旋時，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

3、度的的外加磁場中，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，根據(jù)量子力學原理，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。 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)物理學原理當外加射頻場的頻率與原

4、子核自旋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，這樣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位移值主要用于推測基團類型及所處化學環(huán)境?；瘜W位移值與核外電子云密度有關，因此凡是影響電子云密度的因素都將影響1H化學位移。其中包括與1H相鄰元素和基團的電負性、非球形對稱電子云產(chǎn)生的磁各向異性效應、氫鍵以及溶劑效應等。盡管影響1H化學位移值得因素較多，但化學位移值與這些

5、因素之間的關系存在一定的規(guī)律性，在給定條件下化學位移值能重復出現(xiàn)。因此根據(jù)化學位移值來推測1H的化學環(huán)境是很有價值的。目前總結(jié)出了多種經(jīng)驗計算公式，可預測處于不同化學環(huán)境的各種基團的化學位移值。 耦合常數(shù)是化學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，處于相同化學環(huán)境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信

6、號峰，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)量的對應關系并不顯著，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?shù)娜軇⒃嚇尤芙?，參考物TMS作為內(nèi)標加入其中。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 5mm

7、3.其他 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、實驗內(nèi)容：(1) 樣品制備：一般采用5mm的標準樣品管，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，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) 設置實驗合適的參數(shù)，采集信號，相應調(diào)整，確定化學位移，積分，得到1H-NMR譜圖。(4) 打印譜圖

8、。五、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=7.25處可知有苯環(huán)，且為單取代，=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EAA1.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3:3:2:2，3+3+2+2=10符合分子式4.在=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。=3.75-4.25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

9、-”鍵。5. =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“CH3-”6. =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，該化合物為異丙苯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. =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. =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個甲基且化學環(huán)境相同。5. =2.

10、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.綜合上述及分子式得知該化合物六、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

11、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簽，這會導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） 注意將磁性物體遠離磁體，它們可能對磁體、勻場線圈和探頭造成嚴重損壞，盛裝

12、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。 化學位移：化學位移是用核磁共振儀可以記錄到有關信號，處在不同化學環(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位移。3. 簡述偶合和自旋裂分產(chǎn)生