核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料

1、核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告地點(diǎn)：農(nóng)業(yè)大學(xué)專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）：應(yīng)用化工201402 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師：實(shí)驗(yàn)日期：2016年5月31日核磁共振測(cè)有機(jī)物結(jié)構(gòu)一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)原理：核磁共振現(xiàn)象來(lái)源于原子核的自旋角動(dòng)量在外加磁場(chǎng)作用下的進(jìn)動(dòng)。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(dòng)量， 其自旋角動(dòng)量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子 數(shù)決定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同類(lèi)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(hào)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(shí)，會(huì)由自旋產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)量成正比。將原子核置于外加磁場(chǎng)中，若原子核磁矩與外加磁場(chǎng)方向不同， 則原子核磁矩會(huì)繞外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)， 這一現(xiàn)象類(lèi)似陀螺在 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的擺動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)具有能量也具有一定的頻率。原子核進(jìn)動(dòng)的頻率由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說(shuō)，對(duì)于某一特定原子，在一定強(qiáng)度的的

3、外加磁場(chǎng)中，其原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率是固定不變的。原子核發(fā)生進(jìn)動(dòng)的能量與磁場(chǎng)、原子核磁矩、以及磁矩與磁場(chǎng)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(chǎng)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(jí)。當(dāng)原子核在外加磁場(chǎng)中接受其他來(lái)源的能量輸入后，就會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷， 也就是原子核磁矩與外加磁場(chǎng)的夾角會(huì)發(fā)生變化。這種能級(jí)躍遷是獲取核磁共振信號(hào)的基礎(chǔ)。為了讓原子核自旋的進(jìn)動(dòng)發(fā)生能級(jí)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(guò)外加射頻場(chǎng)來(lái)提供的。根據(jù)物理學(xué)原理當(dāng)外加射頻場(chǎng)的頻率與原子核自旋

4、進(jìn)動(dòng)的頻率相同的時(shí)候，射頻場(chǎng)的能量才能夠有效地被原子核吸收， 為能級(jí)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(chǎng)中， 只吸收某一特定頻率射頻場(chǎng)提供的能量， 就形成了一個(gè)核磁共振信號(hào)。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(cè)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。化學(xué)位移值主要用于推測(cè)基團(tuán)類(lèi)型及所處化學(xué)環(huán)境。化學(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(tuán)的電負(fù)性、非球形對(duì)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(lái)推測(cè)1H的化學(xué)環(huán)境是很有價(jià)值的。目前總結(jié)出了多種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可預(yù)測(cè)處于不同化學(xué)環(huán)境的各種基團(tuán)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(gè)重要信息，所謂耦合指的是臨近原子核自旋角動(dòng)量的相互影響，這種原子核自旋角動(dòng)量的相互作用會(huì)改變?cè)雍俗孕谕獯艌?chǎng)中進(jìn)動(dòng)的能級(jí)分布狀況， 造成能級(jí)的裂分，進(jìn)而造成NMR譜圖中的信號(hào)峰形狀發(fā)生變化， 通過(guò)解析這些峰形的變化，可以推測(cè)出分子結(jié)構(gòu)中各原子之間的連接關(guān)系。最后，信號(hào)強(qiáng)度是核磁共振譜的第三個(gè)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(huì)顯示為同一個(gè)信號(hào)峰

6、，通過(guò)解析信號(hào)峰的強(qiáng)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(hào)峰強(qiáng)度的是信號(hào)峰的曲線下面積積分，這一信息對(duì)于1H-NMR譜尤為重要，而對(duì)于 13C-NMR譜而言，由于峰強(qiáng)度和原子核數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系 并不顯著，因而峰強(qiáng)度并不非常重要。核磁共振波譜測(cè)定時(shí)，通常是用適當(dāng)?shù)娜軇⒃嚇尤芙?，參考物TMS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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(chǎng)中心的樣品腔中，打開(kāi)氣流開(kāi)關(guān)，使樣品管旋轉(zhuǎn)。(2) 按照具體實(shí)驗(yàn)儀器的操作說(shuō)明，進(jìn)行勻場(chǎng)，鎖場(chǎng)。(3) 設(shè)置實(shí)驗(yàn)合適的參數(shù)，采集信號(hào)，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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)名亞甲基周?chē)B有一個(gè)甲基，另一邊連 有極性較強(qiáng)的基團(tuán)，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(chǎng)移動(dòng)并且周?chē)⑽催B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(shuō)明周?chē)鷽](méi)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?chē)B有羰基，使亞甲基向低場(chǎng)移動(dòng)。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(gè)峰，質(zhì)子數(shù)為 5,可說(shuō)明有一個(gè)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(gè)甲基且周?chē)赡苓B一個(gè)“-CH-”鍵，由于為6個(gè)質(zhì)子，可能連有2個(gè)甲基且化學(xué)環(huán)境相同。5. S =2.8-2.5 一個(gè)質(zhì)子，可能是連有“ -CH- ”鍵，由于有多重峰，說(shuō)明那個(gè)周?chē)B有多個(gè)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(xiàng)：制樣中的注意點(diǎn)（1）要得到高分辨率的譜圖，樣品溶液中絕對(duì)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(guò)濾到樣品管中。（2）測(cè)試微量樣品時(shí)，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(huì)出現(xiàn)一個(gè)7Hz裂分的雙峰，可能來(lái)自丙氨酸或者乳酸。（3） 控制樣品量，一般對(duì)于1H-NMR來(lái)說(shuō)需要的量比較小， 大概幾個(gè)毫微摩爾就可以了， 對(duì)于二纖維譜和碳譜濃度就要比較大，最好有幾十個(gè)毫摩爾。（4）氘代溶劑選擇時(shí)需要注意使樣品容溶解，溶劑峰和樣品峰沒(méi)有重疊，黏度低，并且 價(jià)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(zhǎng)度為 4cm左右, 溶劑量太小會(huì)影響勻場(chǎng)，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的濃度和譜圖的效果，溶劑量太大會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)。（6）盡量選用優(yōu)質(zhì)核磁樣品管，樣品管必需清洗干凈，無(wú)殘留溶劑和雜質(zhì)，以免影響測(cè)試結(jié)果，并且最好不要在核磁管上亂貼標(biāo)簽，這會(huì)導(dǎo)致核磁管軸向的不均衡，在樣品旋轉(zhuǎn)時(shí)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(diǎn)：（6）樣品在磁場(chǎng)的位置很重要，應(yīng)保證處在磁場(chǎng)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(duì)磁體、勻場(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)，磁性核在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生核自旋能級(jí)的躍遷，從低能態(tài)躍遷至高能 態(tài)需吸收能量，外加磁場(chǎng)能量要足夠大，場(chǎng)強(qiáng)足夠強(qiáng)。3只有那些能量與核自旋能級(jí)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(jí)的能量差很小，所以共振吸收的電磁輻射波長(zhǎng)較長(zhǎng)，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(chǎng)中時(shí)，在外加磁場(chǎng)的作用下，電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，其方向與外加磁場(chǎng)相反，因而外圍電子云起到對(duì)抗磁場(chǎng)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(hào)，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時(shí)吸收電磁波的頻率不同，即由屏蔽作用所引起的共振時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的移動(dòng)，在譜圖上出現(xiàn)的位置不同，各類(lèi)氫原子的這種差異被稱為化學(xué)位移。