有机分子结构的NMR 氢谱测定
一、 实验目的和要求
1、 了解NMR 波谱仪的基本原理；
2、 学习仪器采样参数的设置及数字信号处理方法；
3、 解析简单的有机分子1H-NMR 谱。
二、
实验内容和原理 1H-核磁共振(1H-NMR)也称为质子核磁共振，是研究化合物中1H 原子核(也即质子)的核磁共振。可提供化合物分子中氢原子所处的不同的化学环境和它们之间相互关联的信息，从而可确定分子的组成、连接方式及其空间结构等。
1) 化学位移及自旋-自旋分裂
依照核磁共振产生的条件，由于1H 核的核旋比是一定的，所以当外磁场一定时，所有的质子的共振频率应该是一样的。但在实际测定化合物中处于不同化学环境中的质子时发现，其共振频率是有差异的。产生
这一现象的主要原因是由于原子核周围存在电子云，在不同的化学环境中，核周围电子云密度是不同的。当原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，就像形成了一个磁屏蔽，使外磁场对原子核的作用减弱了，即实际作用在原子核上的磁场为H 0(1-σ)而不是H 0，其中σ称为屏蔽常数，它反映了核所处的化学环境。在外磁场H 0的作用下，核的实际共振频率为
0(1)2H γσνπ
-= 也就是共振频率发生了变化，在谱图上反映出谱峰的位置移动了，这称为化学位移。由于不同化学环境的质子σ值不同，在谱图的不同位置出峰，所以在核磁共振中，可以用化学位移的大小来测定化合物的结构。
高分辨谱图的每组谱峰会发生分裂，这种现象称为自旋-自旋分裂。分子内部相邻碳原子上氢核自旋也会互相干扰，通过成键电子之间的传递，形成相邻质子之间的自旋-自旋耦合，而导致自旋-自旋分裂。分裂峰数是由相邻碳原子上的氢原子数决定的。若相邻碳原子氢数为n ，则分裂峰数为n +1。其峰面积之比为二项展开式系数。分裂峰之间的距离称为耦合常数，一般用J 表示，单位为Hz 。J 是核之间耦合强弱的标志，它说明了他们之间相互作用的能量，因此是化合物结构的属性，与外磁场强度的大小无关。
2) 谱图表示方法
用核磁共振分析化合物分子结构，化学位移和耦合常数是两个很重要的信息。在核磁共振波谱图上，横坐标表示的是化学位移和耦合常数，而纵坐标表示的是吸收峰的强度。
在核磁共振测定中，外磁场强度一般高达几个特斯拉，而屏蔽常数不到万分之一特斯拉。依照△E △t ≈h /2π知，由于屏蔽效应而引起质子共振频率的变化量是极小的，很难分辨，因此，采用相对变化量来表示化学位移的大小。在一般情况下选用四甲基硅烷(TMS)为标准物，把TMS 峰在横坐标的位置定为横坐标的原点(一般在谱图右端)。
//Hz MHz
υδ∆=振荡器工作频率 式中：△υ为各吸收峰与TMS 吸收峰之间共振频率的差值；δ是一个比值，用ppm
计量，与磁场强度无关，各种不同仪器上测定的数值是一样的。有时也用τ(τ=10-δ)作为化学位移的参数。
3) 核磁共振波谱仪
核磁共振谱仪是检测和记录核磁共振现象的仪器。用于有机结构分析的谱仪需要检测不同化学环境磁核的化学位移以及磁核之间自旋耦合产生的精细结构，所以必须具有高的分辨率。高分辨核磁共振谱仪的型号、种类很多，按照产生磁场的来源不同。可分为永久磁铁、电磁铁、核超导磁体三种，按照外磁场强度不同而所需的照射频率不同可分为60MHz 、200MHz 、300MHz 、500MHz 、900MHz 等型号，但最重要的一种分类是根据射频的照射方式不同，将仪器分为连续波核磁共振谱仪(CW-NMR)和脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪(PFT-NMR)两大类。
CW-NMR 谱仪主要由磁体、射频(RF)发生器、射频放大和接收器、探头、频率或磁场扫描单元以及信号放大和显示单元等部件组成；PFT-NMR 谱仪和CW-NMR 不同的是该类仪器不用扫描磁场或频率的方式来收集不同化学环境的磁核的共振信号，而是在外磁场保持不变的条件下，使用一个强而短的射频脉冲照射样品，所有的同类磁核同时被激发，从低能级跃迁到高能级，然后通过弛豫逐步恢复玻尔兹曼平衡，在此过程中，射频接收线圈可以接收到一个随时间衰减的信号，称为FID(free induction decay)信号，将FID 信号通过傅里叶变换将时间信号转化为我们熟悉的频率信号，即频率域谱图。
三、 仪器与试剂
仪器：高分辨核磁共振波谱仪(CW-NMR 或PFT-NMR)，NMR 样品管。
试剂：标准乙基苯5%样品：TMS(四甲基硅烷)。
四、
操作方法和实验步骤  (1) 样品制备。一般采用5mm 的标准样品管，样品量为十几个毫克至几十个毫克，对PFT-NMR 而言，1H-NMR 谱一般只需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，塞好样品塞，擦拭干净后，放入转子中，用量管调整好转子位置，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) 设置合适的参数，采集信号，相位调整，确定化学位移，积分，得到1H-NMR 谱图。
(4) 打印谱图。
(由于实验室仪器条件限制，具体实验操作并未进行。实验老师带领学生参观了国产老式核磁共振波谱仪，介绍了其结构、原理、操作注意点等等。)
五、 实验结果与分析
谱图解析：
1、 2-phenylpropane-1,3-diol
(1) 7.2~7.3有峰，说明有苯环；积分为5，说明是单取代苯。
(2) 4.7出现一个孤立峰，为羟基氢峰。
(3)3.7附近出现两组峰，各裂分为三个峰，总共积分为4，因而判断为两个化学环境相似的亚甲基。
(4)2.9附近出现一组裂分为5个的峰，积分为1，判断为次甲基。
(5)根据以上结论可大致模拟出以下结构：
OH
OH
(6)对该结构式进行进一步验证，化学位移和裂分情况都符合，因此模拟结构式正确。
2、4ram [N1,N1'-(butane-1,4-diyl)bis(N1-(3-aminopropyl)propane-1,3-diamine)]
分子式C16H40N4分子质量Mw=288
Ha 1.49ppm H=2 Hb 2.36ppm H=6 Hc 1.65ppm H=4 Hd 2.65ppm H=4
结构式：
N N
NH2
NH2
H2N
H2N
(1)4.7出现一个比较大的峰，由于谱图分辨率有限，裂分情况看得不很清楚，仅凭化学位移将其归属为
直接与氮原子相连的氢，因为相邻的氮原子电负性较大，氢原子周围电子云密度减小，屏蔽程度相应减小，故化学位移增大。
(2)3.2附近出现一个小峰，可能是与氮直接相连的中间两个等同的亚甲基。
(3)2.5附近出现一组裂分的峰，可能是与末端氮原子直接相连的四个等同的亚甲基。
(4)2.3附近出现一组裂分的峰，可能是与中间两个氮原子相连的四个等同的亚甲基。
(5)1.5附近出现一组裂分的峰，可能是与末端氮原子相隔一个亚甲基连接的四个等同的亚甲基。
(6)2.3附近出现一组裂分的峰，可能是最中间两个等同的亚甲基。
3、8ram
分子式C40H96N14 分子质量Mw=772
Ha 1.49 ppm H=5*2=10 Hb 2.36ppm H=18*2=36 Hc 1.65ppm H=8*2=16 Hd 2.65ppm H=8*2=16
结构式：
N N
N
N
N
N H2N
H2N NH2 NH2
H2N H2N NH2 NH2
(1)4.7出现一个比较大的峰，由于谱图分辨率有限，裂分情况看得不很清楚，仅凭化学位移将其归属
为直接与氮原子相连的氢，因为相邻的氮原子电负性较大，氢原子周围电子云密度减小，屏蔽程度相应减小，故化学位移增大。
(2) 2.9附近出现一个小峰，可能是与氮直接相连的中间两个等同的亚甲基。
(3) 2.5附近出现一组裂分的峰，可能是与末端氮原子直接相连的八个等同的亚甲基。
(4) 2.3~2.4之间出现一组裂分的峰，可能是与非末端氮原子相连的十六个的亚甲基，是若干组峰的重
叠。
(5) 1.5附近出现一组裂分的峰，可能是与非末端的四个氮原子相隔一个亚甲基连接的十个亚甲基，是
若干组峰的重叠。
(6) 1.5附近出现一组裂分的小峰，可能是与最中心的两个个氮原子相隔一个亚甲基连接的四个向外伸
展的亚甲基。
4、 phenethyl propionate (丙酸苯乙酯)
由于在SDBS 和Aldrich 等网站均没有查到丙酸苯乙酯的标准氢谱、碳谱，在此用chemdraw 的模拟图来代替。
(1) 7.2~7.4的是苯环上的氢峰。其中7.4的峰是苯环取代基间位的氢，电子云密度相对较小，屏蔽程
度也就相应减小，因此共振信号移向低场；而7.3附近的是苯环取代基邻对位的氢。
(2) 4.4附近的峰是与氧原子相连的亚甲基，受相邻亚甲基的影响裂分成三重峰。
(3) 2.9附近的峰是与苯环直接相连的亚甲基，受相邻亚甲基的影响裂分成三重峰。
(4) 2.3附近的峰是与酯羰基直接相连的亚甲基，受相邻甲基的影响裂分成四重峰。
(5) 1.1附近的峰是末端的甲基，受相邻亚甲基的影响裂分成三重峰。
(7) 根据以上结论可大致模拟出以下结构： O
O
(8) 对该结构式进行进一步验证，化学位移和裂分情况都符合，因此模拟结构式正确。 六、 思考题
1、 用60MHz 的NMR 谱仪测得乙醇的—CH —的△υ为215Hz ，则其化学位移是多少？如用900Hz 的
NMR 谱仪测试，则其△υ为多少？
答：根据公式//Hz MHz
υδ∆=振荡器工作频率， 计算得乙醇的—CH —的化学位移是/215/  3.58/60/Hz Hz MHz MHz υδ∆=
==振荡器工作频率， △υ是//  3.589003225Hz MHz MHz Hz υδ∆=⨯=⨯=振荡器工作频率。
2、 PFT-NMR 相对于CW-NMR 有哪些优点？
答：省时、省样、高灵敏度，高信噪比、高分辨率以及CW 法所无法实现的新的测试方法(各种脉冲序列的应用，与其他分析仪器联用等)。
3、 总结NMR 谱仪操作时应该注意的问题。
答：制样中的注意点：
(1) 要得到高分辨的谱图，样品溶液中绝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，以防手指上的微量物质溶在溶液中，否则1H-NMR 谱中1.4ppm 会出现一个7Hz 裂分的双峰，4ppm 还有一个四重峰，可能来自丙氨酸或乳酸。
(3) 控制样品量，一般对于H-NMR 来说需要的量比较小，大概几个毫摩尔就可以了，对于二维谱和碳谱浓度就要比较大，最好有几十个毫摩尔。
(4)氘代溶剂选择时要注意使样品易溶解，溶剂峰和样品峰没有重叠，粘度低，并且价格便宜；
(5)控制溶剂量，一般样品的溶剂量应该在0.5ML，大概在核磁管中的长度为4CM左右，溶剂
量太小了会影响匀场，进而影响实验的速度和谱图的效果，溶剂量太大则会导致浪费。
(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，在样品旋转的时候影响
分辨率，还有可能打碎核磁管造成重大损失。
其他注意点：
(1)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。
(2)注意将铁磁性物体远离磁体，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。物体被吸进磁腔过程中产生的动能可能击破杜瓦或探头中的
电路。对小的铁磁性物体同样应注意，它们可以破坏磁场的均匀性。
(3)磁场也可以对外界电路尤其是心脏起搏器造成影响，可导致生命危险。佩戴有心脏起搏器的
特斯拉实验人最好不要进入0.0005T磁场范围。机械表和一些数字表也会受到强磁场的作用。在0.005T
磁场中，信用卡和磁卡等可被消磁。
(4)对于NMR操作人员，要防止窒息的发生。在磁体失超时，液氦、液氮迅速蒸发，如果空间
封闭，可导致窒息。
七、讨论、心得
1、EM-360L谱仪的主要指标
(1)观察核
(2)磁场强度140921高斯
(3)共振频率60 兆赫(1H)
(4)分辨率0.3 Hz
(5)灵敏度30:1(样品:1%溶剂)
(6)旋转边带<2%
(7)积分重复性连续5次
(8)场稳定性  1.0 Hz
(9)扫描时间0.5，1，2，5，10，20 min
(10)扫描范围0.2，0.5，1，2，5，10，20，50，100 ppm
2、核磁共振氢谱谱图的一般解析流程
(1)检查整个氢谱谱图的外形、信号对称性、分辨率、噪声、被测样品的信号等。
(2)区分出溶剂峰、旋转边带、C卫星峰、杂质峰等。杂质含量较低，其峰面积较样品峰小很多，样品
和杂质峰面积之间也无简单的整数比关系。据此可将杂质峰区别出来。氘代试剂不可能100％氘代，其微量氢会有相应的峰，如CDCl3中的微量CHCl3在约7.27ppm处出峰。
(3)确定TMS的位置，若有偏移应对全部信号进行校正。
(4)根据分子式计算不饱和度u。不饱和度即环加双键数。当不饱和度大于等于4时，应考虑到该化合
物可能存在一个苯环(或吡啶环)。
(5)确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目，对氢原子进行分配。根据积分曲线，出各峰组之间氢原
子数的简单整数比，再根据分子式中氢的数目，对各峰组的氢原子数进行分配。
(6)对每个峰的δ、J都进行分析。根据每个峰组氢原子数目及δ值，可对该基团进行推断，并估计其
相邻基团。对每个峰组的峰形应仔细地分析。分析时最关键之处为寻峰组中的等间距。每一种间距相应于一个耦合关系。一般情况下，某一峰组内的间距会在另一峰组中反映出来。通过此途径可出邻碳氢原子的数目。当从裂分间距计算J值时，应注意谱图是多少兆的仪器作出的，有了仪器的工作频率才能从化学位移之差Δδ(ppm)算出Δν(Hz)。当谱图显示烷基链3J耦合裂分时，其间距(相应6~7Hz)也可以作为计算其它裂分间距所对应的赫兹数的基准。