核磁共振實驗報告

1、核磁共振實驗報告地點(diǎn)：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)（班級）：應(yīng)用化工201402姓名：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(jī)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(jìn)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)，質(zhì)子數(shù)為

2、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(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(jìn)動。進(jìn)動具有能量也具有一定的頻率。原子核進(jìn)動的頻率由外加磁場的強(qiáng)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(qiáng)度的的外加磁場中，其原子核自旋

3、進(jìn)動的頻率是固定不變的。原子核發(fā)生進(jìn)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(jìn)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進(jìn)動的頻率相同的時候，射頻場

4、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。1HNMRT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(jī)物的結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)位移值主要用于推測基團(tuán)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(tuán)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)位移值與這些因素之間的關(guān)系存在一定的規(guī)律性，在給定條

5、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(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(jìn)動的能級分布狀況，造成能級的裂分，進(jìn)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(qiáng)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，通過解析信號峰的強(qiáng)度可以獲知這些原子核的

6、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(qiáng)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(qiáng)度和原子核數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系并不顯著，因而峰強(qiáng)度并不非常重要。核磁共振波譜測定時，通常是用適當(dāng)?shù)娜軇⒃嚇尤芙?，參考物TMS作為內(nèi)標(biāo)加入1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，即笊（D）所取代，常用的笊代試劑有笊代氯仿、氘代丙酮、重水等。三、實驗儀器與試劑1. PicoSpin80型核磁共振譜儀2. 試樣管5mm3. 其他滴管、不銹鋼樣品勺、小試管刷等4. 試樣

7、甲苯、異丙苯、乙酰乙酸乙酯5. 參考物TMS6. 溶劑氘代氯仿（含1%TM）S四、實驗內(nèi)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)，選擇好笊代試劑，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(jìn)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、核磁共振譜圖圖分析：甲苯1 .C7H8飽和度為42

8、.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8=7.25處可知有苯環(huán)，且為單取代，8=2.25處可知有甲基4 .綜合質(zhì)子比，飽和度，可得知該化合物為甲苯EAA異丙苯9.0M.d7,0 也& K D1口 4.A 4-口 XS 工 0 工方 工 U J 1,0(1.60.Q f.H ,中fL Cppat1 .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 .8=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 .8=1.0-1.8處有2組峰，可以連有一個甲基且周圍可能連

9、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 .8=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 .綜合上述及分子式得知該化合物CHjCHH3C六、注意事項：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H-NMR譜中1,4ppmmm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說需要的量比較小，大概幾個毫微摩爾就

10、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） 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)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(jìn)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(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(diǎn)：（ 7） 樣品在磁場的位置很重要，應(yīng)保證處在磁場的幾何中心，

11、除非有其它要求。（ 8） 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(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(qiáng)足夠強(qiáng)。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

12、于磁場中時，在外加磁場的作用下，電子的運(yùn)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?；瘜W(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(qiáng)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。3. 簡述偶合和自旋裂分產(chǎn)生的原因。偶合作用的大小如何表示和測量？答：偶合和自旋裂分產(chǎn)生的原因：相鄰兩個氫核之間的自旋干擾（自旋偶合）；一般在質(zhì)子間相隔3個鍵發(fā)生由自旋偶合所引起的譜線增多的現(xiàn)象稱為自旋裂分。偶合作用的大小用偶合常數(shù)表示，偶合作用測量多重峰的鋒間距4. 核磁共振波譜能為有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析提供哪些信息？化學(xué)位移：推測質(zhì)子的類型及化學(xué)環(huán)境；自旋裂分：峰數(shù)、峰裂距推測核間關(guān)系；峰積分值：得出氫分布，氫個數(shù)。J也為13.0IkBLI_01m與Id.qA*攻由N.DaM7-fl&3fi.0亂kQ，蟲幾日工U血口生，2口|.AB-GQuS研口fl(ppa)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2*563.質(zhì)子比3:3:23,3+3+2+2=10符合分子式4.在8=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