核磁共振图谱解析.pdf

核磁共振谱

胡立宏研究员
国家新药筛选中心
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2003-9

Slidenumber
目录

ÌNMR的基本概念

Ì1HNMR

Ì13CNMR

Ì2DNMR技术

Ì构型、构象分析

Ì综合结构解析
基本概念

核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子
核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时
，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收
的情况就可以得到核磁共振波谱。因此，就本质而言，核磁
共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱
（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度
和精细结构可以研究分子结构。
发展历史

Ì1946年美国斯坦福大学的F.Bloch和哈佛大学E.M.Purcell领
导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号，由于该重要
的科学发现，他们两人共同荣获1952年诺贝尔物理奖。NMR
发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子
核的磁矩等物理常数。
Ì1950年前后W.G.Proctor等发现处在不同化学环境的同种原子
核有不同的共振频率，即化学位移。接着又发现因相邻自旋
核而引起的多重谱线，即自旋—自旋耦合，这一切开拓了
NMR在化学领域中的应用和发展。
Ì20世纪60年代，计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共
振方法和谱仪得以实现和推广，引起了该领域的革命性进步
。随着NMR和计算机的理论与技术不断发展并日趋成熟，
NMR无论在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展，具体
表现在以下几方面：
发展历史

1.仪器向更高的磁场发展，以获得更高的灵敏度和分辨率
，现己有300、400、500、600MHz，甚至1000MHz的
超导NMR谱仪；
2.利用各种新的脉冲系列，发展了NMR的理论和技术，
在应用方面作了重要的开拓；
3.提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、
多量子跃迁等NMR测定新技术，在归属复杂分子的谱
线方面非常有用。瑞士核磁共振谱学家R.R.Ernst因在
这方面所作出的贡献，而获得1991年诺贝尔化学奖；
发展历史

4.固体高分辨NMR技术、HPLC-NMR联用技术、碳
、氢以外核的研究等多种测定技术的实现大大扩展
了NMR的应用范围；
5.核磁共振成象技术等新的分支学科出现，可无损测
定和观察物体以及生物活体内非均匀体系的图象，
在许多领域有广泛应用，也成为当今医学诊断的重
要手段。
NMR基本原理---原子核的基本属性

原子核的质量和所带电荷:原子核由质子和中子组成，其中质
子数目决定了原子核所带电荷数，质子与中子数之和是原子核
的质量。原子核的质量和所带电荷是原子核最基本的属性。
原子核一般的表示方法是在元素符号的左上角标出原子核的质
量数，左下角标出其所带电荷数（有时也标在元素符号右边
1212
，一般较少标出）。如：1H,1D,6C等。
由于同位素之间有相同的质子数，而中子数不同，即它们所带
电荷数相同而质量数不同，所以原子核的表示方法可简化为只
在元素符号左上角标出质量数，如1H、2D（或2H）、12C等。
原子核的自旋和自旋角动量

原子核有自旋运动，在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动
状态。而自旋量子数I的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与
核中的质子数和中子数有关。

质量数质子数中子数I典型核

偶数偶数偶数012C,16O,32S

偶数奇数奇数n/2(n=2,4,…)2H,14N

奇数偶数奇数n/2(n=1,3,5,…)13C,17O
奇数偶数1H,19F,31P,11B
35Cl,79Br,81Br,127I
原子核的自旋和自旋角动量

Ì与宏观物体旋转时产生角动量（或称为动力矩）一样，原子核在
自旋时也产生角动量。角动量P的大小与自旋量子数I有以下关
系：

自旋角动量P=h/2πI(I+1)1/2(1)

Ì自旋角动量P是一个矢量，不仅有大小，而且有方向。它在直角
坐标系z轴上的分量Pz由下式决定：

Pz=h/2π*m(2)

m是原子核的磁量子数，磁量子数m的值取决于自旋量子数I，可取I、I-1、
I-2…-I，共2I+1个不连续的值。这说明P是空间方向量子化的。
原子核的磁性和磁矩

Ì带正电荷的原子核作自旋运动，就好比是一个通电的线
圈，可产生磁场。因此自旋核相当于一个小的磁体，其
磁性可用核磁矩u来描述。u也是一个矢量，其方向与P
的方向重合，大小由下式决定：

1/21/2
u=gn*eh/2mpI(I+1)=gnunI(I+1)(3)

gN称为g因子或朗德因子，是一个与核种类有关的因数，可由实

验测得；e为核所带的电荷数；