核磁共振谱分析法教学设计

核磁共振谱是指：低能电磁波与暴露在磁场中的磁性核相互作用，使其在外磁场中发生能级的共振跃迁而产生吸收信号，称为核磁共振谱。二维核磁共振谱是其中的一种。下面是小编为大家整理的核磁共振谱分析法教学设计5篇，希望大家能有所收获!

核磁共振谱分析法教学设计1

【学习要求】

1、了解红外光谱与核磁共振谱基本原理及其有关的概念

2、了解红外吸收光谱产生的条件

3、了解红外吸收的强度、核磁共振谱中化学位移的概念

4、大致了解各类有机化合物红外吸收光谱和核磁共振谱特征

一、红外吸收光谱

(一)红外吸收光谱的基本原理

红外光波波长位于可见光波和微波波长之间0.75-1000 mm(1 mm = 10-4 cm) 其中：

远红外

0.75-2.5 mm

中红外

2.5-25 mm 4000-400 cm-1

近红外

25-1000 mm

红外光波的波长常用波数(cm-1)表示。波数的定义是：每1厘米范围内所含光波的数目。波数 = 104/l(mm)。因此，2.5 mm波长，相当于104/2.5 cm-1，即：4000 cm-1，而25 mm相当于400 cm-1。

引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱，振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。红外吸收光谱是分子的振动-转动光谱。用远红外光波照射分子时，只会引起分子中转动能级的跃迁，得到纯转动光谱。

2、基本振动的类型

一般把分子的振动方式分为两大类：化学键的伸缩振动和弯曲振动。

(1) 伸缩振动

指成键原子沿着价键的方向来回地相对运动。在振动过程中，

键角并不发生改变，如碳氢单键，碳氧双键，碳氮三键之间的伸缩振动。伸缩振动又可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动。

(2)弯曲振动

弯曲振动又分为面内弯曲振动和面外弯曲振动，用d、g表示。如果弯曲振动的方向垂直于分子平面，则称面外弯曲振动，如果弯曲振动完全位于平面上，则称面内弯曲振动。剪式振动和平面摇摆振动为面内弯曲振动，面外摇摆振动和扭曲变形振动为面外弯曲振动。以-CH2-：剪式振动、平面摇摆振动、面外摇摆振动、扭曲变形振动

3、影响峰数减少的因素

(1)红外非活性振动

(2)分子结构对称，某些振动频率相同。

(3)强宽峰复盖频率相近的弱而窄的峰。

(4)在红外区域外的峰。

(5)别弱的峰或彼此十分接近的峰

(二 )红外吸收光谱产生的条件

一定波长的红外光照射被研究物质的分子，若辐射能(hn)等于振动基态(Vo)的能级(E1)与第一振动激发态(V1)的能级(E2)之间的能量差(DE)时，则分子可吸收能，由振动基态跃迁到第一振动激发态(V0 (r) V1)：

DE = E2a)

弱 (又称倍频峰)

V。(r) V3

二级泛频带(3nE(+1/2) = g·h/2p·B0 上式表明，D E 与外加磁场B0的强度有关，D E随B0场强的增大而增大。

若在与B0垂直的方向上加一个交变场B1(称射频场)，其频率为n1。当n1 = n0时，自旋核会吸收射频的能量，由低能态跃迁到高能态(核自旋发生倒转)，这种现象称为核磁共振吸收。

(二)弛豫过程

当电磁波的能量(hv)等于样品某种能级差DE时，分子可以吸收能量，由低能态跃迁到高能态。高能态的粒子可以通过自发辐射放出能量，回到低能量，其几率与两能级能量差DE成正比。一般的吸收光谱，DE较大，自发辐射相当有效，能维持Boltzmann分布。但在核磁共振波谱中，DE非常小，自发辐射的几率几乎为零。想要维持NMR信号的检测，必须要有某种过程，这个过程就是弛豫过程。即高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态，重建Boltzmann分布的过程。

(三)化学位移

1、化学位移的产生

1)电子屏蔽效应

在外磁场B0中，不同的氢核所感受到B0是不同的，这是因为氢核外围的电子在与外磁场垂直的平面上绕核旋转的同时产生一个与外磁场相对抗的感生磁场。感生磁场对外加磁场的屏蔽作用称为电子屏蔽效应。感生磁场的大小与外核场的强度有关，用s·B0表示，s称屏蔽常数。

s的大小与核外电子云的密度有关。核外电子云密度越大，s就越大，s·B0也就越大。在B0中产生的与B0相对抗的感生磁越强，核实际感受到的B0(称有效磁场，用Beff表示)就越弱。可表示如下：Beff = B0 s)

核磁共振谱分析法教学设计2

氢的化学位移

原子核由于所处的化学环境不同，而在不同的共振磁场下显示吸收峰的现象。

1.1化学位移的表示：单位ppm

标准：四甲基硅(TMS)，δ=0，(如以τ表示，τ=10，τ=10+δ)

低场(高频)←→高场(低频) 1.2屏蔽效应(化学位移的根源)

磁场中所有自旋核产生感应磁场，方向与外加磁场相反或相同，使原子核的实受磁场降低或升高，即屏蔽效应。

2

屏蔽常数和化学位移

1.3影响化学位移的因素

诱导效应 共轭效应 各向异性效应 Van der Waals效应 氢键效应和溶剂效应 1.3.1诱导效应

氢原子核外成键电子的电子云密度产生的屏蔽效应。

拉电子基团：去屏蔽效应，化学位移左移，即增大 推电子基团：屏蔽效应，化学位移右移，即减小

3 由于邻对位氧原子的存在，右图中双氢黄酮的芳环氢ab的化学位移为6.15ppm通常芳环氢化学位移大于7ppm。

1.3.2共轭效应

4 1.3.3各向异性效应

芳环 叁键 羰基 双键 单键

在分子中处于某一化学键的不同空间位臵上的核受到不同的屏蔽作用,这种现象称为各向异性效应,这是因为由电子构成的化学键在外磁场的作用下,产生一个各向异性的附加磁场,使得某些位和键碳原子相连的H，其所受屏蔽作用小于烷基碳原子相连的H原子。 1.3.4Van der Waals效应

当两个质子在空间结构上非常靠近时，具有负电荷的电子云就会互相排斥，从而使这些质子周围的电子云密度减少，屏蔽作用下降，共振信号向低磁场位移，这种效应称为Van der Waals效应。

δ(ppm)

(Ⅰ)

(Ⅱ) Ha

4.68

3.92 Hb

2.40

3.55 Hc

1.10

0.88 1.3.5氢键与溶剂效应

氢键与化学位移：绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场。表现出相当大的去屏蔽效应.提高温度和降低浓度都可以破坏氢键. 分子内氢键，其化学位移变化与溶液浓度无关，取决于分子本身结构。分子间氢键受环境影响较大，当样品浓度、温度发生变化时，氢键质子的化学位移会发生变化。

乙醇的羟基随浓度增加，分子间氢键增强，化学位移增大 溶剂效应：溶剂不同使化学位移改变的效应

溶剂效应的产生是由于溶剂的磁各向异性造成或者是由于不同溶剂极性不同,与溶质形成氢键的强弱不同引起的.

5 2自旋偶合和自旋裂分

自旋-自旋偶合与自旋-自旋裂分 2.1 n + 1规律

n +1规律：当某组质子有n个相邻的质子时，这组质子的吸收峰将裂分成n +1重峰。

n数二项式展开式系数峰形 0

单峰 1 1 1 二重峰

2 1

1 三重峰

1 四重峰

五重峰 5

六重峰

严格来说, n+1规律应该是2nI+1规律,对氢原子核(H1)来说,因它的I=1/2, 所以就变成了规律. n + 1规律只适合于互相偶合的质子的化学位移差远大于偶合常数，即△v>>J时的一级光谱。而且在实际谱图中互相偶合的二组峰强度还会出现内侧高，外侧低的情况，称为向心规则。利用向心规则，可以找到吸收峰间互相偶合的关系。

6 2.2 偶合常数

自旋核的核磁矩可以通过成键电子影响邻近磁核是引起自旋-自旋偶合的根本原因。磁性核在磁场中有不同的取向，产生不同的局部磁场，从而加强或减弱外磁场的作用，使其周围的磁核感受到两种或数种不同强度的磁场的作用，故在两个或数个不同的位臵上产生共振吸收峰。这种由于自旋-自旋偶合引起谱峰裂分的现象称为自旋-自旋裂分(Spin-Spin Splitting)。

2.2.1同碳质子的偶合常数(2J，J同)

以2J或J同表示，2J一般为负值，但变化范围较大 影响2J的因素主要有：

取代基电负性会使2J的绝对值减少，即向正的方向变化。

对于脂环化合物，环上同碳质子的2J值会随键角的增加而减小，即向负的方向变化。烯类化合物末端双键质子的2J一般在+3～-3Hz 之间，邻位电负性取代基会使2J向负的方向变化. 2.2.2邻碳质子的偶合常数(3J, J邻)  饱和型邻位偶合常数;

在饱和化合物中，通过三个单键(H-C-C-H)的偶合叫饱和型邻位偶合。开链脂肪族化合物由于σ键自由旋转的平均化，使3J数值约为7Hz。3J的大小与双面夹角、取代基电负性、环系因素有关。  烯型邻位偶合常数

烯氢的邻位偶合是通过二个单键和一个双键(H-C=C-H)发生作用的。由于双键的存在，反式结构的双面夹角为180o，顺式结构的双面夹角为0o，因此J反大于J顺. 芳氢的偶合常数

芳环氢的偶合可分为邻、间、对位三种偶合，偶合常数都为正值， 邻位偶合常数比较大，一般为6.0～9.4 Hz(三键)， 间位为0.8～3.1Hz(四键)， 对位小于0.59Hz(五键)。

一般情况下，对位偶合不易表现出来。苯环氢被取代后，特别是强拉电子或强推电子基团的取代，使苯环电子云分布发生变化，表现出J邻、J间和J对的偶合，使苯环质子吸收峰变成复杂的多重峰。 2.2.3远程偶合

超过三个键的偶合称为远程偶合(long-range coupling)，如芳烃

7 的间位偶合和对位偶合都属于远程偶合。远程偶合的偶合常数都比较小，一般在0～3Hz之间。常见的远程偶合有下列几种情况： 丙烯型偶合 高丙烯偶合 炔及迭烯 折线性偶合 W型偶合

2.2.4质子与其他核的偶合

质子与其它磁性核如13C 、19F、31P的偶合 3自旋系统

把几个互相偶合的核，按偶合作用的强弱，分成不同的自旋系统，系统内部的核互相偶合，但不和系统外的任何核相互作用。系统与系统之间是隔离的. 3.1化学等价

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3.2磁等价

分子中若有一组核，它们对组外任何一个核都表现出相同大小的偶合作用，即只表现出一种偶合常数，则这组核称为彼此磁等价的核。例如：CH2F2中二个氢和二个氟任何一个偶合都是相同的，所以二个氢是磁等价的核，二个氟也是磁等价的核。

磁全同：既化学等价又磁等价的原子核，称为磁全同磁全同核。 磁不等价的情况

 单键带有双键性时会产生不等价质子，

R-CO-N(CH2CH3)2,

2个CH2 会出现2组四重峰， 2个CH3会出现复杂的多重峰( 2组三重峰的重叠)  双键同碳质子具有不等价性

H2C=CHR  单键不能自由旋转时，也会产生不等价质子， BrCH2CH(CH3)2 有三种构象，室温下C-C快速旋转，CH2上2个质子是等价的，但在低温下C-C不能快速旋转， CH2上2个质子所处的环境有差别而成为不等价质子。  与不对称碳相连的CH2, 2个质子是不等价的

9  固定在环上的CH2, 2个质子是不等价，甾体环  苯环上化学环境相同的质子可能磁不等价 3.4自旋系统的命名

分子中两组相互干扰的核，它们之间的化学位移差Δγ小于或近似于偶合常数J时，则这些化学位移近似的核分别以A、B、C…字母表示。若其中某种类的磁全同的核有几个，则在核字母的右下方用阿拉伯字母写上标记，如Cl-CH2-CH2-COOH中间二个CH2构成A2B2系统。

分子中两组互相干扰的核，它们的化学位移差Δ远大于它们之间的偶合常数(Δγ>>J)，则其中一组用A、B、C…表示，另一组用x、y、z…表示。

若核组内的核为磁不等价时，则用A、A′、B、B′加以区别。

3.5自旋系统的分类

自旋系统：相互偶合的核构成一自旋系统，不与系统外的核偶合。

一个分子可由一个或一个以上的自旋系统组成。

如

C6H5CH2CH2OCOCH=CH2 由三个自旋系统组成 二旋系统

AX, AB系统

三旋系统

AX2, AB2, AMX, ABX, ABC系统 四旋系统

AX3, A2X2, A2B2, AAˊBBˊ系统 五旋系统

CH3-CH2-X , 一取代苯等。 A与X，A与M与X

化学不等价，磁不等价，Δv/J 值较大。 A与B，A与B与C

化学不等价，磁不等价，Δv/J 值较小。 A与A 化学等价，磁不等价。

A2或X2 表示各自为两个磁全同的核。

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3.5.1二旋系统

AX, AB, A2 (>C=CH2,X-CH=CH-Y,C_-CH2-等)

3.5.2三旋系统

A3 AX2 AB2

AMX ABX ABC系统

(X-CH=CH2 ,-CH2-CH< ,三取代苯，二取代吡啶等)  A3 系统：A3 (s 3H)， CH3O-, CH3CO-, CH3-Ar… 磁全同核，不发生分裂，单峰。

 AX2 系统： A (t 1H) X2 (d 2H)按一级谱图处理  AB2 系统(常见的AB2系统如下)(注意：虽结构不对称，但值相近)

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

 AB2系统比较复杂，最多时出现9条峰，其中A:4条峰, 1H; B:条峰，2H;1条综合峰。

随着ΔvAB/J 值的降低，二者化学位移接近，综合峰强度增大。  AMX 系统

AMX系统，12条峰. A (dd, 1H, JAM, JAX) M (dd, 1H, JAM, JMX) X (dd, 1H, JAX, JMX)在A，M，X各4条谱线中，[1-2]=[3-4]等于一种偶合常数，[1-3]=[2-4]等于另一种偶合常数，化学位移值约等于4条谱线的中心。

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 ABX 系统 常见的二级谱

ABX系统最多出现14条峰，AB: 8条峰，X:4条峰，两条综合峰(强度较弱,难观察到)。

AB部分的8条峰相互交错，不易归属，裂距不等于偶合常数。

ΔvAB/ J 值不是太小时，可近似作为一级谱处理。AB四重峰进一步被X裂分为8条峰。

根据峰形的相对强度和4个相等的裂距，找出两个AB四重峰，如 1，3，5，7和2，4，6，8峰。 JAB ≈ [1-3]=[5-7]=[2-4]=[6-8] JAX ≈ [1-2]=[3-4] JBX ≈ [5-6]=[7-8] 若ΔvAB/ J 值太小，需进行较复杂的计算。  ABC系统

ABC系统更加复杂，最多出现15条峰，峰的相对强度差别大，且相互交错，难以解析

提高仪器的磁场强度，ΔvAB /J 值增大，使二级谱转化为一级谱

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ABC → ABX →AMX 随着ΔvAB/J 值的降低，AMX→ABX → ABC 例如：60兆赫兹的谱图中属于ABC系统，但

220兆赫兹的谱图可用AMX系统处理

3.5.3四旋系统

AX3, A2X2, A2B2, AA′BB′系统 AX3

A2X2一级谱

A2B2, AA′BB′二级谱

例如：CH3CHO, CH3CHX-, -OCH2CH2CO- 等一级谱处理。  A2B2系统

A2B2系统理论上18条峰，常见14条峰，A、B各自为 7条峰，峰形对称。vA= v5，v B = v5ˊ，

JAB = (½)_[1-6], 峰形对称

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例如：β-氯乙醇

 AAˊBBˊ系统: 理论上出现28条峰，AA′，BB′各自14条峰。 峰形对称

邻二氯苯的谱图如下：

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4简化1H-NMR谱的实验方法  使用高磁场的仪器  活泼氢反应  位移试剂

例如：60兆赫兹的谱图中属于ABC系统，但

220兆赫兹的谱图可用AMX系统处理。

重氢交换法

D2O 交换:

-OH, -NH2, -COOH, -SH… NaOD交换:

可以与羰基α-位氢交换

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5图谱的分类 一级谱图

相互偶合核的化学位移差值△v>>J(6J) 裂分峰数目符合(n+1)或(2nI+1)规律。 裂分峰强度符合二项展开式的系数。

17 裂距等于偶合常数。 二级谱图

相互偶合核的化学位移差值△v<6J 裂分峰数目不符合(n+1)规则。

裂分峰强度不再是(a十b)n展开项的系数。 裂分峰的间隔并不相等，化学位移δ值与偶合常数J 往往不能从图上直接得到，需通过计算求得。

6常用化学位移标准物

氢谱：非水溶剂四甲基硅烷(TMS)

水溶液为2,2-二甲基戊硅烷-5-磺酸钠(DSS) 碳谱：四甲基硅烷(TMS)或者氘代试剂中的碳峰 硼谱：乙醚三氟化硼或者三甲氧基硼 磷谱：85%磷酸(但只能作为外标) 锂谱：4M高氯酸锂溶液 钠谱：1M氯化钠溶液

硅谱：四甲基硅烷，但在低频区则用四乙基正硅酸酯

记住：无论内标还是外标，实际化学位移值随温度变化而变化，而标准物本身就受温度的影响。如温度每改变30K，TMS质子共振信号将变化0.1 ppm。因此，如果做变温试验，最好标明详细的实验过程。

样品要求

尽可能使用氘代试剂

对于氢谱，3到10毫克样品足够。对于分子量较大的样品，有时需要浓度更大的溶液。但浓度太大会因饱和或者粘度增加而降低分辨率。对于碳谱和杂核，样品浓度至少为氢谱的5倍(一般在100毫克左右)。 对于二维实验，为了获得较好的信噪比，样品浓度必须够。根据经验，25毫克样品足以完成所有实验，包括氢碳相关HMBC实验。如果样品只有1到5毫克，只能完成均核氢氢相关实验，是与碳相关的实验至少需要过夜。

保持样品高度或者体积一致。这将减少换样品后的匀场时间。对于5毫米核磁管，样品体积应为0.6毫升或者样品高度为4厘米。

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7应用

例：C10H12O的核磁共振氢谱如下，推导其结构。

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1、UN=10+1-6=5 含苯环, 双键或羰基

2、积分比：2：2：2：3：3，符合氢数目。 含2个CH3。3.75ppm(s, 3H), CH3O-,

3、5.8-6.5ppm,(m, 2H), 双键2H， 且为CH=CHCH3

4、6.5-7.5ppm, 对称四峰，4H，说明苯环对位取代，2峰小于7. 27ppm, 说明连有供电子基(CH3O-)。

5、双键2H，J=[1-2]=16Hz，反位。

ABX3系统

核磁共振谱分析法教学设计3

分子被激发后，分子中各个原子或基团(化学键)都会产生特征的振动，从而在特点的位置会出现吸收。相同类型的化学键的振动都是非常接近的，总是在某一范围内出现。

常见官能团的红外吸收频率

整个红外谱图可以分为两个区，4000~1350区是由伸缩振动所产生的吸收带，光谱比较简单但具有强烈的特征性，1350~650处指纹区。

通常，4000~2500处高波数端，有与折合质量小的氢原子相结合的官能团O-H, N-H, C-H, S-H键的伸缩振动吸收带，在2500-1900波数范围内常常出现力常数大的三件、累积双键如：- C≡C-，- C≡N, -C=C=C-, -C=C=O, -N=C=O等的伸缩振动吸收带。在1900以下的波数端有-C=C-, -C=O, -C=N-, -C=O等的伸缩振动以及芳环的骨架振动。

1350~650指纹区处，有C-O, C-X的伸缩振动以及C-C的骨架振动，还有力常数较小的弯曲振动产生的吸收峰，因此光谱非常复杂。该区域各峰的吸收位置受整体分子结构的影响较大，分子结构稍有不同，吸收也会有细微的差别，所以指纹区对于用已知物来鉴别未知物十分重 要。

有机化学有机化合物红外吸收光谱

σ伸缩振动，δ面内弯曲振动，γ面外弯曲振动

一、烷烃

饱和烷烃IR光谱主要由C-H键的骨架振动所引起，而其中以C-H键的伸缩振动最为有用。在确定分子结构时，也常借助于C-H键的变形振动和C-C键骨架振动吸收。烷烃有下列四种振动吸收。

1、σC-H在2975—2845 cm-1范围，包括甲基、亚甲基和次甲基的对称与不对称伸缩振动

2、δC-H在1460 cm-1和1380 cm-1处有特征吸收，前者归因于甲基及亚甲基C-H的σas，后者归因于甲基 C-H的σs。1380 cm-1峰对结构敏感，对于识别甲基很有用。共存基团的电负性对1380 cm-1峰位置有影响，相邻基团电负性愈强，愈移向高波数区，例如，在CH3F中此峰移至1475 cm-1。

异丙基 1380 cm-1 裂分为两个强度几乎相等的两个峰 1385 cm-

1、1375 cm-1 叔丁基 1380 cm-1 裂分1395 cm-1 、1370cm-1两个峰，后者强度差不多是前者的两倍，在1250 cm-

1、1200 cm-1附近出现两个中等强度的骨架振动。

3、σ

4、γC-C在1250—800 cm-1范围内，因特征性不强，用处不大。 大于或等于4时，在722 cm-1有一个C-H分子中具有—(CH2)n—链节，n 弱吸收峰，随着CH2个数的减少，吸收峰向高波数方向位移，由此可推断分子链的长短。

二、烯烃

烯烃中的特征峰由C=C-H键的伸缩振动以及C=C-H键的变形振动所引起。烯烃分子主要有三种特征吸收。

1、σC=C-H 烯烃双键上的C-H键伸缩振动波数在3000 cm-1以上，末端双键氢 2在3075—3090 cm-1有强峰最易识别。

1670—1620 cm-1。随着取代基的不同，σC=C

2、σC=C 吸收峰的位置在吸收峰 的位置有所不同，强度也发生变化。

3、δC=C-H烯烃双键上的C-H键面内弯曲振动在1500—1000 cm-1，对结构不敏感，用途较少;而面外摇摆振动吸收最有用，在1000—700 cm-1范围内，该振动对结构敏感，其吸收峰特征性明显，强度也较大，易于识别，可借以判断双键取

代情况和构型。

RHC=CH2 995~985cm-1(=CH，S) 915~905 cm-1(=CH2，S) R1R2C=CH2 895~885 cm-1(S)

(顺)-R1CH=CHR2 ~690 cm-1 (反)-R1CH=CHR2 980~965 cm-1(S) R1R2C=CHR3 840~790cm-1 (m)

三、炔烃

在IR光谱中，炔烃基团很容易识别，它主要有三种特征吸收。

1、σC 该振动吸收非常特征，吸收峰位置在3300—3310 cm-1，中等强度。σN-H值与σC-H 值相同，但前者为宽峰、后者为尖峰，易于识别。

2、σ CC 一般 C 键的伸缩振动吸收都较弱。一元取代炔烃 σC C 出现在2140—2100 cm-1，二元取代炔烃在2260—2190 cm-1，当两个取代基的性质相差太大时，炔化物极性增强，吸收峰的强度增大。当 处于分子的对称中心时，σ C C

3、σ C H 炔烃变形振动发生在680—610 cm-1。

四、芳烃

芳烃的红外吸收主要为苯环上的C-H键及环骨架中的C=C键振动所引起。芳族化合物主要有三种特征吸收。

1、σAr-H 芳环上C-H吸收频率在3100~3000 cm-1附近，有较弱的三个峰，特征 C=C-H频率相近，但烯烃的吸收峰只有一个。 性不强，与烯烃的σ

2、σC=C 芳环的骨架伸缩振动正常情况下有四条谱带，约为1600，1585，1500，1450 cm-1，这是鉴定有无苯环的重要标志之一。

3、δAr-H 芳烃的C-H变形振动吸收出现在两处。1275—960 cm-1为δAr-H，由于吸收较弱，易受干扰，用处较小。另一处是900—650 cm-1的δAr-H吸收较强，是

Ar-H频率越高，识别苯环上取代基位置和数目的极重要的特征峰。取代基越多，δ

见表3-10。若在1600—2000 cm-1之间有锯齿壮倍频吸收(C-H面外和C=C面内弯曲振动的倍频或组频吸收)，是进一步确定取代苯的重要旁证。

苯 670cm-1(S) 单取代苯 770~730 cm-1(VS)，710~690 cm-1(S) 1,2-二取代苯 770~735 cm-1(VS)

1,3-二取代苯 810~750 cm-1(VS),725~680 cm-1(m~S) 1,4-二取代苯 860~800 cm-1(VS)

五、卤化物

随着卤素原子的增加，σ如C-X降低。C-F(1100~1000 cm-1);C-Cl(750~700 cm-1);C-Br(600~500 cm-1);C-I(500~200 cm-1)。此外，C-X吸收峰的频率容易受到邻近基团的影响，吸收峰位置变化较大，尤其是含氟、含氯的化合物

变化更大，而且用溶液法或液膜法测定时，常出现不同构象引起的几个伸缩吸收带。因此IR光谱对含卤素有机化合物的鉴定受到一定限制。

六、醇和酚

醇和酚类化合物有相同的羟基，其特征吸收是O-H和C-O键的振动频率。

1、 σO-H 一般在3670~3200 cm-1区域。游离羟基吸收出现在3640~3610 cm-1，峰形尖锐，无干扰，极易识别(溶剂中微量游离水吸收位于3710 cm-1)。OH是个强极性基团，因此羟基化合物的缔合现象非常显著，羟基形成氢键的缔合峰一般出现在3550~3200 cm-1。 1,2-环戊二醇 顺式异构体 P47 0.005mol/L (CCl4) 3633 cm-1(游离)，3572 cm-1(分子内氢键)。

0.04 mol/L (CCl4) 3633 cm-1(游离)，3572 cm-1(分子内氢键)~3500cm-1(分子间氢键)。

2、σC-O和δO-H C-O键伸缩振动和O-H面内弯曲振动在1410—1100 cm-1处有 C-O强吸收，当无其它基团干扰时，可利用σ的频率来了解羟基的碳链取代情况 (伯醇在1050cm-1，仲醇在1125cm-1，叔醇在1200cm-1，酚在1250cm-1)。

七、醚和其它化合物

醚的特征吸收带是C-O-C不对称伸缩振动，出现在1150~1060cm-1处，强度大，C-C骨架振动吸收也出现在此区域，但强度弱，易于识别。醇、酸、酯、内酯的σC-O吸收在此区域，故很难归属。

八、醛和酮

醛和酮的共同特点是分子结构中都含有(C=O)，σC=O在1750~1680cm-1范围内，吸收强度很大，这是鉴别羰基的最明显的依据。临近基团的性质不同，吸收峰的位置也有所不同。羰基化合物存在下列共振结构：

- + A B C=O 键有着双键性 强的A结构和单键性强的B结构两种结构。共轭效应将使σ吸电子的诱导效应使σC=O的吸收峰向高波数C=O吸收峰向低波数一端移动， 方向移动。α，β不饱和的羰基化合物，由于不饱和键与C=O的共轭，因此C=O键的吸收峰向低波数移动

σC=O RCH=CHCOR'RCHClCOR' 1685~1665cm-1 1745~1725cm-1 苯乙酮 对氨基苯乙酮 对硝基苯乙酮

σ

σC=O 1691cm-1 1677cm-1 1700cm-1 2700~2900cm-1 区域内，通常在~2820 cm-

1、~2720 cm-1附近各有 一般在

一个中等强度的吸收峰，可以用来区别醛和酮。

九、羧酸

1、σO-H 游离的O-H在~3550 cm-1，缔合的O-H在3300~2500 cm-1，峰形宽而散，强度很大。

2、σC=O 游离的C=O一般在~1760 cm-1附近，吸收强度比酮羰基的吸收强度大，但由于羧酸分子中的双分子缔合，使得C=O的吸收峰向低波数方向移动，一般在1725~1700 cm-1，如果发生共轭，则C=O的吸收峰移到1690~1680 cm-1。

3、σ

4、δC-O O-H 一般在1440~1395 cm-1，吸收强度较弱。 一般在1250 cm-1附近，是一强吸收峰，有时会和σC-O重合。

十、酯和内酯

1、σC=O 1750~1735 cm-1处出现(饱和酯σC=O 位于1740cm-1处)，受相邻基团的影响，吸收峰的位置会发生变化。

2、σC-O 一般有两个吸收峰，1300~1150 cm-1，1140~1030 cm-1 十

一、酰卤

σC=O 由于卤素的吸电子作用，使C=O双键性增强，从而出现在较高波数

C=O变小，处，一般在~1800cm-1处，如果有乙烯基或苯环与C=O共轭，，会使σ

一般在1780~1740cm-1处。 十

二、酸酐

1、σC=O 由于羰基的振动偶合，导致σ分别处在C=O有两个吸收，1860~1800 cm-1和1800~1750 cm-1区域，两个峰相距60 cm-1。

2、σC-O 为一强吸收峰，开链酸酐的σC-O 在1175~1045 cm-1处，环状酸酐1310~1210 cm-1处。 十

三、酰胺

1、σC=O 酰胺的第ⅠⅡⅢ谱带，由于氨基的影响，使得σC=O向低波数位移，伯酰胺1690~1650 cm-1，仲酰胺 1680~1655 cm-1，叔酰胺1670~1630 cm-1。

2、σN-H 一般位于3500~3100 cm-1，伯酰胺 游离位于~3520 cm-1和~3400 cm-1，形成氢键而缔合的位于~3350 cm-1和~3180 cm-1，均呈双峰;仲酰胺 游离位于~3440 cm-1，形成氢键而缔合的位于~3100 cm-1，均呈单峰;叔酰胺无此吸收峰。

3、δN-H 酰胺的第Ⅱ谱带，伯酰胺δN-H位于1640~1600 cm-1;仲酰胺1500~1530 cm-1，强度大，非常特征;叔酰胺无此吸收峰。

4、σC-N 酰胺的第Ⅲ谱带，伯酰胺1420~1400 cm-1，仲酰胺 1300~1260 cm-1，叔酰胺无此吸收峰。 十

四、胺

1、σN-H 游离位于3500~3300 cm-1处，缔合的位于3500~3100 cm-1处。含有氨基的化合物无论是游离的氨基或缔合的氨基，其峰强都比缔合的OH峰弱，且谱带稍尖锐一些，由于氨基形成的氢键没有羟基的氢键强，因此当氨基缔合时，吸收峰的位置的变化不如OH那样显著，引起向低波数方向位移一般不大于100cm-1。伯胺 3500~3300 cm-1有两个中等强度的吸收峰(对称与不对称的伸缩振动吸收)，仲胺在此区域只有一个吸收峰，叔胺在此区域内无吸收。

2、σ

3、δC-N N-H 脂肪胺位于1230~1030 cm-1处，芳香胺位于1380~1250 cm-1处。 位于1650~1500 cm-1处，伯胺的δ仲胺的吸收强度N-H吸收强度中等， 较弱。

4、γN-H 位于900~650 cm-1处，峰形较宽，强度中等(只有伯胺有此吸收峰)。 主要基团的红外特征吸收峰

核磁共振谱分析法教学设计4

现代近红外光谱(NIR)分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。

近红外区域按ASTM定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，是人们最早发现的非可见光区域。由于物质在该谱区的倍频和合频吸收信号弱，谱带重叠，解析复杂，受当时的技术水平限制，近红外光谱“沉睡” 了近一个半世纪。直到20世纪50年代，随着商品化仪器的出现及Norris等人所做的大量工作，使得近红外光谱技术曾经在农副产品分析中得到广泛应用。到60年代中后期，随着各种新的分析技术的出现，加之经典近红外光谱分析技术暴露出的灵敏度低、抗干扰性差的弱点，使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用，从此，近红外光谱进入了一个沉默的时期。80年代后期，随着计算机技术的迅速发展，带动了分析仪器的数字化和化学计量学的发展，通过化学计量学方法在解决光谱信息提取和背景干扰方面取得的良好效果，加之近红外光谱在测样技术上所独有的特点，使人们重新认识了近红外光谱的价值，近红外光谱在各领域中的应用研究陆续展开。进入90年代，近红外光谱在工业领域中的应用全面展开，有关近红外光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术。由于近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性，使近红外光谱在在线分析领域也得到了很好的应用，并取得良好的社会效益和经济效益，从此近红外光谱技术进入一个快速发展的新时期。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，除一些专业分析工作人员以外，近红外光谱分析技术还鲜为人知。但1995年以来已受到了多方面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了较为可喜的成果。但是目前国内能够提供整套近红外光谱分析技术(近红外光谱分析仪器、化学计量学软件、应用模型)的公司仍是寥寥无几。随着中国加入WTO及经济全球化的浪潮，国外许多大型分析仪器生产商纷纷登陆中国，想在第一时间占领中国的近红外光谱分析仪器市场。由此也可以看出近红外光谱分析技术在分析界炙手可热的发展趋势。在不久的未来，近红外光谱分析技术在分析界必将为更多的人所认识和接受。

现代近红外光谱分析是将光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合。是将近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据采用化学计量学技术建立校正模型，然后通过对未知样品光谱的测定和建立的校正模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。 与常规分析技术不同，近红外光谱是一种间接分析技术，必须通过建立校正模型(标定模型)来实现对未知样品的定性或定量分析。具体的分析过程主要包括以下几个步骤：一是选择有代表性的样品并测量其近红外光谱;二是采用标准或认可的参考方法测定所关心的组分或性质数据;三是将测量的光谱和基础数据，用适当的化学计量方法建立校正模型;四是未知样品组分或性质的测定。由近红外光谱分析技术的工作过程可见，现代近红外光谱分析技术包括了近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分。三者的有机结合才能满足快速分析的技术要求，是缺一不可的。

与传统分析技术相比，近红外光谱分析技术具有诸多优点，它能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次近红外光谱的采集测量，即可完成其多项性能指标的测定(最多可达十余项指标)。光谱测量时不需要对分析样品进行前处理;分析过程中不消耗其它材料或破坏样品;分析重现性好、成本低。对于经常的质量监控是十分经济且快速的，但对于偶然做一两次的分析或分散性样品的分析则不太适用。因为建立近红外光谱方法之前必须投入一定的人力、物力和财力才能得到一个准确的校正模型。 近红外光谱主要是反映C-H、O-H、N-H、S-H等化学键的信息，因此分析范围几乎可覆盖所有的有机化合物和混合物。加之其独有的诸多优点，决定了它应用领域的广阔，使其在国民经济发展的许多行业中都能发挥积极作用，并逐渐扮演着不可或缺的角色。主要的应用领域包括：石油及石油化工、基本有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食品、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。在石化领域可测定油品的辛烷值、族组成、十六烷值、闪点、冰点、凝固点、馏程、MTBE含量等;在农业领域可以测定谷物的蛋白质、糖、脂肪、纤维、水分含量等;在医药领域可以测定药品中有效成分，组成和含量;亦可进行样品的种类鉴别，如酒类和香水的真假辨别，环保废弃物的分检等。

相信随着科学技术的不断发展，近红外光谱分析技术这一先进的技术必将得到广泛的认同和应用。

近红外光谱分析原理

近红外光(Near Infrared，NIR)是介于可见光(VIS)和中红外光(MIR)之间的电磁波，ASTM定义的近红外光谱区的波长范围为780~2526nm(12820～3959cm-1)，习惯上又将近红外区划分为近红外短波(780~1100nm)和近红外长波(1100~2526nm)两个区域。

近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X-H(X=C、N、O)振动的倍频和合频吸收。不同基团(如甲基、亚甲基，苯环等)或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，NIR光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质测量。但在NIR区域，吸收强度弱，灵敏度相对较低，吸收带较宽且重叠严重。因此，依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析是十分困难的，化学计量学的发展为这一问题的解决奠定了数学基础。

其工作原理是，如果样品的组成相同，则其光谱也相同，反之亦然。如果我们建立了光谱与待测参数之间的对应关系(称为分析模型)，那么，只要测得样品的光谱，通过光谱和上述对应关系，就能很快得到所需要的质量参数数据。分析方法包括校正和预测两个过程： (1)在校正过程中，收集一定量有代表性的样品(一般需要80个样品以上)，在测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行测量，得到样品的各种质量参数，称之为参考数据。通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联，这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，通常称之为模型。虽然建立模型所使用的样本数目很有限，但通过化学计量学处理得到的模型应具有较强的普适性。对于建立模型所使用的校正方法视样品光谱与待分析的性质关系不同而异，常用的有多元线性回归，主成分回归，偏最小二乘，人工神经网络和拓扑方法等。显然，模型所适用的范围越宽越好，但是模型的范围大小与建立模型所使用的校正方法有关，与待测的性质数据有关，还与测量所要求达到的分析精度范围有关。实际应用中，建立模型都是通过化学计量学软件实现的，并且有严格的规范(如ASTM-6500标准)。

(2)在预测过程中，首先使用近红外光谱仪测定待测样品的光谱图，通过软件自动对模型库进行检索，选择正确模型计算待测质量参数。 近红外光谱分析技术的优势 样品无须预处理可直接测量：近红外光谱测量方式有透射、反射和漫反射多种形式，适合测量液体、固体和浆状等形式的样品，因此，用途很广。最大的优点就是无须对样品进行任何预处理，如汽油可直接倒入测量杯中或将光纤探头直接插入汽油中进行测量，操作非常方便，几秒钟内完成光谱扫描。 光纤远距离测量：近红外光可以通过光纤进行远距离传输，可以实现距光谱仪以外的远距离测量，可将测量探头或流通池直接安装到生产装置的管线，实现在线测量，或环境苛刻以及危险的地方的现场测量。

一台在线近红外光谱仪可以外接多路(2~10路)光纤回路，实现同时对生

产装置的多个测量点的物料在线测量。在线测量数据可直接输送到DCS或先进控制系统，为生产的优化及时提供油品的质量参数。与其它在线测量仪表提供的参数(如压力、流量和温度等变量)相比，在线近红外分析提供的数据(如组成或性质)是直接质量参数，对生产的优化提供更准确和有益的参考信息。

近红外分析与常规的标准分析方法配合使用，起到双方互补的作用，不仅能够及时向生产控制部门提供分析数据，同时也节省了大量分析化验费用(包括人力、设备，和试剂等);在线近红外分析与DCS连接，直接给控制系统提供数据，据此进行生产优化得到的经济效益是巨大的;与其它在线仪表相比，近红外光谱仪运行故障率和消耗均很低。 近红外光谱分析技术注意事项

近红外分析技术的一个重要特点就是技术本身的成套性，即必须同时具备三个条件：(1)各项性能长期稳定的近红外光谱仪，是保证数据具有良好再现性的基本要求;(2)功能齐全的化学计量学软件，是建立模型和分析的必要工具;(3)准确并适用范围足够宽的模型。这三个条件的有机结合起来，才能为用户真正发挥作用。因此，在购买仪器时必须对仪器提供的模型使用性有足够的认识，特别避免个别商家为推销仪器所做的过度宣传的不良诱导，为此付出代价的厂家有之，因此，一定要对厂家提供模型与技术支持情况有详细了解。

近红外分析技术分析速度快，是因为光谱测量速度很快，计算机计算结果速度也很快的原因。但近红外分析的效率是取决于仪器所配备的模型的数目，比如测量一张光谱图，如果仅有一个模型，只能得到一个数据，如果建立了10种数据模型，那么，仅凭测量的一张光谱，可以同时得到10种分析数据。

近红外光谱分析仪器

近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换、声光可调滤光器和阵列检测五种类型。

滤光片型主要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限，很难分析复杂体系的样品。光栅扫描式具有较高的信噪比和分辨率。由于仪器中的可动部件(如光栅轴)在连续高强度的运行中可能存在磨损问题，从而影响光谱采集的可靠性，不太适合于在线分析。傅立叶变换近红外光谱仪是具有较高的分辨率和扫描速度，这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性部件，且需要较严格的工作环境。声光可调滤光器是采用双折射晶体，通过改变射频频率来调节扫描的波长，整个仪器系统无移动部件，扫描速度快。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。

随着阵列检测器件生产技术的日趋成熟，采用固定光路、光栅分光、阵列检测器构成的NIR仪器，以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。在与固定光路相匹配的阵列检测器中，常用的有电荷耦合器件(CCD)和二极管阵列(PDA)两种类型，其中Si基CCD多用于近红外短波区域的光谱仪，InGaAs基PDA检测器则用于长波近红外区域。 近红外光谱仪器的主要性能指标

在近红外光谱仪器的选型或使用过程中，考虑仪器的哪些指标来满足分析的使用要求，这是分析工作者需要考虑的问题。对一台近红外光谱仪器进行评价时，必须要了解仪器的主要性能指标，下面就简单做一下介绍。

1、仪器的波长范围

对任何一台特定的近红外光谱仪器，都有其有效的光谱范围，光谱范围主要取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及光源。近红外光谱仪器的波长范围通常分两段，700～1100nm的短波近红外光谱区域和1100～2500nm的长波近红外光谱区域。

2、光谱的分辨率

光谱的分辨率主要取决于光谱仪器的分光系统，对用多通道检测器的仪器，还与仪器的像素有关。分光系统的光谱带宽越窄，其分辨率越高，对光栅分光仪器而言，分辨率的大小还与狭缝的设计有关。仪器的分辨率能否满足要求，要看仪器的分析对象，即分辨率的大小能否满足样品信息的提取要求。有些化合物的结构特征比较接近，要得到准确的分析结果，就要对仪器的分辨率提出较高的要求，例如二甲苯异构体的分析，一般要求仪器的分辨率好于1nm。[1]

3、波长准确性

光谱仪器波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差。波长的准确性对保证近红外光谱仪器间的模型传递非常重要。为了保证仪器间校正模型的有效传递，波长的准确性在短波近红外范围要求好于0.5nm，长波近红外范围好于1.5nm。

4、波长重现性

波长的重现性指对样品进行多次扫描，谱峰位置间的差异，通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示(傅立叶变换的近红外光谱仪器习惯用波数cm-1表示)。波长重现性是体现仪器稳定性的一个重要指标，对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响，同样也会影响最终分析结果的准确性。一般仪器波长的重现性应好于0.1nm。

5、吸光度准确性

吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射或漫反射测量，测量的吸光度值与该物质标定值之差。对那些直接用吸光度值进行定量的近红外方法，吸光度的准确性直接影响测定结果的准确性。

6、吸光度重现性

吸光度重现性指在同一背景下对同一样品进行多次扫描，各扫描点下不同次测量吸光度之间的差异。通常用多次测量某一谱峰位置所得吸光度的标准偏差表示。吸光度重现性对近红外检测来说是一个很重要的指标，它直接影响模型建立的效果和测量的准确性。一般吸光度重现性应在0.001～0.0004A之间。

7、吸光度噪音

吸光度噪音也称光谱的稳定性，是指在确定的波长范围内对样品进行多次扫描，得到光谱的均方差。吸光度噪音是体现仪器稳定性的重要指标。将样品信号强度与吸光度噪音相比可计算出信噪比。

8、吸光度范围

吸光度范围也称光谱仪的动态范围，是指仪器测定可用的最高吸光度与最低能检测到的吸光度之比。吸光度范围越大，可用于检测样品的线性范围也越大。

9、基线稳定性

基线稳定性是指仪器相对于参比扫描所得基线的平整性，平整性可用基线漂移的大小来衡量。基线的稳定性对我们获得稳定的光谱有直接的影响。

10、杂散光

杂散光定义为除要求的分析光外其它到达样品和检测器的光量总和，是导致仪器测量出现非线性的主要原因，特别对光栅型仪器的设计，杂散光的控制非常重要。杂散光对仪器的噪音、基线及光谱的稳定性均有影响。一般要求杂散光小于透过率的0.1%。

11、扫描速度

扫描速度是指在一定的波长范围内完成1次扫描所需要的时间。不同设计方式的仪器完成1次扫描所需的时间有很大的差别。例如，电荷耦合器件多通道近红外光谱仪器完成1次扫描只需20ms，速度很快;一般傅立叶变换仪器的扫描速度在1次/s左右;传统的光栅扫描型仪器的扫描速度相对较慢，目前较快的扫描速度也不过2次/s左右。

12、数据采样间隔

采样间隔是指连续记录的两个光谱信号间的波长差。很显然，间隔越小，样品信息越丰富，但光谱存储空间也越大;间隔过大则可能丢失样品信息，比较合适的数据采样间隔设计应当小于仪器的分辨率。

13、测样方式

测样方式在此指仪器可提供的样品光谱采集形式。有些仪器能提供透射、漫反射、光纤测量等多种光谱采集形式。

14、软件功能

软件是现代近红外光谱仪器的重要组成部分。软件一般由光谱采集软件和光谱化学计量学处理软件两部分构成。前者不同厂家的仪器没有很大的区别，而后者在软件功能设计和内容上则差别很大。光谱化学计量学处理软件一般由谱图的预处理、定性或定量校正模型的建立和未知样品的预测三大部分组成，软件功能的评价要看软件的内容能否满足实际工作的需要。

核磁共振谱分析法教学设计5

有机波谱分析是高等学校化学化工、医药、环境、材料、生物、食品、卫生等相关学科领域中重要的专业选修课程[1-3]。有机波谱分析课程主要的教学任务是在学习波谱解析的基本概念、基本理论和各类有机化合物的特征波谱的基础上，培养学生认知谱图、解析谱图的能力为核心，引导学生通过有机化合物的紫外-可见吸收光谱(UV)、红外光谱(IR)、核磁共振波谱(NMR)、质谱(MS)等四大谱图的分析、比较、归纳和总结，掌握常见的化合物的各种特征光谱和规律，并将规律和特征综合应用到未知有机化合物的结构表征和解析中[4]。有机波谱课程教学内容繁多、信息量大、基础理论知识较深、涉及的知识面广、逻辑复杂，具有极强的理论性和实践性。对于本科生和研究生，在规定的课时内完全掌握均具有较大的难度[5]。基于近几年的有机波谱分析课程教学经验和教学情况发现，学生对UV、MS和IR三种谱图的基础理论理解较为容易、谱图解析掌握较好，而对NMR波谱的基础理论的理解存在较大的难度，究其原因主要有以下几个方面：

(1)核磁共振谱图涉及较多物质结构、量子力学、电学、磁学和光学等领域相关知识和理论内容，逻辑更为复杂和深入。

(2)微观运动状态和宏观运动存在显著性差别，学生对量子化的概念尚不明确。学生在无机化学课程中简单了解一些量子力学基础知识，因时间久远，回忆知识点存在困难。

(3)多数高校并无核磁共振波谱仪和相应的实践教学内容，学生缺乏感性认识。进一步增加了学生对NMR波谱基本理论学习和谱图解析的难度。基于上述几点，对NMR波谱的部分教学内容进行设计和探讨，明确NMR波谱的内容，对NMR波谱的理论知识进行深入浅出的类比、剖析和逻辑分析，使学生在已有的知识基础上更好地理解相关的知识点，从而对四大谱图中难度最高的NMR波谱的内容进行突破，为后续学生综合解谱提供良好的理论和实践基础。