第一章 核磁共振波谱

第一章核磁共振（NMRspectroscopy）2

核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging‎)，是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance‎，简称NMR‎）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。

将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。

NMR

—

概述3

核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。

人脑纵切面的核磁共振成像

NMR—

概述4历史

1946年---Bloch(StanfordU.)&Purcell(HarvardU.)观察到核磁共振现象

1948年---建立核磁弛豫理论

1950年---发现化学位移和偶合现象NMR—概述5

1952年---NobelPrize(物理）

1951年---Arnold发现乙醇的核磁共振信号3组峰历史NMR

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概述67

1956年---Varian公司第一台高分辨核磁共振波谱仪

1965年---傅立叶变换谱学诞生

1970s---固体核磁、二维核磁、固体魔角旋转技术（材料学）、核磁成像等NMR

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概述8历史

1991年---NobelPrize（R.R.Ernst）高分辨核磁共振分光法，成为有机物鉴定和结构测定的重要手段。NMR

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概述9NMR

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概述10

2002年的诺贝尔化学奖之一半授予了KurtWüthrich博士,以表彰他在应用核磁共振技术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓越贡献。http://www.mol.biol.ethz.ch/wuthrich/people/kw/cv2en.htmlNMR

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概述TheNobelPrizeinChemistry2002JohnB.FennKoichiTanakaKurtWüthrich

1/4oftheprize

1/4oftheprize

1/2oftheprizeUSAJapanSwitzerlandVirginiaCommonwealthUniversity

Richmond,VA,USAShimadzuCorp.

Kyoto,JapanEidgenössischeTechnischeHochschule(SwissFederalInstituteofTechnology)

Zurich,Switzerland;TheScrippsResearchInstitute

LaJolla,CA,USAb.1917b.1959b.1938"forthedevelopmentofmethodsforidentificationandstructureanalysesofbiologicalmacromolecules"

"fortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromolecules"

12诺贝尔获奖者的贡献

2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-{zh-tw:保罗·劳特伯;zh-cn:保罗·劳特布尔}-（PaulC.Lauterbur）和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德（PeterMansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。NMR

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概述13200兆超导核磁共振仪,美国Varian公司核磁共振波谱仪14200兆超导核磁共振仪,美国Varian公司核磁共振波谱仪基本要求第一节核磁共振基础知识1.1

核磁共振的基本原理

1.1.1原子核的自旋与自旋角动量（P）、核磁矩（μ）及磁旋比（γ）产生磁共振现象是因为这些原子核显示磁性，而产生磁性的内在原因在于这些原子核本身固有的“自旋”运动。自旋角动量P

的数值大小可用核的自旋量子数I或自旋I来表述。

h为普朗克常数；I为量子化的参数，不同的核具有0，1/2，1，3/2等不同的固定值。I=0，

P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。

∴只有当I

＞

O时，才能发生共振吸收，产生共振信号。

质量数（A）原子序数（Z）自旋量子数（I）例奇数奇数或偶数半整数(1/2,3/2,5/2,…)13C，1H，19F，31P，15N17O，35Cl，79Br，125I偶数偶数零12C，16O，32S偶数奇数整数(1,2,3,…)2H，14N原子核的自旋量子数（I）与质量数（A）及原子序数（Z）的关系只有自旋量子数I>0的原子核才具有自旋运动特性，具有角动量P和核磁矩，从而显示磁性，成为核磁共振的对象。211．

I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）等无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。2．

I=1或

I>１的原子核

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少。核的自旋22核的自旋3．Ｉ＝1/2的原子核：1H，13C，19F，31P

原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象。原子核在无外磁场中的运动情况自旋核在外磁场中的两种取向示意图1.1.2磁性原子核在外加磁场中的行为特性自旋取向数=2I+11.1.2磁性原子核在外加磁场中的行为特性

核的自旋取向、自旋取向数与能级状态△E=E2-E1=2μH0

通常在热力学平衡条件下，自旋核在两个能级间的定向分布数目遵从Boltzmann分配定律，即低能态核的数目比高能态的数目稍多一些。

在一定条件下，低能态的核能吸收外部能量从低能态跃迁到高能态，并给出相应的吸收信号，即核磁共振信号。

核在能级间的定向分布及核跃迁

多出来的低能态的核吸收能量自低能态跃迁到高能态，能量将不再吸收。与此相应，作为核磁共振的信号也将逐渐减退，直至完全消失。此种状态称作“饱和”状态。在核磁共振条件下，在低能态的核通过吸收能量向高能态跃迁的同时，高能态的核也通过以非辐射的方式将能量释放到周围环境中由高能态回到低能态，从而保持Boltzmann分布的热平衡状态。这种通过无辐射的释放能量途径核由高能态回到低能态的过程称作“弛豫”。

饱和与弛豫核的自旋驰豫驰豫过程可分为两种类型：自旋-晶格驰豫和自旋-自旋驰豫。

自旋-晶格弛豫

（spin-latticeRelaxation）

晶格泛指环境，即处于高能态自旋核把能量传给周围环境（同类分子、溶剂小分子、固体晶格等）转变为热运动，而本身回到低能态维持Boltzmann分布。自旋-晶格弛豫过程达到热平衡状态所需要的时间，称自旋-晶格弛豫时间，用T1表示（T1与样品状态及核的种类、温度有关）气体或液体样品，T1一般为10-4~102s，固体或粘度大的液体T1很长，可达几小时。自旋-晶格弛豫又称纵向弛豫。自旋-自旋弛豫

（spin-spinRelaxation）：又称横向弛豫。高能态核把能量传给同类低能态的自旋核，本身回到低能态，维持Boltzmann分布。结果是高低能态自旋核总数不变。自旋-自旋弛豫时间用T2表示。液体T2～1s，固体或粘度大的液体，T2很小，10-3s

自旋核形成的核磁矩可以看成是个小磁针，当置于外加磁场中时，将被近对外加磁场自动取向，并且核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为拉摩尔进动（或称拉摩尔回旋，Larmorprocession）。

核的进动与拉摩尔频率=H0/2

在外加静磁场中，核从低能级向高能级跃迁时需要吸收一定的能量。通常这个能量可由照射体系的电磁辐射来供给。对处于进动中的核，只有当照射用电磁辐射的频率与自旋核的进动频率相等时，能量才能有效地从电磁辐射向核转移，使核由低能级跃迁到高能级，实现核磁共振。1.2

产生核磁共振的必要条件扫频：固定外加磁场强度H0，通过逐渐改变电磁辐射频率来检测共振信号。扫场：固定电磁辐射频率

，通过逐渐改变磁场强度来检测共振信号。核磁共振所需辐射频率：

=（2μ/h）H0H0=（h/2μ）v要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：=（2μ/h）H0对不同种类的核来说，因核磁矩各异，即使是置于同一强度的外加磁场中，发生共振时所需要的辐射频率也不相同。各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的共振频率为：

1H60.000MHZ13C15.086MHZ19F56.444MHZ

31P24.288MHZ对于1H核，不同的频率对应的磁场强度：射频磁场强度

40MHZ0.9400特斯拉

60

1.40921002.35002004.70003007.1000500

11.7500若固定射频（v），则不同原子核的共振信号将会出现在不同强度的磁场区域。因此，在某一磁场强度和与之相匹配的特定射频条件下，只能观测到一种核的共振信号，不存在不同种类的原子核信号相互混杂的问题。1.3屏蔽效应

核外电子在与外加磁场垂直的平面上绕核旋转同时将产生一个与外加磁场相对抗的第二磁场。结果对氢核来说，等于增加了一个免受外加磁场影响的防御措施。这种作用叫做电子的屏蔽效应。以氢核为例，实受磁场强度：HN=H0-σH0HN=H0(1-σ)σ为屏蔽常数，表示电子屏蔽效应的大小。其数值取决于核外电子云密度。CH3CH2Cl

CH3

CH2电子云密度大电子云密度小屏蔽作用大屏蔽作用小实受磁场小实受磁场大

高场低场

HN=H0(1-σ)△E=2μHN=2μH0（1-σ）2μH0（1-σ）=hvH0=hv/[2μ(1-σ)]

核外电子对H核产生的这种作用，称为屏蔽效应(又称抗磁屏蔽效应)。

显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之，共振信号将移向低场区。第二节氢核磁共振（1H-NMR）1.化学位移的由来——屏蔽效应化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。

一、化学位移定义：在照射频率确定时，同种核因在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场强度下显示吸收峰的现象称为化学位移。因此一个质子的化学位移是由其周围的电子环境决定的。2.化学位移的表示方法

化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。零点-1-2-31234566789

TMS低场高场为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?(1)结构对称，是一个单峰。(2)屏蔽效应强，共振信号在高场区(δ值规定为0)，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。(3)容易回收(b.p低)，与样品不反应、不缔合。

0--照射试样用的电磁辐射频率3.常见结构类型的质子化学位移Ar-HH2C=CH2

≡CHRH7.285.282.88～1

CHCH2

CH31.40-1.651.20-1.400.85-0.95-COOH-CHOArOHROH(RNH2)10～12

9～104～80.5～5-OCH33.5~4.0=C-CH32.0~2.5苯环的影响！二、影响化学位移的因素凡影响电子云密度的因素都将影响化学位移。1.电负性的影响

相连基团电负性大，氢核外围电子云密度降低，化学位移值增大，向低场位移。

1.电负性的影响：

元素的电负性↑，通过诱导效应，使H核的核外电子云密度↓，屏蔽效应↓，共振信号→低场。例如：

化合物氢核的化学位移(CH3)4Si0.00(CH3)3-Si(CD2)2CO2－Na+0.00CH3I2.2CH3Br2.6CH3Cl3.1CH3F4.3CH3NO24.3CH2Cl25.5CHCl37.3取代烃中取代基对氢核化学位移值的影响随着相连基团电负性的增加，甲基的氢核外围电子云密度不断降低，化学位移值不断增大。2.磁各向异性效应：

又称远程屏蔽效应，是质子在分子中所处的空间位置不同而导致屏蔽作用不同的现象。与外加磁场方向一致，将增强外加磁场，使氢核向低磁场方向位移（负屏蔽效应），化学位移值增大；与外加磁场方向相反，将会削弱外加磁场，使氢核向高场方向位移（正屏蔽效应），化学位移值减小。这种效应就叫做磁的各向异性效应。(1)双键的磁各向异性

烯烃双键碳上的质子位于π键环流电子产生的感生磁场与外加磁场方向一致的区域（称为去屏蔽区），去屏蔽效应的结果，使烯烃双键碳上的质子的共振信号移向稍低的磁场区，其δ=4.5～5.7。

同理，羰基碳上的H质子与烯烃双键碳上的H质子相似，也是处于去屏蔽区，存在去屏蔽效应，但因氧原子电负性的影响较大，所以，羰基碳上的H质子的共振信号出现在更低的磁场区，其δ=9.4～10。

(2)芳环的磁各向异性效应芳环：苯环的六个π电子形成大π键，在外磁场的诱导下，很容易形成电子环流，产生次级磁场。其屏蔽情况如下图所示，在苯环的中心，次级磁场与外磁场的磁力线方向相反，使这里的质子实受磁场强度降低，屏蔽效应增大，δ值减小。这个空间称为正屏蔽区，以“+”表示。在平行于苯环平面四周的空间，次级磁场与外磁场的磁力线方向一致，使这里的质子实受磁场强度增加，出现顺磁屏蔽效应，δ值增大。这个空间称为去屏蔽区（或负屏蔽区），以“-”表示。在正、负屏蔽交界处屏蔽作用等于零。

双键的磁各向异性烯氢：

4.5~5.7;醛氢：

9.4~10.0芳氢

6.0~9.0+—+———(3)碳碳三键的磁各向异性效应

碳碳三键是直线构型，π电子云围绕碳碳键呈筒型分布，形成环电流，它所产生的感应磁场与外加磁场方向相反，故三键上的H质子处于屏蔽区，屏蔽效应较强，使三键上H质子的共振信号移向较高的磁场区，其δ=1.8～3.0。

甲基亚甲基次甲基d0.85～0.95

1.20～1.40

1.40～1.65(4)碳碳单键的磁各向异性效应

(4)碳碳单键的磁各向异性效应3.氢核交换对化学位移的影响4.氢键缔合对化学位移的影响4.氢键缔合对化学位移的影响分子内（间）氢键缔合，电子屏蔽作用减小，增大4.氢键缔合对化学位移的影响分子内（间）氢键缔合，电子屏蔽作用减小，增大小结：影响化学位移大小的因素电负性磁各向异性氢核交换氢键缔合

小结：

三、

1H-NMR化学位移与官能团类型(1)sp3杂化碳上的质子化学位移范围：烷烃类化合物：δ～1与双键相连：δ～2与O相连：δ＜4与N相连：δ～3（由于N的电四极矩效应，使与之连接的碳上的质子信号变宽）与芳环相连：δ2.3～2.9与羰基相连：δ2.0～2.2(2)sp2杂化碳上的质子化学位移范围：a.烯烃结构类型化学位移范围环外双键4.4～4.9环内双键5.3～5.9末端双键4.5～5.2开链双键5.3～5.8a,b-不饱和酮a-H5.3～5.6b-H6.5～7.0环内大于5环外小于五烯烃氢核化学位移计算b.苯环质子化学位移的经验计算取代基对苯环芳氢的影响（d=7.27+Ss）取代基omp供电基团-OH-0.50-0.14-0.40-OCH3-0.43-0.09-0.37-CH3-0.17-0.09-0.18吸电基团-COCH3+0.64+0.09+0.30特征质子的化学位移值102345678910111213C3CHC2CH2C-CH3环烷烃0.2—1.5CH2ArCH2NR2CH2SC

CHCH2C=OCH2=CH-CH31.7—3CH2FCH2Cl

CH2BrCH2ICH2OCH2NO22—4.70.5(1)—5.56—8.510.5—12CHCl3(7.27)4.6—5.99—10OHNH2NHCR2=CH-RRCOOHRCHO常用溶剂的质子的化学位移值D2.2峰面积与氢核数目在1H-NMR谱中，各吸收峰覆盖的面积与引起该吸收的氢核数目成正比。活泼氢信号峰面积可能不成比例判断氢核数目判断杂质峰、活泼氢决定质子数目的方法

吸收峰的峰面积，可用自动积分仪对峰面积进行自动积分，画出一个阶梯式的积分曲线。

峰面积的大小与质子数目成正比。

峰面积高度之比

=质子个数之比。

一个化合物究竟有几组吸收峰，取决于分子中H核的化学环境。

有几种不同类型的H核，就有几组吸收峰。

例如：

低分辨率谱图

共振吸收峰（信号）的数目2.3

峰的裂分和偶合常数

在高分辨率核磁共振谱仪测定CH3CH2―I或CH3CH2OH时CH3―和―CH2―的共振吸收峰都不是单峰。（1）峰裂分的原因由相邻的两个（组）磁性核之间的自旋偶合或自旋干扰所引起。1.峰的裂分：

产生的原因：

相邻的磁不等性H核自旋相互作用（即干扰）的结果。这种原子核之间的相互作用，叫做自旋偶合。由自旋偶合引起的谱线增多的现象，叫做自旋裂分。

偶合表示核的相互作用，裂分表示谱线增多的现象。（2）对相邻氢核有自旋偶合干扰作用的原子核氢核相互之间可发生自旋偶合，叫做同核偶合，在1H-NMR谱中影响最大。两个小峰间的距离叫做自旋-自旋偶合常数，简称偶合常数J，表示两个核之间相互干扰的强度。（3）相邻干扰核的自旋组合及对共振峰分裂的影响综上所述，氢核因自旋偶合干扰而裂分的小峰数N可按下式求算：N=2nI+1I表示干扰核的自旋量子数，n表示干扰核的数目。氢核，I=1/2，故N=n+1，即有n个相邻的磁不等同氢核时，将显示“n+1”个小峰，这就是“n+1”规律。吸收峰精细结构中小峰的相对面积比或强度，可按下列规律表示：解：N(Ha)=2+1=3N(Hb)=3+1=4a.偶合裂分是由原子核间相互干扰引起的,通过化学键传递;b.相互偶合的H核其J值相同;c.一级图谱峰的裂分遵循n+1规律;d.根据J值大小可以判断偶合氢核之间的关系，归属H核。2.偶合常数(J)

每组吸收峰内各峰之间的距离，称为偶合常数，以Jab表示。下标ab表示相互偶合的核的种类。

偶合常数的单位用Hz表示。偶合常数的大小与外加磁场强度、使用仪器的频率无关。

值得注意的是：

自旋偶合与相互作用的两个H核的相对位置有关。当相隔单键数≤3时，可以发生自旋偶合，相隔三个以上单键，J值趋于0，即不发生偶合。偶合分类1)偕偶(Jgem),又为同碳偶合

sp3

J=10-15Hzsp2C=CH2

J=0-2HzN=CH2

J=7.6-17Hz与键长、取代基的电负性、两面角以及C-C-H间键角大小有关。

饱和型:自由旋转J=7Hz

构象固定:0-18Hz，与两面角有关烯型：Jcis=6-12Hz(10),Jtrans=12-18Hz(17)

芳环:Jo=6-9Hz2)邻偶(Jvic)3）远程偶合（J4，J5）

烯丙偶合J4=0-3Hz，苯环的间位Jm=1-3Hz和对位偶合Jp=0-1Hz

化学环境相同、化学位移也相同，且对组外氢核表现出相同偶合作用强度的氢核，相互之间虽有自旋偶合却不产生裂分。只有磁不等同的氢核之间才会因自旋偶合而产生裂分。3自旋偶合系统

(1)磁等同氢核：(2)磁不等同氢核a）化学环境不相同的氢核b）处于末端双键上的两个氢核c）若单键带有双键性质时也会产生磁不等同氢核。（如酰胺,HCON(CH3)2）d）与不对称碳原子相连的CH2上的两个氢核（前手性碳）e）CH2上的两个氢核位于刚性环上或不能自由旋转的单键上f）芳环上取代基的邻位质子也可能是磁不等同的磁不等同氢核之间并非一定存在自旋偶合作用。自旋偶合作用通过键合电子间传递而实现，所以间隔键数越多，偶合作用越弱。系统中两个（组）相互干扰的氢核化学位移差距△ν比偶合常数J大得多，△ν/J》6,干扰作用较弱，谓之低级偶合；反之，若△ν≈J或△ν<J时，干扰作用比较严重，谓之高级偶合。（3）低级偶合与高级偶合（3）低级偶合（符合n+1规律）（3）高级偶合若△ν≈J或△ν<J时，干扰作用比较严重，谓之高级偶合。(不符合n+1规律，峰强变化也不规则)2.41H-NMR谱测定技术2.4.2强磁场NMR仪2.4.3去偶试验同核去偶试验：即通过选择照射偶合中某个（组）质子并使之饱和，则由该质子造成的偶合影响将会消除，原先受其影响而裂分的质子信号在去偶谱上将会变为单峰（在只有单重偶合影响时），或者得到简化（当还存在其他偶合影响时）。2.4.4核的Overhauser效应（NOE）两个（组）不同类型质子位于相近的空间距离时，照射其中一个（组）质子会使另一（组）质子的信号强度增强。这种现象称为核的Overhauser效应，简称NOE。NOE通常以照射后信号增强的百分率表示。2.51H-NMR谱的解析1.检查信号是否正常，如TMS、溶剂峰、积分比例。2.根据积分计算各氢信号对应的H数。3.加D2O，判断是否为活泼氢信号。4.参考化学位移、小峰数目及偶合常数，解释低级偶合系统。5.解释芳香氢核信号及高级偶合系统。6.更换溶剂，位移试剂，去偶试验……一张谱图可以向我们提供关于有机分子结构的如下信息

1.由吸收峰的组数，可以判断有几种不同类型的H核；

2.由峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断各类H的相对数目；

3.由峰的裂分数目，可以判断相邻H核的数目；

4.由峰的化学位移（δ值），可以判断各类型H所处的化学环境；

5.由裂分峰的外形或偶合常数，可以判断哪种类型H是相邻的。

谱图解析

1.2.分子式为C3H6O的某化合物的核磁共振谱如下，试确定其结构。

谱图上只有一个单峰，说明分子中所有氢核的化学环境完全相同。结合分子式可断定该化合物为丙酮。3.某化合物的分子式为C3H7Cl，其NMR谱图如下图所示：试推断该化合物的结构。(1)有三组吸收峰，说明有三种不同类型的H核；(2)该化合物有七个氢，有积分曲线的阶高可知a、b、c各组吸收峰的质子数分别为3、2、2；(3)由化学位移值可知：Ha的共振信号在高场区，其屏蔽效应最大，该氢核离Cl原子最远；而Hc的屏蔽效应最小，该氢核离Cl原子最近。

结论：该化合物的结构应为：

解：由分子式可知，该化合物是一个饱和化合物；

由谱图可知：一张谱图可以向我们提供关于有机分子结构的如下信息

1.由吸收峰的组数，可以判断有几种不同类型的H核；

2.由峰的强度（峰面积或积分曲线高度），可以判断各类H的相对数目；

3.由峰的裂分数目，可以判断相邻H核的数目；

4.由峰的化学位移（δ值），可以判断各类型H所处的化学环境；

4C3H6O2

IR1700cm-1

=1NMR11.3(单峰1H)2.3(四重峰2H)1.2(三重峰3H)

CH3CH2COOH5C7H8O

IR3300，3010，1500，1600，730，690cm-1=4NMR7.2(多重峰5H)4.5(单峰2H)3.7(宽峰1H)

C6H5-CH2-OH129CH3COOCH3222323两个同分异构体的分子式为C4H8O3，它们的HNMR数据如下，请推定可能的结构式。化合物1：1.3（3H，t，J=7Hz）

3.6（2H，q，J=7Hz）

4.15（2H，s）

12.1（1H，s）化合物2：3.5（3H，s）

3.8（3H，s）

4.05（2H，s）

化合物1：CH3CH2OCH2COOH化合物2：CH3OCH2COOCH3

第三节碳核磁共振（13C-NMR）核磁共振所需辐射频率：

=（2μ/h）H01.碳谱为结构解析提供的信息化学位移:

0～220；分辨率高，谱线简单