化工现代检测技术

核磁共振波谱法

有机化合物的结构测定，过去主要依靠化学方法来测定，样品用量大，费时费力。如：鸦片中的吗啡碱的结构测定，1805年开始，1952年才彻底完成。利用现代波谱分析手段，仅需要微量样品，就可以快速的测定一些较简单化合物的结构，有时甚至能获得其聚集状态及分子间相互作用的信息。

将自旋核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR）。在有机化合物中，经常研究的是1H核和13C核的共振吸收谱。本章将主要介绍1H核磁共振谱。

核磁共振波谱法是结构分析的重要根据之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破坏分析方法。

一、基本原理

1.1核的自旋运动

我们知道原子核是由带正电荷的原子和中子组成，它有自旋现象原子核大都围绕着某个轴作旋转运动，各种不同的原子核，自旋情况不同。原子核的自旋情况在量子力学上用自旋量子数I表示，有三种情况：

①I=0,这种原子核没有自旋现象,不产生共振吸收(质量数为偶数(M),电子数,原子数为偶数(z)为12G,16O,32S)

②I=1、2、3、…、n，有核自旋现象，但共振吸收复杂，不便于研究。

③I=n/2（n=1、2、3、5、…）有自旋现象，n〉1时，情况复杂，n=1时，I=1/2，这类原子核可看作是电荷均匀分布的球体，这类原子核的磁共振容易测定，适用于核磁共振光谱分析，其中尤以1H最合适。

1.2核磁共振

如果以射频照射处于外磁场B0中的核，且射频频率恰好满足下列关系时：

hE 或 B0

Ih （1-1）

处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态。这种现象称为核磁共振现象。

二、仪器设备

2.1核磁共振仪

主要由磁铁、射频振荡器、扫描器、样品管、记录仪、样品管及附件等组成。

2.2仪器分类

表1 核磁共振仪分类

连续波核共振仪的不足之处在于它在基本一时刻只能记录波谱中很窄的一部分信号，对于不灵敏核如13C，用连续波仪获得共振谱几乎不可能。

2.3性能指标

（1）灵敏度：信/噪比。 1%乙基苯/CCl4中次甲基四重峰中最高峰信号/N（噪声平均值）。

（2）分辨率：20%乙醛四重峰中两个大峰的半峰宽度/工作频率，表示仪器区别邻峰的能力。

（3）稳定性：谱线重复性。

2.4样品的制备

（1）样品要求：要纯（不含不溶物，灰尘，顺磁性物质）

固体要配成5-10%的溶液，内标物加入量1-2%

（2）溶剂剂要求：①不含质子 。

②低沸点 ，低粘度 。

③与样品不起反应（化学惰性）。

常用溶剂有：CDCl3、CD3OD、（CD3）CO、（CD3）SO、C6D6、D2O等

（3）样品管：密封，旋转（10-20N/S）防止局部磁场不均匀

2.5核磁场共振谱：可给出三种数据

（1）化学位移：判断官能团，或取代基。

（2）偶合分裂：判断邻近核的相互干扰。

（3）积分线（峰面积）：判断各组质子的质子数。

2.6谱图的应用

（1）定性：推断分子结构

（2）定量 ：例正丙苯、异丙苯混合物

三、核磁共振波谱法的应用

3.1化学位移

不同化学环境的核，受到不同程度的屏蔽效应，其共振吸收的位置出现在不同的磁感应强度，这种位置的差异为化学位移。

由于化学位移的大小和原子核所处的化学环境密切相关，因此，可根据化学位移的大小来了解原子核所处的化学环境，即有机化合物的分子结构。

化学位移（）的定义：

试样TMS106106 00

IUPAC规定（1970）TMS的=0，左边的峰为正值，右边的峰为负值

选用TMS为标准原因：①12个1H所处化学环境相同，仅一个峰；②TMS外围电子云密度很大，屏蔽作用强，不会和其它化合物相互重叠；③TMS是化学惰性的。

3.2自旋偶合及自旋分裂

对于一个有机化合物分子，由于所处的化学环境不同，其核磁共振谱于相应的б值处出现不同的峰，各峰的面积与1H数成正比，如CH3CH2OH应有三个峰，面积比分别是1：2：3。但用高分辨率仪器测得的是（右图）

出现这种现象的原因是什么？就是所谓的自旋分裂，经研究，这种峰的分裂是由于分子内部的邻近1H的自旋相互干扰引起的。

自旋偶合：相邻近1H之间的核自旋之间的相互干扰作用称为自旋偶合。 自旋分裂：由自旋偶合引起的谱线增多现象称自旋分裂

邻近1H自旋之间的相互干扰程度的大小用偶合常数J表示，偶合常数与外加磁场无关（与溶剂也基本无关），但与成键间隔的数目、成键类型、取代基电负性等有关。偶合常数与化学位移一样，以确定化合物的结构有重要作用，原子核的环境不同，偶合常数也不同，对于100MHZ仪器，J≤20HZ。偶合作用一般不超过三个键，超过三个时很小或无偶合作用，如有则为远程偶合。

3.3核的化学等价和磁等价

在核磁共振谱中，有相同化学环境的核具有相同的化学位移。这种有相同化学位移的核称为化学等价。例如，在对硝基苯甲醛中：Ha和Ha,（或Hb和Hb,）质子的化学环境相同，化学位移相同，化学位移相同，它们是化学等价的。又如，在苯环上，六个氢的化学位移相同，它们是化学等价的。

所谓磁等价是指分子中的一组氢核，其化学位移相同，且对组外任何一个原子核的偶合常数也相同。例如，在二氟甲烷中，H1和H2质子的化学位移相同，并且它们对F1或F2的偶合常数也相同，即JH1F1JH2F1，JH2F2JH1F2，因此，H1和H2称为磁等价核。应该指出，它们之间虽有自旋干扰，但并不产生峰的分裂；而只有磁不等价的核之间发生偶合时，才会产生峰的分裂。

化学等价的核不一定是磁等价的，而磁等价的核一定是化学等价的。例如，

119在二氟乙烯中，两个H和两个F虽然环境相同，是化学等价的，但是由于H1

与F1是顺式偶合，与F2是反式偶合。同理H2和F2是顺式偶合，与F1是反式偶合。所以H1和H2是磁不等价。

应该指出，在同一碳上的质子，不一定都是磁等价。事实上，与手性碳原子相连的-CH2-上的二个氢核，就是磁不等价的，例如，在化合物2-一氯丁烷中，Ha和Hb质子是磁不等价的。

在解析图谱时，必须弄清某组质子是化学等价还是磁等价，这样才能正确分析图谱。

3.4一级图谱

一般来说，一级分裂图谱的吸收峰数目、相对强度和排列次序遵守下列规则：

（1）一个峰被分裂成多重峰时，多重峰的数目将由相邻原子中磁等价的核数n来确定，其计算式为（2nI+1）。对于氢核来说，自旋量子数I=1/2，其计算式可写成（n+1）。在乙醇分子中，亚甲基峰的裂分数由邻近的甲基质子数目确定，即（3+1）=4，为四重峰；甲基质子峰的裂分数由邻接的亚甲基质子数确定，即（2+1）=3，为三重峰。

（2）裂分峰的面积之比，为二项式（x+1）n展开式中各项系数之比。多重峰通过其中点作对称分布，其中心位置即为化学位移。

3.5谱图解析

谱图解析首先看谱图中有几组峰来确定化合物有几种氢核，再根据各组峰的积分面积确定各种氢核的数目，然后根据化学位移判断氢核化学环境，最后根据裂分情况和耦合常数确定各组质子之间的关系。

图1 2–氯丁烷的1H–NMR谱图

受氯原子吸电诱导效应的影响，C2上一个质子的信号出现在3.91的低场，受C1上3个质子和C3两个质子耦合，C2质子被裂分为多重峰。C3为仲碳，化学位移1.71略大于C1的位移。C4上的三个质子远离氯原子，质子的化学位移仅为1.02。受相邻质子的偶合，C1、C3，C4的质子裂分为双峰，多重峰和三重峰。

核磁共振波谱法

有机化合物的结构测定，过去主要依靠化学方法来测定，样品用量大，费时费力。如：鸦片中的吗啡碱的结构测定，1805年开始，1952年才彻底完成。利用现代波谱分析手段，仅需要微量样品，就可以快速的测定一些较简单化合物的结构，有时甚至能获得其聚集状态及分子间相互作用的信息。

将自旋核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR）。在有机化合物中，经常研究的是1H核和13C核的共振吸收谱。本章将主要介绍1H核磁共振谱。

核磁共振波谱法是结构分析的重要根据之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破坏分析方法。

一、基本原理

1.1核的自旋运动

我们知道原子核是由带正电荷的原子和中子组成，它有自旋现象原子核大都围绕着某个轴作旋转运动，各种不同的原子核，自旋情况不同。原子核的自旋情况在量子力学上用自旋量子数I表示，有三种情况：

①I=0,这种原子核没有自旋现象,不产生共振吸收(质量数为偶数(M),电子数,原子数为偶数(z)为12G,16O,32S)

②I=1、2、3、…、n，有核自旋现象，但共振吸收复杂，不便于研究。

③I=n/2（n=1、2、3、5、…）有自旋现象，n〉1时，情况复杂，n=1时，I=1/2，这类原子核可看作是电荷均匀分布的球体，这类原子核的磁共振容易测定，适用于核磁共振光谱分析，其中尤以1H最合适。

1.2核磁共振

如果以射频照射处于外磁场B0中的核，且射频频率恰好满足下列关系时：

hE 或 B0

Ih （1-1）

处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态。这种现象称为核磁共振现象。

二、仪器设备

2.1核磁共振仪

主要由磁铁、射频振荡器、扫描器、样品管、记录仪、样品管及附件等组成。

2.2仪器分类

表1 核磁共振仪分类

连续波核共振仪的不足之处在于它在基本一时刻只能记录波谱中很窄的一部分信号，对于不灵敏核如13C，用连续波仪获得共振谱几乎不可能。

2.3性能指标

（1）灵敏度：信/噪比。 1%乙基苯/CCl4中次甲基四重峰中最高峰信号/N（噪声平均值）。

（2）分辨率：20%乙醛四重峰中两个大峰的半峰宽度/工作频率，表示仪器区别邻峰的能力。

（3）稳定性：谱线重复性。

2.4样品的制备

（1）样品要求：要纯（不含不溶物，灰尘，顺磁性物质）

固体要配成5-10%的溶液，内标物加入量1-2%

（2）溶剂剂要求：①不含质子 。

②低沸点 ，低粘度 。

③与样品不起反应（化学惰性）。

常用溶剂有：CDCl3、CD3OD、（CD3）CO、（CD3）SO、C6D6、D2O等

（3）样品管：密封，旋转（10-20N/S）防止局部磁场不均匀

2.5核磁场共振谱：可给出三种数据

（1）化学位移：判断官能团，或取代基。

（2）偶合分裂：判断邻近核的相互干扰。

（3）积分线（峰面积）：判断各组质子的质子数。

2.6谱图的应用

（1）定性：推断分子结构

（2）定量 ：例正丙苯、异丙苯混合物

三、核磁共振波谱法的应用

3.1化学位移

不同化学环境的核，受到不同程度的屏蔽效应，其共振吸收的位置出现在不同的磁感应强度，这种位置的差异为化学位移。

由于化学位移的大小和原子核所处的化学环境密切相关，因此，可根据化学位移的大小来了解原子核所处的化学环境，即有机化合物的分子结构。

化学位移（）的定义：

试样TMS106106 00

IUPAC规定（1970）TMS的=0，左边的峰为正值，右边的峰为负值

选用TMS为标准原因：①12个1H所处化学环境相同，仅一个峰；②TMS外围电子云密度很大，屏蔽作用强，不会和其它化合物相互重叠；③TMS是化学惰性的。

3.2自旋偶合及自旋分裂

对于一个有机化合物分子，由于所处的化学环境不同，其核磁共振谱于相应的б值处出现不同的峰，各峰的面积与1H数成正比，如CH3CH2OH应有三个峰，面积比分别是1：2：3。但用高分辨率仪器测得的是（右图）

出现这种现象的原因是什么？就是所谓的自旋分裂，经研究，这种峰的分裂是由于分子内部的邻近1H的自旋相互干扰引起的。

自旋偶合：相邻近1H之间的核自旋之间的相互干扰作用称为自旋偶合。 自旋分裂：由自旋偶合引起的谱线增多现象称自旋分裂

邻近1H自旋之间的相互干扰程度的大小用偶合常数J表示，偶合常数与外加磁场无关（与溶剂也基本无关），但与成键间隔的数目、成键类型、取代基电负性等有关。偶合常数与化学位移一样，以确定化合物的结构有重要作用，原子核的环境不同，偶合常数也不同，对于100MHZ仪器，J≤20HZ。偶合作用一般不超过三个键，超过三个时很小或无偶合作用，如有则为远程偶合。

3.3核的化学等价和磁等价

在核磁共振谱中，有相同化学环境的核具有相同的化学位移。这种有相同化学位移的核称为化学等价。例如，在对硝基苯甲醛中：Ha和Ha,（或Hb和Hb,）质子的化学环境相同，化学位移相同，化学位移相同，它们是化学等价的。又如，在苯环上，六个氢的化学位移相同，它们是化学等价的。

所谓磁等价是指分子中的一组氢核，其化学位移相同，且对组外任何一个原子核的偶合常数也相同。例如，在二氟甲烷中，H1和H2质子的化学位移相同，并且它们对F1或F2的偶合常数也相同，即JH1F1JH2F1，JH2F2JH1F2，因此，H1和H2称为磁等价核。应该指出，它们之间虽有自旋干扰，但并不产生峰的分裂；而只有磁不等价的核之间发生偶合时，才会产生峰的分裂。

化学等价的核不一定是磁等价的，而磁等价的核一定是化学等价的。例如，

119在二氟乙烯中，两个H和两个F虽然环境相同，是化学等价的，但是由于H1

与F1是顺式偶合，与F2是反式偶合。同理H2和F2是顺式偶合，与F1是反式偶合。所以H1和H2是磁不等价。

应该指出，在同一碳上的质子，不一定都是磁等价。事实上，与手性碳原子相连的-CH2-上的二个氢核，就是磁不等价的，例如，在化合物2-一氯丁烷中，Ha和Hb质子是磁不等价的。

在解析图谱时，必须弄清某组质子是化学等价还是磁等价，这样才能正确分析图谱。

3.4一级图谱

一般来说，一级分裂图谱的吸收峰数目、相对强度和排列次序遵守下列规则：

（1）一个峰被分裂成多重峰时，多重峰的数目将由相邻原子中磁等价的核数n来确定，其计算式为（2nI+1）。对于氢核来说，自旋量子数I=1/2，其计算式可写成（n+1）。在乙醇分子中，亚甲基峰的裂分数由邻近的甲基质子数目确定，即（3+1）=4，为四重峰；甲基质子峰的裂分数由邻接的亚甲基质子数确定，即（2+1）=3，为三重峰。

（2）裂分峰的面积之比，为二项式（x+1）n展开式中各项系数之比。多重峰通过其中点作对称分布，其中心位置即为化学位移。

3.5谱图解析

谱图解析首先看谱图中有几组峰来确定化合物有几种氢核，再根据各组峰的积分面积确定各种氢核的数目，然后根据化学位移判断氢核化学环境，最后根据裂分情况和耦合常数确定各组质子之间的关系。

图1 2–氯丁烷的1H–NMR谱图

受氯原子吸电诱导效应的影响，C2上一个质子的信号出现在3.91的低场，受C1上3个质子和C3两个质子耦合，C2质子被裂分为多重峰。C3为仲碳，化学位移1.71略大于C1的位移。C4上的三个质子远离氯原子，质子的化学位移仅为1.02。受相邻质子的偶合，C1、C3，C4的质子裂分为双峰，多重峰和三重峰。