1、 核磁共振图谱的解析1.一般来说，分析核磁共振图谱需要按如下步骤进行：（）看峰的位置，即化学位移。确定该峰属于哪一个基团上的氢。（）看峰的大小。可用核磁共振仪给出的积分图的台阶高度看出各峰下面所包围的面积之比，从而知道基团含氢的数目比。例如，从图 7.3-2 的积分图可看出乙基苯三个基团的含氢数目为。（）看峰的形状（包括峰的数目、宽窄情况等） ，以确定基团和基团之间的相互关系。这一步较复杂，需应用律、二级分裂和耦合常数等知识。（）如遇到二级分裂，解析时显然要比一级分析时困难得多，好在人们已经根据不同的二级分裂，将它们分成不同的自旋系统进行了相应的计算可供参阅，这里不再详述。2.影响核磁共振谱的
2、因数（）旋转边峰为了提高核磁共振信号的分辨能力，样品管需要吹风推动它旋转，使样品所受到的磁场趋于均匀化。但由于样品管旋转，核磁共振图谱上的主峰两旁便会对称地出现新峰，这就是旋转边峰。旋转边峰离主峰的距离等于样品管的旋转速度。旋转边峰不难判断，只要改变样品管的转速，观察其离主峰的距离是否相应改变。如果距离随样品管转速增大而变大，便可断定是旋转边峰。（） 13C 同位素边峰若样品中同时含有 13C 和 1H 者可以发生耦合。在图谱放大或者在非重氢溶剂的溶剂峰中可以观察到由于这种耦合产生的 13C 边峰。它在共振图谱上出现的形式和旋转边峰类似，也是左右对称地出现在主峰两旁，但两者很易识别，因为同位素
3、边峰不会因样品管转速的改变而改变其离开主峰的距离。（）杂质峰和溶剂峰在核磁共振图谱中，因样品含有杂质，经常可观察到杂质峰。溶剂峰可包括结晶溶剂、样品中部分残留的合成或提取时所用的溶剂以及做核磁共振实验时所用溶剂的溶剂峰。这两种附加峰都应根据具体情况作具体分析，然后判别之。（）活泼氢的影响在含氢化合物中，基团中的氢是常见的一种活泼氢。它的化学位移由于温度、浓度、氢键等因数的影响变化范围较大，从而会改变核磁共振图谱的形状。对于含基团的样品，若纯度很高，的交换速度就很慢，因而就可以观察到它与邻近氢所发生的耦合，如图 7.3-3 的乙醇中中的氢可以表现为与邻位 的氢耦合而分裂成三重峰。若在乙醇中加入痕
4、量的酸或碱，加快交换速度，三重峰立即变成单峰，见图（）和图（）所示。另外，实验发现，在不同浓度的乙醇中（溶剂为 ） ，峰在核磁共振图谱上出现的位置可以变化很大。这是由于这种氢核的化学位移对氢键非常敏感的缘故。随着乙醇浓度的增大，形成的氢键也就得到增强，导致其化学位移移向低场，而与此同时， 和 峰的化学位移则变化非常小。（）样品溶液处理不当例如，有些化合物会与溶剂发生反应，因此在测试时要临时新鲜配制的溶液而不能利用已放置很久的溶液，否则就会改变共振图谱的形状。另外，如溶液中有灰尘混入，测试时又未经过滤则易导致局部磁场的不均匀性，而使共振谱线加宽。若其中混有铁质，结果就更为严重，有时甚至会使谱线丧
5、失所有细节，甚至达到不能辨认的程度。张世远实验原理1.原子核的基本特性原子是由原子核和核外运动的电子所组成的。原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量和磁矩构成了它的基本性质。众所周知，原子核带正电，所带电量和核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位（1.602110-19）的整倍数，称为电荷数。原子核的质量一般用原子质量单位（1.6605510-27）表示，这时，其质量均非常接近于一整数，被称为原子核的质量数。原子核由质子和中子这两种微观粒子所组成，它们的质量大致相等，但每个质子带正电量，而中子则不带电。因此，元素周期表中的原子序数同时可表示相应原子核外的电子数、核内质子数和核的电荷数。原
6、子核的大小为015的数量级。原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有运动的角动量的总和。核自旋可用自旋量子数来表征。核内的中子和质子都是的粒子。实验证明，如将原子核按其自旋特性来分类，则可分为三类：（）电荷数（即原子序数）与质量数都为偶数的核，如 12C、18O 等，它们的自旋量子数为零；（）质量数为单数的核，如1H、13C、15N、 17O、19F、31P 等，它们的自旋量子数为半整数（、）；（）质量数为双数，但电荷数（原子序数）为单数的核，如 2H、14N 等，它们的自旋量子数为整数（、）。根据量子力学，一自旋量子数0 的孤立原子核应具有本征自旋角动量I 和本征自旋磁矩I：
7、 NI IgP)1(,)1(1I 和 I 方向互相平行。式中， 2/h，为普朗克常数。I 为原子核的朗德分裂因子，随原子核的不同而不同。这里，和P 分别是质子的电荷与质量。1270584.)2/( JTMePN，称为核磁子，是核磁矩的单位。和电子磁矩的单位玻尔磁子124.9/( meB相比，B 比 N 要大得多，相应地，电子磁矩也要比核磁矩大得多。现在，设想该原子核位于沿方向的恒定磁场0 中，则I 和 I 沿方向的分量z、 z 只能取一系列不连续的值： NzzzPP,式中，NII 称为核的旋磁比。是磁量子数，可取、等共个不连续的值。应该指出，人们通常所说的原子核的角动量和磁矩指的是z 和 z
8、的最大值，即INzmax)()2(12.氢原子核（）在有机化合物中占有很重要的地位。它对磁场的敏感度最大，容易观察到满意的核磁共振信号，因而目前对它的研究最多，应用也最广泛。氢原子核只包含一个质子，自旋量子数为，可以看成是电荷均匀分布于球面上的旋转椭球。在磁场中，它有平行于和反平行于磁场两种取向，相应于和。这两种取向的能量是不同的，用两个能级来表示，如图 7.3-1 所示。其中，能级因自旋取向与磁场方向相反，能量较高。这两个能级之间的能量差 0HEP式中， 14)(67513.2OeS，是质子的旋磁比。我们可由统计力学估计一下热平衡条件下的质子数与的质子数之比： kTHkTEP/1)exp()
9、/exp(0假定00，00（这是0核磁共振仪室温下测量的典型条件），则1.0000099这就是说，在一百万个氢原子核中，热平衡条件下位于低能级的原子核数只比位于高能级的多0 个左右。如果要使位于低能级的核跃迁到较高能级去，即从+1/2 的能级跃迁到-1/2 的能级，就必须向原子核提供正好等于两个能级之间的能量差 的电磁波能量。如果在垂直于恒定磁场0 的方向上对氢原子核系统施加一个圆频率为 00 的小交变磁场，其提供的能量 恰好等于 ，就可发生使原先位于低能级的核跃迁到高能级去。于是从可得出发生核磁共振的必要条件为（）由此可知，所谓核磁共振，就是位于恒定磁场中的原子核大量吸收小交变磁场能量，从低
10、能级跃迁到高能级的现象。由（）式可知，如果小交变磁场的频率为0，恒定磁场为0 时，氢原子核系统就可产生核磁共振。如上所述，氢原子核在恒定磁场作用下，其原来兼并的能级分裂为二，由于占据低能级的核数稍大于占据高能级的核数，总的来说，仍有可能产生净的能量吸收现象。但是，两个能级上的核总数毕竟相差不大，再加上在兆赫兹频率范围内氢核从高能级回到低能级的自发辐射的几率接近于零，因此，如果它们不能通过其他途径从高能级回到低能级，跃迁过程很快就会达到饱和而不再发生净的能量吸收，因而也就无法观察到共振谱。幸好，这种非自发辐射的途径是客观存在的，称为弛豫过程。一是纵向弛豫，又称自旋晶格弛豫，经过这种过程，一些核由
11、高能级回到低能级，核的能量被转移到周围的分子变成热量放出；另一种弛豫是横向弛豫，又称自旋自旋弛豫，通过它，一核的能量被转移至另一核，但各种取向的核的总数保持不变。关于这两种弛豫过程的详细讨论，可参阅有关文献和著作。3.表征液体核磁共振氢谱的主要参数及其基本概念本实验使用的核磁共振仪频率为0，可用于研究液态的有机化合物或固态化合物溶液（通常，液态样品也往往需用溶剂稀释）中的氢原子核的核磁共振谱。这时，表征核磁共振氢谱的主要参数是化学位移和耦合常数。（）化学位移根据核磁共振条件（）式，氢原子核（1）在0的磁场下，将吸收0的电磁波能量，或者说，如固定交变磁场的频率不变（0），则所有质子都应在0的磁场
12、下发生共振，产生共振峰。但是，实验发现，化合物中各种不同的原子核，在0频率下，共振磁场强度稍有不同。这种原子核由于在分子中所处的化学环境不同造成在不同的共振磁场下显示吸收峰的现象称为化学位移。产生化学位移的主要原因是由于氢原子核外围的电子以及与该原子核相邻近的其他原子核的核外电子在外加磁场的感应下会产生对抗磁场，从而对外加磁场起了一种屏蔽作用。其大小可用一屏蔽因子 来反映。于是，产生核磁共振的有效磁场可以表示成eff0（） （）一般 值为00。对0仪器，化学位移的差异范围约在140.9之内或换算成频率是在00之内。尽管这种差异范围很小，但却是一个很重要的现象，是核磁共振在化学中应用的基础。图
13、7.3-2 示出了乙基苯于00时的高分辨核磁共振图谱。从图中可以看出，乙基苯的分子H中，H基团上的个质子，基团上的个质子以及基团上的个质子各自在分子中所处的化学环境是不同的，因而会在不同的磁场强度下产生共振吸收峰，即它们具有不同的化学位移。同一图中还示出了积分记录图。由于化学位移差别范围很小，所以要精确测出其绝对值比较困难。一般都以相对数值来表示，测量精确度可在以内。测量时，以某一标准物质的共振峰为原点，然后测出各共振峰与原点的距离，再按下式定义计算出化学位移 值：（样品标准）标准0（样品标准）标准0式中，乘以0是为了使 所得数字易读易写。为此，通常把 ppm（part per million
14、的缩写，意思是百万分之一）作为 值的单位。对于0的仪器， ppm 的宽度相当于频率改变0。标准样品一般采用四甲基硅（）。它的共振峰只有一个单峰，且位于高场范围很容易识别。这种物质化学上惰性很大，它的个质子呈球形分布，因此是各向同性的。它的共振磁场或共振频率随温度的变化很小。它的沸点为，易挥发，这有利于回收样品。此外，它易于和许多有机溶剂混溶。人们规定，在四甲基硅峰左边的 值为正，位于其右边的峰 值为负。化学位移本身的校准常采用由几种化合物所组成的标准混合物，它们按表的浓度配比封在一根玻璃管内供常规应用。表校准化学位移的标准化合物化合物 与（CH 3） 4Si 的距离(Hz) (a) 值 每升
15、1 的变化（Hz） (b) 浓度（W/V）(c)(%)(CH3)4Si 0 0.000 0.000 3C6H12 86.12 1.435 +0.008 2CH3COCH3 125.94 2.099 -0.046 3CH3CCl3 163.50 2.725 -0.020 9216.80 3.613 -0.026 2CH2Cl2 317.41 5.290 -0.038 8CHCl3 438.94 7.316 -0.052 18（）0，0；（）正号表明左移（ 值增大），负号表明右移（ 值减小）；（）表中所有化合物均配制在一个溶液中（4 溶剂）。（）耦合常数上面讨论的化学位移主要是考虑核磁的核外电子环
16、境。实际上，同一分子内部的核磁间的相互作用不可忽略。虽然它不会影响化学位移，但对核磁共振谱的峰形有重大影响。例如图中的甲基峰（）和亚甲基峰（）分别为三重峰和四重峰，而不是单峰，这种现象就是由和基团上的氢原子核之间的相互作用引起的。这种原子核之间的相互作用称为自旋耦合，由其引起的共振谱线增多的现象称为自旋分裂。原子核间的自旋耦合是通过成键电子传递的。其主要机制是费米接触机制。设同一分子内有两个氢核和，若两核之间无自旋耦合，则核只有一种跃迁存在，即（）（）。若两核之间有自旋耦合，且假定核自旋为，则靠近它的电子自旋必定为（核自旋极化电子自旋）。按泡里原理，轨道上另一成键电子自旋必为。因此，只有当核自
17、旋为时，这第二个成键电子才和核占据空间同一点。可以看出，（）和（）使系统势能降低，而（）和（）使系统势能升高。同样，对（）核也可作类似分析，即（）和（）使系统势能降低，而（）和（）使系统势能升高。最后，由于核的存在和它与核的自旋耦合，导致核有两种跃迁：核自旋分别为和时，（）（）。这两种不同跃迁的能量差叫耦合常数。耦合常数是表征自旋耦合的特征量。用表示，单位为赫兹。耦合常数的大小与外加磁场无关。其值可正可负。但从核磁共振图谱，只能求出耦合常数的数值，而不能确定其绝对符号。作为一个例子，我们简要讨论一下图 7.3-2 中的3 共振峰为什么是三重峰而不是单峰。我们已经知道，氢原子核在磁场中有平行和反
18、平行于磁场两种取向，这里分别用和代表 和，则乙基苯的2基团中的两个氢核的取向共有三种排列方式，即（）；（）或；（）。因而，可产生三种不同的局部磁场作用于基团上，从而使的共振峰分裂为三，其高度比为（因自旋相反的情况有两种排列方式，所以高度比例为）。自旋分裂服从律。该规律指出，当某基团上的氢有个相邻的氢处在不同的环境中时，例如有一种环境的氢为个，另一种环境的氢为个，则该基团氢应显示的核磁共振峰的数目为（）（）个。由律所得的复峰，其强度比例分别为（二重峰）、（三重峰）、（四重峰）、（五重峰）等，比例数字是由（）n 进行级数展开后各项的系数决定。上例中，3 峰的自旋分裂是服从律的。因为与它相邻的2基团
19、含有两个氢，所以它会显示三个峰。一般来说，按律来估计耦合常数的律方法叫作一级分析，按律分裂的图谱称为一级图谱。应该指出，律只是一个近似规律，实际得到的共振谱复峰与强度比并不严格按律所预言。往往可看到对称的分裂峰高并不相等。实际分析图谱时，还常常必须考虑精细结构及二级分裂。图 7.3-3 示出了乙醇的核磁共振峰。图 7.3-3（）是低分辨率下的图谱，其中三个峰的面积之比为，因而分别属于、2、3 基团。图 7.3-3（）是分辨率提高后的图谱。此时，各组峰的面积之比仍为，但2、 3 基团峰是复峰，分别为四重峰和三重峰，遵守律。若拉宽记录宽度，则发现2、3 峰实际上有更多的细节，这就是“精细结构”及“
20、二级分裂”的图谱，如图 7.3-3（）所示。如果乙醇非常纯，则峰也将变为复峰，如图 7.3-3（）所示。3.“磁等价”氢核的概念分子中若有一组氢核的化学位移相同，而对组外的任何一个氢核只有一种耦合常数，则这组氢核就被称为“磁等价”或简称“等价”。等价氢核之间虽然也有耦合（甚至耦合常数可能很大），但对共振谱不会发生任何影响。例如在图 7.3-2 和图 7.3-3，甲基3 的三个氢核的化学位移相同，但对外都只有一种耦合常数，所以甲基氢峰仅被“近邻”次甲基2的氢所分裂，而甲基本身三个氢并不相互分裂。（）低分辨率；（）高分辨率，含痕量的酸；（）高纯度乙醇，高分辨率；(c)中插图是拉宽记录的2基团的共振谱，同时表明了耦合常数的计算分析举例。
