1、第 11 章 核磁共振波谱法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。11-1 基本原理一、核的自旋运动有自旋现象的原子核，应具有自旋角动量（P ）。
2、由于原子核是带正电粒子，故在自旋时产生磁矩 。磁矩的方向可用右手定则确定。磁矩 和角动量 P 都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比地增加：（11-1）P式中 为磁旋比。不同的核具有不同的磁旋比。核的自旋角动量是量子化的，可用自旋量子数 I 表示。P 的数值与 I 的关系如下：（11-2）21hIPI 可以为 0， ， ， ，等值。很明显，当 I=0 时， P=0，即原子核没有自旋 现21象。只有当 I0 时，原子核才有自旋角动量和自旋现象。实验证明，自旋量子数 I 与原子的质量数（A）及原子序数（ Z）有关，如表 11-1所示。从表中可以看出，质量数和原子序数均为偶数的核，自旋量
3、子数 I=0，即没有自旋现象。当自旋量子数 时，核 电荷呈球形分布于核表面，它 们的核磁共21I振现象较为简单，是目前研究的主要对象。属于 这一类的主要原子核有 、H1、 、 、 。其中研究最多、应用最广的是 和 核磁共振谱。C136N57F19P35 H1C3表 11-1 自旋量子数与原子的 质量数及原子序数的关系质量数 A 原子序数 Z自旋量子数 I自旋核电荷分布NMR信号 原子核偶数 偶 数 0 无 ， ， ，C126O8S3216奇数 奇或偶数 21呈球形 有 ， ， ， ，H13F9N57P奇数 奇或偶数 ,53扁平椭圆形 有 ， ，17826偶数 奇 数 1，2，3 伸长椭圆形 有
4、 ， ，147二、自旋核在磁场中的行为若将自旋核放入场强为 B0 的磁场中，由于磁矩与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同的取向。按照量子力学原理，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量子数 m 描述之。m 可取下列数值：II,2,1自旋量子为 I 的核在外磁场中可有（2I+1 ）个取向，每种取向各对应有一定的能量。对 于具有自旋量子数 I 和磁量子数 m 的核，量子能级的能量可用下式确定：（11-3）0BIE式中 B0 是以 T 为单位的外加磁场强度， 是一个常数，称为核磁子，等于5.04910-27JT-1; 是以核磁子单位表示的核的磁矩，质子的磁矩为 。 792.在外加磁场中只有
5、及 两种取向，这两种状态的能量分别H1 21m为：当 21m0002121BBIE当 21 00021 21Im对于低能态（ ），核磁矩方向与外磁场同向；对于高能态（ ），核磁m 21m矩与外磁方向相反，其高低能态的能量差应由下式确定：（11-4）02/1/ BE一般来说，自旋量子数 I 的核，其相 邻两能级之差为（11-5）I0三、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：或 （11-6）EhIh0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。由（11-6 ）式可知：（1）对自旋量子数 的同一核来说，因磁矩 为一定值， 和 h
6、又为常数，21I 所以发生共振时，照射频率 的大小取决于外磁场强度 B0 的大小。在外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也应相应增加；反之，则减小。例如，若将核放在磁场强度为 1.4092T 的磁场中，发生核磁共振时的照射频率必须为H1MHzHz6010610.2492.579.327共 振如果将 放入场强为 4.69T 磁场中，则可知共振频率 应为 200MHz。H1 共 振（2）对 的不同核来说，若同时放入一固定磁场强度的磁场中，则共振频I率 取决于核本身的磁矩的大小。 大的核， 发生共振时所需的照射频率也大；共 振反之，则小。例如， 核、 核和 核的磁矩分别为 2.79、2.63、
7、0.70 核磁子，H1F19C13在场强为 1T 的磁场中，其共振 时的频率分别为 42.6 MHz、40.1 MHz、10.7 MHz。（3）同理，若固定照射频率，改 变磁场强度，对不同的核来 说，磁矩大的核，共振所需磁场强度将小于磁矩小的核。例如， ，则 。表 12-2 列出了FHFHB常见核的某些物理数据。表 11-2 几种原子核的某些物理数据核 自然界丰度 % 4.69T 磁场中 NMR频率（ MHz） 磁矩（核磁子） 自旋 （I） 相对灵敏度H199.98 200.00 2.7927 1/2 1.000C31.11 50.30 0.7021 1/2 0.016F19100 188.2
8、5 2.6273 1/2 0.83P3100 81.05 1.1305 1/2 0.066四、在 NMR 中的弛豫过程如前所述， 核在磁场作用下，被分裂为 和 两个能级， 处在H1 21m较稳定的 能级的核数比处在 能级的核数稍多一点。处于高、低能态核数的比例22服从波尔兹曼分布：（11-7）kTEjeN/0式中 和 分别代表处于高能态和低能态的氢核数， 是两种能态的能级差，jN0k 是波尔兹曼常数，T 是绝对 温度。若将 106 个质子放入温度为 25磁场强度为4.69T 的磁场中，则处于低能 态的核与处于高能态的核的比为 KJTKjeN2931038. 6.45279017.51027.3
9、0j则处于高、低能级的核分别为： 492jN508即处于低能级的核比处于高能级的核只多 16 个。若以合适的射频照射处于磁场的核，核吸收外界能量后，由低能级跃迁到高能态，其 净效应是吸收，产生共振信号。此 时， 核的波尔兹曼分布被破坏。当H1数目稍多的低能级核跃迁至高能态后，从 的速率等于从 的221速率时， 试样达到“饱和”，不能再进一步观察到共振信号。为此，被激 发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去，使核从高能态降回到原来的低能态，产生弛豫过程。就是 说，弛豫 过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。否则 ，信号一旦 产生，将很快达到饱和而消失。由于核外被电
10、子云包围，所以它不可能通过核间的碰撞释放能力，而只能以电磁波的形式将自身多余的能量向周围环境传递。在 NMR 中有两种重要的弛豫 过程：即自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。自旋-晶格弛豫，又称 纵向弛豫。自旋核都是 处在所 谓晶格包围之中。核外 围的晶格是指同分子或其它分子中的磁性核（如带有未成对电子的原子、分子和铁磁性物质等）。晶格中的各种类型磁性质点对应于共振核作不规则的热运动，形成一频率范围和很大的杂乱的波动磁场，其中必然存在有与共振频率相同的频率成分，高能态的核可通过电磁波的形式将自身能量传递到周围的运动频率与之相等的磁性粒子（晶格），故称为自旋-晶格弛豫。自旋-自旋弛豫，又称横向弛豫。
11、它是指邻近的二个同 类的磁等价核处在不同的能态时，它们之间可以通 过电磁波进行能量交换，处于高能态的核将能量传递给低能态的核后弛豫带低能级，这时系统的总能量显然未发生改变，但此核处在某一固定能态的寿命却因此变短。11-2 核磁共振波谱仪和试样的制备按工作方式，可将高分辨率核磁振仪分为两种类型：连续波核磁共振谱仪和脉冲傅里叶核磁共振谱仪。一、连续波核磁共振谱仪图 12-2 是连续波核磁共振谱仪的示意图。它主要由下列主要部件组成：磁铁， 探头， 射频和音频发射单元， 频率和磁 场扫描单元，信号放大、接受和显示单元。后三个部件装在波谱仪内。磁铁磁铁是核磁共振仪最基本的组成部件。它要求磁铁能提供强而稳
12、定、均匀的磁场。核磁共振仪使用的磁铁有三种：永久磁铁，电磁铁和超导磁铁。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过 2.5T。而超导磁体可使磁场高达 10T 以上，并且磁场稳定、均匀。目前超导核磁共振仪一般在 200400MHz，最高可打 600MHz。但超导核磁共振仪价格高昂，目前使用还不十分普遍。探头探头装在磁极间隙内，用来检测核磁共振信号，是 仪器的心脏部分。探 头除包括试样管外，还有发射线圈接受线圈以及豫放大器等元件。待测试样放在试样管内，再置于绕有接受线圈和发射线圈的套管内。磁场和频率源通过探头作用于试样。为了使磁场的不均匀性产生的影响平均化，试样探头还装有一个气动涡轮机，以使试样管能
13、沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转。波谱仪（1）射频源和音频调制 高分辨波谱仪要求有稳定的射频频率和功能。为此，仪器通常采用恒温下的石英晶体振荡器得到基频，再经过倍频、调频和功能放大得到所需要的射频信号源。为了提高基线的稳定性和磁场锁定能力，必须用音频调制磁场。为此，从石英晶体振荡器中的得到音频调制信号，经功率放大后输入到探头调制线圈。（2）扫描单元 核磁共振仪的扫描方式方式有两种：一种是保持 频率恒定， 线形地改变磁场，称为扫场；另一种是保持磁场恒定，线形地改变频率，称 为扫频。许多仪器同时具有这两种扫描方式。扫描速度的大小会影响信号峰的显示。速度太慢，不仅增加了实验时间，而且信号容易 饱和；
14、相反，扫描速度太快，会造成峰形变宽，分辨率降低。（3）接受单元 从探头预放大器得到的载有核磁共振信号的射 频输出， 经一系列检波、放大后，显示在示波器和记录仪上，得到核磁共振谱。（4）信号累加 若将试样重复扫描数次，并使各点信号在计算机中进行累加，则可提高连续波核磁共振仪的灵敏度。当扫描次数为 N 时，则信号强度正比于N，而噪音 强 度正比于 ，因此，信噪比扩大了 倍。考虑仪器难以在过长的N扫描时间内稳定，一般 N=100 左右为宜。二、脉冲傅里叶核磁共振谱仪（PFT-NMR）连续波核磁共振谱仪采用的是单频发射和就手方式，在某一时刻内，只能记录谱图中的很窄一部分信号，即单位时间内获得的信息很少
15、。在这种情况下， 对那些核磁共振信号很弱的核，如 、 等，即使采用累加技术，也得不到良好C13N5的效果。为了提高单位时间 的信息量，可采用多道 发 射机同时发射多种频率，使处于不同化学环境的核同时频率，再采用多道接受装置同时得到所有的共振信息。例如，在 100MHz 共振 仪中，质子共振信号化学位移范围为 10 时，相当于1000Hz；若扫 描速度为 2 Hzs-1，则连续波核磁共振 仪需 500s 才能扫完全谱。而在具有 1000 个频率间隔 1Hz 的发射机和接受机同时工作时，只要 1s 即可扫完全谱。显 然，后者可大大提高分析速度和灵敏度。傅里叶变换 NMR 谱仪是以适当宽度的射频脉冲
16、作为“ 多道 发射机” ，使所 选的核同时激发，得到核的多条谱线混合的自由感应衰减（free induction decay,FID）信号的叠加信息，即时间域函数，然后以快速傅里叶变换作为“多道接受机” 变换出各条 谱线在频率中的位置及其强度。这 就是脉冲傅里叶核磁共振仪的基本原理。 图 12-3 是乙基苯的傅里叶变换核磁共振谱图。傅里叶变换核磁共振仪测定速度快，除可进行核的动态过程、瞬变过程、反应动力学等方面的研究外， 还易于实现累加技术。因此，从共振信号 强的 、H1到共振信号弱的 、 核，均能 测定。F19C13N5三、试样的制备（1）试样管 根据仪器和实验的要求，可选择不同外径（=5，
17、8， 10mm）的试样管。微量操作还可使用微量试样管。 为保持旋转均匀及良好的分辨率，管壁 应均匀而平直。（2）溶液的配制 试样质 量年度一般为 500100gL-1，需纯样 1530mg。对傅里叶核磁共振仪，试样量可大大减少， 谱一般只需 1mg 左右，甚至可少至几H1微克； 谱需要几到几十毫克试样。C13（3）标准试样 进行实验时，每张图谱都必须有一个参考峰，以此峰为标准，求得试样信号的相对化学位移，一般简称化学位移。于试样溶液中加入约 10 gL-1 的标准试样。它的所有氢都是等得到相当强度的参考信号只有一个峰，与绝大多数有机化合物相比，TMS 的共振峰出现在高磁场区。此外，它的沸点较低
18、（26.5），容易回收。在文献上，化学位移数据大多以它作为标准试样，其化学位移 。值得主要的是，在高温操作时，需用六甲基二硅醚（HMDS）为标准试样，0它的 。在水溶液中，一般采用 3-甲基硅丙烷 磺酸钠4.作标准试样，它的三个等价甲基单峰的DSNaOCHSiC3223，其余三个亚甲基淹没在噪声背景中。0.（4）溶剂 谱的理想溶剂是四氯化碳和二硫化碳。此外，还常用氯仿、丙 酮、1二甲亚砜、苯等含氢溶剂。为避免溶剂质子信号的干扰，可采用它 们的氘代衍生物。值得注意的是，在氘代溶剂中常常因残留 ，在 NMR 谱图上出现相应的共H1振峰。11-3 化学位移和核磁共振谱一、化学位移的产生由式（12-6
19、 ）可知，质子的共振频率，由外部磁 场强度和核的磁矩决定。其实，任何原子核都被电子所包围，按照楞次定律，在外磁 场作用下，核外电子会产生环电流，并感应产生一个与外磁场方向相反的次级磁场，如图 12-4 所示。 这种对抗外磁场的作用称为电子的屏蔽效应。由于电子的屏蔽效应，使某一个质子实际上受到的磁场强度，不完全与外磁场强度相同。此外，分子中 处于不同化学环境中的质子，核外电子云的分布情况也各异，因此，不同化学环境中的质子，受到不同程度的屏蔽作用。在这种情况下， 质子实际上受到的磁场强度 B，等于外加磁场 B0 减去其外围电子产生的次级磁场 B，其关系可用下表示：（11-8）,0B由于次级磁场的大
20、小正比于所加的外磁场强度，即 故上式可写成：0,B（11-9）100式中 为屏蔽常数。它与原子核外的电子云密度及所处的化学环境有关。电子云密度越大，屏蔽程度越大。 值也大。反之，则小。当氢核发生核磁共振时，应满足如下关系： hBh120共 振或（11-10）120B共 振因此，屏蔽常数 不同的质子，其共振峰将分 别出现爱核磁共振谱的不同品或不同磁场强度区域。若固定照射频率， 大的质子出现在高磁场处，而 小的质子出现在低磁场处，据此我们可以进行氢核结构类型的鉴定。二、化学位移的表示在有机化合物中，化学环境不同的氢核化学位移的变化，只有百万分之十左右。如选用 60MHz 的仪器， 氢核发生共振的磁
21、场变化范围为 ；如选T014.492.1用 1.4092T 的核磁共振仪扫频，则频率的变化范围相应为 。在确MHz06.定结构时，常常要求测定共振频率绝对值的准确度达到正负几个赫兹。要达到这样的精确度，显然是非常困难的。但是，测定位移的相 对值比较容易。因此，一般都以适当的化合物（如四甲基硅烷，TMS ）为标准试样，测定相对的频率变化值来表示化学位移。从式（12-6 ）可以知道，共振频率与外部磁场呈正比。例如，若用 60MHz 仪器测定 1，1，2-三氯丙烷时，其甲基质子的吸收峰与 TMS 吸收峰相隔 134Hz；若用仪器测定时，则相隔 233Hz。为了消除磁场强度变化所产生的影响，以使在不同
22、核磁共振仪上测定的数据统一，通常用试样和标样共振频率之差与所用仪器频率的比值 来表示。由于噶数值很小，故通常乘以 106。这样， 就为一相对值： （11-11）0601TMS试 样式中， 和 分别为试样中质子的化学位移及共振频率； 是 TMS 的共振频试 样 TMS率（一般 =0）； 是试样与 TMS 的共振频率差； 是操作仪器选用的频率。TMS0不难看出，用 表示化学位移，就可以使不同磁 场强度的核磁共振仪测得的数据统一起来。例如，用 60MHz 和 100MHz 仪器上测得的 1，1，2-三氯丙烷中甲基质子的化学位移均为 2.23。早期文献中用 表示化学位移值， 与 的关系可用下式表示（1
23、1-12）10TMS 的信号早用 表示时为 0，在用 表示时为 10。三、核磁共振谱核磁共振谱图中横坐标是化学位移，用 或 表示。图谱的左边为低磁场，右边为高磁场（如图下部分所示）。谱图中有两条曲线，下面一条是乙醚中质子的共振线，其中右边的三重峰为乙基中化学环境相同的亚甲基质子的峰。 的吸0收峰是标准试样 TMS 的吸收峰。谱图上面的阶梯式曲线是积分线，它用来确定各基团的质子比。从质子共振谱图上，可以得到如下信息：（1）吸收峰的组数，说明分子中化学环境不同的质子有几组。（2）质子吸收峰出现的频率，即化学位移，说明分子中的基团情况。（3）峰的分裂个数及偶合常数，说明基团间的连接关系。（4）阶梯式
24、积分曲线高度，说明各基团的质子比。共振谱图上吸收峰下面所包含的面积，与引起该吸收峰的氢核数目呈正比，吸收峰的密集，一般可用阶 梯积分曲线表示。 积分曲 线的画法是由低磁场移向高磁场，而 积分曲线的起点到 终点的总高度（用小方格数或厘米表示），与分子中所有质子数目呈正比。当然，每一个阶梯的高度则与相 应的质子数目呈正比。由此可以根据分子中质子的总数，确定每一组吸收峰质子的绝对个数。例 1 某化合物分子式为 C4H8O，核磁共振谱上共有三组峰，化学位移 分别为 1.05，2.13，2.47；积分曲线高度分别为 3，3，2 格，试问各组氢核数为多少？解 积分曲线总高度=3+3+2=8因分子中有 8
25、个氢，每一格相当一个氢。故 1.05 峰示有 3 个氢，2.13 峰示有 3 个氢，2.47 峰示有 2 个氢。另外，还可以根据不重叠的单峰为标准进行计算。例如，当分子中有甲氧基时，在 3.224.40 出现甲氧基的信号，因此，用 3 除相 应阶梯曲线的格数，就知道每一个质子相当于多少格。四、影响化学位移的因素化学位移是由于核外电子云产生的对抗磁场所引起的，因此，凡是使核外电子云密度改变的因素，都能影响化学位移。影响因素有内部的，如诱导效应、共轭效应和磁的各向异性效应等；外部的如溶剂效应、氢键的形成等。诱导效应一些电负性基团如卤素、硝基、氰基等，具有 强烈的吸 电子能力，它们通过诱导作用使与之
26、邻接的核的外围电子云密度降低，从而减少电子云对该核的屏蔽，使核的共振频率向低场移动。一般说来，在没有其它影响因素存在时，屏蔽作用将随相邻基团的电负性的增加而减小，而化学位移（ ）则随之增加。例如 F 的电负性（4.0）远大于 Si 的电负 性（1.8），在 CH3F 中质子化学位移 为 4.26，而在中质 子化学位移为 0。SiCH43共轭效应共轭效应同诱导效应一样，也会使电子云的密度发生变化。例如在化合物乙烯醚( ),乙烯 ()及 不饱和酮()中，若以( )为标准 来进行比, 28.5较，则可以清楚地看到，乙烯醚上由于存在 共 轭，氧原子上未共享的 p 电子p对向双键方向推移，使 的电子云密
27、度增加，造成 化学位移移至高场（HH和 ）。另一方面，在 不饱和酮 中，由于存在 共轭，电57.39. , 负性强的氧原子把电子拉向自己一边，使 的电子云密度降低，因而化学位移移向低场（ 5.50 和 5.87）。磁各向异性效应当考察多重键化合物的核磁共振谱时，人们发现用诱导效应并不能解释它们的质子所出现的峰位。例如，炔基的氢有有一定的酸性，可见其外围电子云密度较低。根据诱导效应，将预示其质子峰应出现在烯基氢质子峰的低场方向。但 实际情况恰好相反，烯基的化学位移为 4.57.5，炔基则为 1.83.0。上述这种现象，可用这些化合物的磁各向异性性质加以解释。例如，乙炔分子是线形的，三键沿轴方向
28、对称。当分子的 对称轴与外加磁场方向一致时， 键上的 电子将垂直于外加磁场，由此可感应出与外加磁场方向相反的对抗磁场。因此，位于键轴上的炔氢质子受到很大的屏蔽作用，如图 12-6（a）所示。很明显，在这种情况下，炔氢质子峰出 现在较高的磁场位置处。当乙炔分子的对称轴与外磁场方向垂直时，即取向如图 12-6（b）所示时，由于不可能感应出次级磁场，因此也就不会对质子产生屏蔽作用。在溶液中，乙炔分子是随机取向的，各种取向都介于这两个极端取向之间。分子运动平均化所产生的总效应，使得乙炔分子有很大的屏蔽作用。从乙烯的谱图可以看出，乙烯分子平面垂直于外加磁场，循环 电子流产生了一个反抗外磁场的次级磁场。但
29、是，烯氢质子是处 在次级磁场与外加磁场方向相同的位置上，因此，由循环 电子感应出的磁力线对其起着去屏蔽的作用，因而烯氢质子出现较低磁场方向。用同样的道理，可以解释苯环质子和醛基质子的化学位移出现在较低磁场方向的现象。氢键当分子形成氢键时，氢键中质子的信号明显地移向低磁场，化学位移 变大。一般认为这是由于形成氢键时，质子周围的电子云密度降低所致。对于分子间形成的氢键，化学位移的改变与溶剂的性质以及浓度有关。在惰性溶剂的稀溶液中，可以不考虑氢键的影响。 这时各种羟基显示它们固有的化学位移。但是，随着浓度的增加，它 们会形成氢键。例如，正丁烯-2-醇的质量分数从 1%增至 纯液体时， 羟基的化学位移
30、从 =1 增至 =5，变化了 4 个单位。对于分子内形成的氢键，其化学位移的变化与溶液浓度无关，只取决于它自身的结构。化学位移在缺点化合物的结构方面起很大作用。关于化学位移与结构的关系，前人已做了大量的实验，并已总结成表。表 12-3 列出了一些典型基 团的化学位移，应该 指出，化学位移范围只是大致的，因 为它还 与其它许多因素有关。11-4 简单自旋偶合和自旋分裂一、自旋偶合与自旋分裂现象从用低分辨率和高分辨率核磁共振仪所测得的乙醇(CH 3-CH2-OH)核磁共振谱可看出，乙醇出现三个峰，它们分别代表-OH，-CH 2-和-CH 3，其峰面 积之比为1：2：3。而在高分辨核磁共振 谱图中，
31、能看到 -CH2-和-CH 3 分别分裂为四重峰和三重峰，而且多重峰面积之比接近于整数比。-CH 3 的三重峰面积之比为 1：2：1，-CH2 的四重峰面积之比为 1：3：3：1。氢核在磁场中有两种自旋取向，用 表示氢核与磁 场方向一致的状态，用 表示与磁场方向相反的状态。乙基中的两个氢可以与磁场方向相同，也可以与磁场方向相反。它们的自旋组合一共有四种（, , , ），但只产生三种局部磁场。亚甲基所产生的这三种局部磁场，要影响邻近甲基上的质子所受到的磁场作用，其中 和 两种状态（）产生的磁场恰好互相抵消，不影响甲基质子的共振峰，(I)状态的磁矩与外磁场一致，很明显，这时要使甲基质子产生共振所需
32、的外加磁场较() 时为 小；相反, () 磁矩与外磁场方向相反，因此要使甲基质子发生共振所需的外加磁场较（）为大，其大小与（）的情况相等，但方向相反。 这样，亚甲基的两个氢所产生的三种不同的局部磁场，使邻近的甲基质子分裂为三重峰。由于上述四种自旋组合的概率相等，因此三重峰的相对面积比为 1：2：1。同理，甲基上的三个氢可产生四种不同的局部磁场，反过来使邻近的亚甲基分裂为四重峰。根据概率关系，可知其面积比近似为 1：3：3：1。上述这种相邻核的自旋之间的相互干扰作用称为自旋-自旋偶合。由于自旋偶合，引起谱峰增多，这种现象叫做自旋-自旋分裂。应该指出，这种核与核之间的偶合，是通过成键电子传递 的，
33、不是通 过自由空间产 生的。二、偶合常数自旋偶合产生峰的分裂后，两峰间的间距称为偶合常数，用 J 表示，单位是Hz。J 的大小，表示偶合作用的强弱。与化学位移不一样，J 不因外磁场的变化而改变；同时，它受外界条件如溶剂、温度、浓度变化等的影响也很小。由于偶合作用是通过成键电子传递的，因此，J 值的大小与两个（组）氢核之间的键数有关。随着键数的增加，J 值逐渐变小。一般说来，间隔 3 个单键以上时，J 趋近于零，即此时的偶合作用可以忽略不计。三、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：H a 和 （或
34、Hb 和 ）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，H 1 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 ， ，因此，H 1 和121FJ212FJH2 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，在二氟乙烯中，两个 和两个 虽然环
35、境相同，是化学等价的，但是由于 H1H1F19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-CH 2-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，H a 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。四、自旋体系的分类通常，规定 为弱偶合， 为强偶合。前者属一级图谱，后10/J10/J者属高级图谱，根据偶合的 强弱，可以把核磁共振 谱 分为若干体系。其命名 规则如
36、下：强偶合的核以 ABCKLM或 XYZ 等相连 的英文字母表示，并称之为ABC多旋体系；弱偶合的核则以 AMX等不相连的英文字母表示，并称之为AMX多旋体系。磁等价的核可以用完全相同的字母表示，如 A2、B3 等。只是化学等价而不是磁等价的核则以 AA、BB等符号表示。下面举例说明之例 2 在邻二氯苯（ ）中， Ha、 及 Hb、 为两组化学等价的核，但它 们, ,不是磁等价核。因为 Ha 与 Hb为邻位偶合，而 与 为间位偶合，不符合磁等,a,b价定义。同理，H b 与 也为磁不等价。因此邻二氯苯属于 AABB四旋体系。,例 3 在 2，6-二氯吡啶（）中，H a 和 核不仅 是化学等价，
37、而且是磁等,H价，显然，H a 与 Hb 及 与 的偶合作用均为邻位偶合，即两个磁等价核（ B2）,a,b与第三个核之间的偶合。它 们的偶合常数为 7.6Hz，其 小于 0.5，当使用60MHz 的共振仪时， 则 ，为强偶合。因此该化合物属于 AB2 三旋体系。4/J表 11-4 列出的自旋体系中，AX， AX2 属于一级图谱 ，这类图谱解析比较简单；ABC， AA，BB，AB 等体系属于高 级图谱，其化学位移值 和偶合常数 J 不能从图谱上直接得到，而必 须通过烦琐的计算后才能求得。表 11-4 若干典型的自旋体系化合物 自旋体系 化合物 自旋体系CH2CCl 2 A2 CH2CFCl AB
38、XAB CH2FCl AX2AX AABBAB2 CH2CF 2 AAXX五、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
39、位移。例如，在化合物 CH3CH2COCH3 中，右侧的甲基质子与其它 质子数被三个以上的键分开，因此只能观察到一个峰。中间的-CH 2-质子则具有（3+1）=4 重峰，且面积之比为 1：3：3：1。左侧 甲基质子则具有（2+1）=3 重峰，其面积之比为 1：2：1。11-5 复杂图谱的简化方法高级图谱比一级图谱复杂得多，具体表现在如下几方面：（1）由于发生了附加裂分，谱线裂分的数目不再像一级图谱那样符合（2nI+1）规律；（2）吸收峰的强度（面积）比不能用二项式展开式系数来预测；（3）峰间的裂距不一定等于偶合常数；多重峰的中心位置不等于化学位移值。因此，一般无法从共振谱图上直接读取 J 和
40、值。由于高级图谱的解析比较复杂，在此不作介绍。对于高级图谱，通常可以采用加大仪器的磁场强度，去偶法、加入位移 试剂等实验手段进行简化，下面将分别加以叙述。一、加大磁场强度偶合常数 J 是不随外磁场强度的改变而变化的。但是，共振频率的差值却随外磁场强度的增大而逐渐变大。因此，加大外磁场强度，可以增加 的值，J/直到 ，即可获得一级图谱，便于解析。这 就是为什么人们设法造出尽10/J可能大磁场强度的核磁共振仪的原因。二、去偶法与核 Overhauser 效应若化学位移不同的 Ha 与 Hb 核之间存在偶合，在正常扫描的同时，采用另一强的射频照射 Hb 核，并且使照射的 频率恰好等于 Hb 核的共振
41、频率，此时， Hb 核由于受到强的辐射，便在-1/2 和+1/2 两个自旋态间迅速往返，从而使 Hb 核如同一非磁性核，不再对 Ha产生偶合作用。在这种情况下，H a 核的谱线将变为单峰。这种技术称为去偶或双照射法。去偶法不仅可以简化图谱，而且可以确定哪些核与去偶质子有偶合关系。在巴豆醛的核磁共振谱中，各基团间的偶合使烯烃质子峰形十分复杂。但是，通过对甲基质子去偶之后，烯烃质子的信号便大为简化，从而有利于图谱解析。核的 Overhauser 效应（简称 NOE）与去偶法类似，也是一种双共振技术，不同的是在核的 Overhauser 效 应中，照射的二个核是在空间中紧密靠近。通过去偶不仅消除了第
42、一个核的干扰，同时将会使第二个核的信号强度增加。三、位移试剂位移试剂是指在不增加外磁场强度的情况下，使试样质子的信号发生位移的试剂，位移试剂主要是镧系金属离子的有机络合物。其中铕（Eu ）和镨（Pr ）的络合物能产生较大的化学位移。它们对谱线宽度的增加也不明显，是目前最常用的试剂。在试样中加入络合物 Pr(DPM)3 或 Eu(DPM)3 后， 络和物中的 Pr3+或 Eu3+也可能再与含有-NH 2、-OH、-CO 基团的等的化合物进行配位。此时，中心离子 Eu3+或 Pr3+的孤对电子的磁场将强烈地改变相应一些化合物的质子的化学位移，而且离配位键越近的质子改变越大。这样，原来重叠的共振信号
43、，便有可能展开。从氧化苯乙烯加入位移试剂 Pr(DPM)3 前后的共振谱图中可以看出，加入位移试剂后，整个谱图大为展开。这是由于位移试剂中的 Pr3+与氧化乙烯中的氧原子配位，引起化学位移的变 化所致。此 时，苯环上邻 近质子离中心离子的距离较间位和对位近，所以邻位质 子化学位移的变化比间位和对位大。而靠近配位中心的 H1、H2 和 H3 的化学位移改 变更大。由于整个图谱变得十分清晰简单，因此可以按一级图谱近似处理。应该指出，在使用 Eu3+或 Pr3+络合物测定核磁共振 谱时，为了避免溶剂与被分析试样之间对金属离子的配位竞争，一般采用非极性溶剂，如CCl4，CDCl3,C6D6 等。11-
44、6 核磁共振谱的应用核磁共振谱能提供的参数主要有化学位移，质子的裂分峰数、偶合常数以及各组峰的积分高度等。这些参数与有机化合物的结构有着密切的关系。因此，核磁共振谱是鉴定有机、金属有机以及生物分子结构和构象等的重要工具之一。此外，核磁共振扑还可应用于定量分析，相对分析质量的测定及应用于化学动力学的研究等。一、结构鉴定核磁共振谱像红外光谱一样，有时仅根据本身的图谱，即可鉴定或确认某化合物。对比较简单的一级图谱，可用化学位移 鉴别质子的饿类型。它特 别适合于鉴别如下类型的质子：CH 3O-，CH3CO-，CH2C-，Ar-CH 3，CH3 CH2-，（CH3）2CH-，-CHO，-OH 等。对复杂
45、的未知物，可以配合 红外光谱，紫外光谱，质谱，元素分析等数据，推定其结构。下面举例说明解释核磁共振谱的一般方法。例 4 有一未知液体，b.p.218 ，分子式 C8H14O4。红外图谱指出，有 CO存在，无芳环结构。核磁共振兔如图 12-12 所示，试推断其结构。解 该化合物的不饱和度为： 21408核磁共振谱上有三组峰，数据如下： 重峰数 积分曲线高度氢原子数1.3 三重峰 6.5 格 6143.25.62.5 单峰 4.2 格4.1 四重峰 4.3 格 .4.化学位移 1.3 的峰，指出有-CH 3 存在。因该组峰氢原子数为 6，表明有两个化学环境相同的-CH 3。该 峰为三重峰，且强度比
46、为 1：2：1，故与其相连的是-CH 2-。从上述分析可知，分子中应存在两个-CH 2-CH3 基 团。化学位移 2.5 的峰，加之红外光谱指出存在 CO 基，说明有 CO 存在。由于该组峰相当四个氢，且 为单峰，因此 应存在基团 。化学位移 4.1 说明存在基团。该峰含四个氢，即 为。因 为该组峰为四重峰，其面积之比为 1：3：3：1，故可知亚甲基旁邻接甲基，即为 。因 为高组峰的裂距（即偶合常数 ）与 1.3 组峰的裂距相等，进一步说明它们是相互邻接的HzJ8氢核。5 一无色液体，仅含碳和氢，其核磁共振 谱如图 12-13 所示。 试推断其结构。解 从核磁共振谱图上可得到三组峰的数据如下：
47、 重峰数 氢原子数7.2 1 52.9 7 11.2 2 6化学位移 7.2 峰，说明有苯环存在。其 氢原子数 5，故 为苯的单取代衍生物。化学位移 1.2 峰，指出有-CH 3 存在，其氢原子数为 6，说明有两个化学环境相同的-CH 3。该组 峰为二重峰，故有结构存在。化学位移 2.9 峰，指出存在基团。 该组峰为七重峰，故有六个磁等价氢与其偶合。综上所述该化合物结构为二、定量分析积分曲线高度与引起该组峰的核数呈正比关系。这不仅是对化合物进行结构测定时的重要参数之一，而且也是定量分析的重要依据。用核磁共振技术进行定量分析的最大优点是，不需引进任何校正因子或绘制工作曲线，即可直接根据各共振峰的
48、积分高度的比值。求算该自旋核的数目。在核磁共振谱线法中常用内标法进行定量分析。测得共振谱图后，内 标法可按下式计算 ms：（11-13）RRSSRSs MnAmAm式中 m 和 M 分别表示质量和相对分子质量， A 为积分高度。N 为被积分信号对应的质子数。下标 R 和 S 分别代表内标和试样。外标法计算方法同内标法。当以被测物的纯品为外标时，则计算式可简化为（11-14）RSmA式中 AS 和 AR 分别为试样和外标同一基团的积分高度。三、相对分子质量的测定在一般碳氢化合物中，氢的重量分数较低，因此，单纯 由元素分析的结果来确定化合物的相对分子质量是较困难的。如果用核磁共振技术测定其质量分数，则可按下式计算未知物的相对分子质量或平均相对分子质量：（11-15）RSRsmnAM式中各符号的含义同前。四、在化学动力学研究中的应用研究化学动力学是核磁共振谱法的一个重要方面。例如，研究分子的内旋转，测定反映速率常数等。虽然用核磁共振技术难以观察到分子结构中构象的瞬时变化，但是，通过研究核磁共振谱对温度的以来关系，可以获得某些动力学信息。例如，在室温 时，因 N，N-二甲基乙酰胺中的有部分双键性质，因此阻碍了 N-C 键的活化能，N-C键便可以自由旋转。根
