核磁共振波谱法剖析

核磁共振波谱法一、概述早在1924年Pauli 就预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可以发生能级的分裂。1946年美国科学家布洛赫(Bloch，斯坦福大学)和珀塞尔（Purcell，哈佛大学）分别发现在射频区（频率 0.1～100MHz,波长1～1000m）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核 (或称磁性核或自旋核)相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生核自旋能级的共振跃迁 ,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(nuclearmagneticresonancespectroscopy,NMR)，他们也因此分享了1952年的诺贝尔物理奖。所产生的波谱，叫核磁共振（波）谱。通过研究核磁共振波谱获得相关信息的方法，称为核磁共振波谱法。NMR和红外光谱、紫外—可见光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后发生能级上的跃迁，但引起核磁共振的电磁波能量很低 ,不会引起振动或转动能级跃迁 ,更不会引起电子能级跃迁。.1949年，Kight第一次发现了化学环境对核磁共振信号的影响，并发现了信号与化合物结构有一定的关系。而 1951年Arnold等人也发现了乙醇分子由三组峰组成，共振吸收频率随不同基团而异，揭开了核磁共振与化学结构的关系。1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。 1956年，曾在Block实验室工作的 Varian 制造出第一台高分辩率的仪器，从此，核磁共振波谱法成了化学家研究化合物的有力工具，并逐步扩大其应用领域。 七十年代以后，由于科学技术的发展，科学仪器的精密化、自动化，核磁共振波谱法得到迅速发展，在许多领域中已得到广泛应用，特别在有机化学、生物化学领域中的研究和应用发挥着巨大的作用。八十年代以来，又不断出现新仪器，如高强磁场的超导核磁共振波谱仪，脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪，大大提高灵敏度和分辨率，使灵敏度小的原子核能被测定；计算机技术的应用和多脉冲激发方法的采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。瑞士科学家恩斯特 R.R.Ernst 教授因对二维谱的贡献而获得 1991年的Nobel化学奖（对核磁共振光谱高分辩方法发展作出重大贡献） 。。瑞士科学家库尔特·维特里希因1“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖（一半奖金）。产生核磁共振波谱的必要条件有三条：·原子核必须具有核磁性质，即必须是磁性核(或称自旋核)，有些原子核不具有核磁性质，它就不能产生核磁共振波谱。·需要有外加磁场，磁性核在外磁场作用下发生核自旋能级的分裂，产生不同能量的核自旋能级，才能吸收能级发生能级的跃迁。·只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收，即 ，这就是核磁共振波谱的选择性。由于核磁能级的能量差很小，所以共振吸收的电磁辐射波长较长，处于射频辐射光区。核磁共振波谱法的特点：·核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一，因为它把有机化合物最常见的组成元素氢(氢谱)或碳(碳谱)等作为“生色团”来使用的，因此它可能确定几乎所有常见官能团的环境，有的是其它光谱或分析法所不能判断的环境，NMR法谱图的直观性强，特别是碳谱能直接反映出分子的骨架，谱图解释较为容易。·有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外，还有碳谱，氟谱，磷谱等)，因此，扩大了应用范围，各种谱之间还可以互相印证。·可以进行定量测定，因而也可以用于了解化学反应的进程，研究反应机理，还可以求得某些化学过程的动力和热力学的参数。·该法的缺点是：有的灵敏度比较低，但现代高级，精密的仪器可以使灵敏度极大的提高；实际上不能用于固体的测定，仪器比较昂贵，工作环境要求比较苛刻，因而影响了应用的普及性。二、基本原理（一）核的自旋运动上面已述，1924年Pauli 预言，某些原子核具有自旋和磁矩的性质，尔后被证实了，除了一些原子核中质子数和中子数均为偶数的核以外，其它核都具有自旋性质，2即核绕着某一个轴自身作旋转运动 ,称为核的自旋运动。原子核是质子和中子的组合体。质子带有正电荷，核的自旋引起电荷运动，它等价于一个环形导体中的电流，因而会产生磁场，用右手定则可判断磁场的方向。因此自旋核是一个磁偶极子，具有核磁矩 。原子核中的质子、中子等都有质量，质量的自旋就产生 角动量矩 ， 、 的取向是平行的，之间的关系为 :式中 为核的磁旋比， 是原子核的一种属性，一定核就具有特定的 值。如: 的 /特·秒， 的 /特·秒，等等。角动量矩 可表示为:式中h为普朗克常数，I为核的自旋量子数，可以取0， ，1， ,,I＞0，P＞0，原子核有自旋角动量和自旋现象；I=0，P=0，原子核没有自旋现象。量子力学理论及实验均证明，I的取值与原子的质量数及该元素在周期中的原子序数（也是核中的质子数）有关，某些元素 I的取值如表12-1所示。（二）自旋核在磁场中的行为若将自旋核置于外磁场中，由于磁偶极子与外磁场的相互作用，核磁矩矢量方向(自旋轴方向)就会有一定的取向，核磁矩与外磁场方向有一定的夹角，亦就是， 在外磁场 的作用下，具有磁矩 的核子就具有一定的能量 E，其能量与其取向角度有关。根据经典的电磁理论，其能量为：式中——称为核磁子，常数， 焦耳/高斯；3——以核磁子为单位表示的核的磁矩， 对于一定的核， 数值一定(如 的为2.793核磁子单位， 的 为0.702磁磁子单位)；θ—— 与 的夹角，θ＝0时， ， 同向，能量最低；——外磁场强度，高斯在经典力学中θ是连续的，因此能量 E也是连续的。而量子力学的原理证明，在外磁中，核磁矩的取向不是任意连续的，它只能有(2I＋1)种取向，即自旋核在外磁场中分裂为(2I＋1)个能级，这些能级称为塞曼能级，如: ， ，则(2I＋1)＝2，表明 在外磁场中分裂为 2个能级。每个取向用磁量子数m表示，所以m有(2I＋1)个数值，m的取值为I，I－1，,,－ I。所以 的取值为 和 。能量E表示为:一般来说，自旋量子数为 I的核，其相邻两能级之差为H0I归纳之：在外磁场 Ho的作用下，具有 的核磁子发生了能量的分裂，能级分裂的数目取决于核的自旋电子数 I，为(2I+1)，每个能级用磁量子数 m表示，m的取值为 I，I－1, , ，－I。每个能级的能量为 。对于 ，。（三）核磁共振量子力学模型上面已述，根据量子力学原理，核自旋能级的跃迁是吸收射频辐射的能量引起的，所以 ，则4对于，吸收射频辐射的频率为2H0。h从频率公式可以得到如下几点结论：■产生核磁共振的条件：，有存在，辐射能量需等于核自旋能级差；■不同的核 、I不同， 不同，发生共振所必需的 不同，即共振条件不一样；■相同的核 比值一定， 比值也一定，共振吸收频率 随 而改变。或反之。所以获得核磁共振谱的方法有两种：●固定 ，进行频率扫描，得到在此 下的共振吸收频率 。这方法叫扫频；●固定，进行磁强扫描，得到在对此频率产生共振吸收所需要的 。这方法叫扫场。（四）NMR中的驰豫过程、处于高、低能态的核数比例服从玻尔兹曼分布（低能态的核数稍多）2、饱和：数目稍多的低能态的核跃迁至高能态后，核从低能态跃迁至高能态的速率等于核从高能态跃迁至低能态的速率，NMR信号消失的现象。3、驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程，是 NMR现象发生后得以保持的必要条件4、自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率 1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。5、自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。体系的总能量不变，核在某一固定能态的寿命变短。速率 1/T2，T2为自旋自旋时间。56、驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫时间成反比。二、核磁共振波谱仪和试样的制备（一）分类按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁按交变频率分：40，60，90，100，200，500，600MHz，频率越高，分辨率越高按射频源和扫描方式不同分 ：连续波NMR谱仪（CW-NMR)脉冲傅立叶变换 NMR谱仪(FT-NMR)（二）连续波核磁共振波谱仪1、主要组成部件：）磁铁：提供强而均匀的磁场2）射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品3 ）扫描发生器：安装在磁极上的 Helmholtz 线圈，提供一个附加可变磁场，用于扫描测定4）射频接受器：用于探测 NMR信号，此线圈与射频振荡器、扫描发生器三者彼此互相垂直。5）记录器6）探头：包括样品管、发射线圈（扫描发生器） 、接受线圈（射频接受器）、预放大器等样品管：直径4mm,长度15cm,质量均匀的玻璃管磁场、频率源通过探头作用于试样。装有一个气动涡轮机，使试样沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转，消除磁场的不均匀性产生的影响。2、波谱仪1）射频源和音频调制要求有稳定的射频频率和功率——石英晶体振荡器6提高基线的稳定性和磁场锁定能力——音频调制2）扫描单元扫描速度的大小会影响信号峰的显示3）接受单元4）信号累加提高灵敏度（三）脉冲傅里叶核磁共振波谱仪（ PFT-NMR）连续波核磁共振波谱仪——单频发射和接收 信息少多道发射机——不同环境的核同时共振 适当宽度的射频脉冲多道接收机——快速傅里叶变换 时间域函数→频率域函数优点：测定速度快；可进行核的动态过程、瞬变过程、反应动力学等方面的研究；对共振信号弱的核也能测定。（四）试样的制备1、试样管管壁均匀、平直2、溶液的配制浓度——100～500g/L纯样——15～30mg3、标准试样仪器分析法——相对的分析方法四甲基硅烷（TMS）：只有一个峰；出现在高磁场区；沸点低，易回收。高温：六甲基二硅醚（HMDS）水溶液：3-三甲基硅丙烷磺酸钠4、溶剂CCl4、CS2氯仿、丙酮、二甲亚枫、苯四、化学位移的来源及表示法7前面已述，质子（1H）共振吸收条件是 ，在1.409T磁场中，将吸收60MHz的射频辐射。式子表明，不管1H处在何种分子或基团中，只要H0一定，υ也就一定，而实际的核磁共振吸收中却不是如此，各种化合物中不同的质子，所吸收的频率稍有不同。乙醇分子中三个基团的1H吸收相对位置如图16.7所示（在低分辨率的仪器中测得的谱图）。说明在不同分子或同一分子的不同基团中，氢核所处的化学环境不同，产生核磁共振所吸收的频率也不一样。这种由于核周围分子环境不同引起共振吸收频率位移的现象，叫做化学位移。（一）化学位移的产生化学位移来源于核外电子的屏蔽效应。原子核总是处在核外电子的包围中，电子的运动形成电子云。若处于磁场的作用之下，核外电子会在垂直外磁场方向的平面上作环流运动，从而产生一个与外磁场方向相反的感生磁场，这种对抗外磁场的作用称为电子的屏蔽效应。因此，原子核实际感受所作用的磁场的磁场强度 H就降低了，即：式中 称为屏蔽系数， 很小，一般仅为 数量级。因此，1H的共振吸收频率为:8上式表明：若固定 H0,则υ就变小，且屏蔽效应越大 (σ越大)，υ降低越多；而如果要使υ保持不变，则需加大 H0，且σ越大，H0需求量增加越多。乙醇中三个基团的三种氢原子表现出三个共振吸收峰，－CH3中电子的屏蔽效应大，σ较大，所以H0较大，-CH2－次之，在较低H0出峰，而-OH中的1H，由于O的电负性大，吸引了电子云，使1H受的屏蔽效应小，σ较小，所以在较小的H0出峰。虽然σ很小，σH0也很小，即由于屏蔽效应使所需外磁场变化 H或共振吸收频率的变化Δυ也很小，一般也仅为 数量级。如60MHz的射频辐射使孤立的 1H共振需1.409T的磁场，而分子体系的 1H共振， 只不过是大约0.1Gs(100mGs)。但正是由于有这一微小的变化，为研究化合物的结构提供了非常重要的现象和依据。（二）化学位移的表示由于 （或 ）佷小，所以要准确测量其绝对值是很困难的，且其绝对值也随磁场源(或频率源)的不同而异。为了提高化学位移数值的测量准确度和确立化学位移数据的统一标度。 采用与标准物质相对照的百万分相对值 (即ppm)来标度。从理论上说，标准物质应该是氢原子的完全裸核，但这是办不到的。实际上是以一定的参考物质作为标准， NMR中常用四甲基硅烷( ，TMS)作为标准，因为TMS具有如下特点：TMS分子中的12个氢核处于完全相同的化学环境中，它们的共振条件完全一致，因此在NMR谱中只有一个峰。TMS分子中氢核周围的电子云密度很大，受到的屏蔽效应比大多数其它化合物中的氢核都大，一般其它化合物的1H峰都出现在TMS峰的左侧，便于谱图解析；●)，易用蒸馏法TMS是化学惰性物质，易溶于大多数有机溶剂中，且沸点低(从样品中除去。化学位移通常用表示(单位为ppm)，(ppm)9在扫频的情况下:（ 为操作仪器的选用频率）在扫场的情况下:（ 为操作仪器的选用磁场）多数情况下，一般不大于10.00，有时为了坐标表示的方便，化学位移用另一参数表示，(三)核磁共振谱必须十分清楚谱图上各物理量或参数的方向表示，如图 16.9所示.谱图提供的主要信息：共振吸收峰的组数提供化合物中有几种类型磁核，即有几种不同化学环境的氢核，一般表明有几种带氢基团。各组吸收峰的位置提供各类型氢核(各基团)所处化学环境的信息，用化学位移表示。10各组峰的分裂情况及分裂峰的数目提供各类型(各基团)的相互作用情况，用磁核的自旋偶合和裂分表示。以上2、3两信息，可以判断各基团及其连接关系。各组峰的相对强度提供各类型氢核(各基团)的数量比。在NMR谱图中用峰面积的积分阶梯线高度表示。（四）影响化学位移的因素影响化学位移的因素有诱导效应、共轭效应，磁的各向异性效应，形成氢键的影响及溶剂效应等。诱导效应如果化合物分子中含有某些具有电负性的原子或基团， 如卤素原子、硝基、氰基，由于其诱导（吸电子）作用，使与其连接或邻近的磁核周围电子云密度降低，屏蔽效应减弱，δ变大，即共振信号移向低场或高频。在没有其它影响因素的情况下， 屏蔽效应随电负性原子或基团电负性的增大及数量的增加而减弱，δ随之相应增大。如表 16.3所示。表16.3甲烷中质子的化学元素位移与取化元素电负性关系化学式CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4TMSCH2Cl2CHCl3取代元素FOClBrIHSi2×Cl3×Cl电负性4.03.53.12.82.52.11.8质子的δ4.263.403.052.682.160.2305.337.24而随电负性原子离共振磁核越远，诱导效应越弱，屏蔽效应相应减小，即δ相应增强共轭效应共轭效应与诱导效应一样 ,也会改变磁核周围的电子云密度 ,使其化学位移发生变化。如果有电负性的原子存在并以单键形式连接到双键上，由于发生了 共轭，电子云自电负性原子向 键方向移动（中介效应），使 键上的相连的 电子云的密11度升高，因此δ降低，共振吸收移向高场；如果有电负性的原子以不饱和键的形式连接，且产生 共轭，则电子云将移向电负性的原子，使 键上连接的 电子云密度降低，因此δ变大，共振吸收移向高场。如乙烯醚的 的δ比乙烯的 小，而α-不饱和酮的 比乙烯 的δ大。磁的各向异性效应在外磁场的作用下，核外的环电子流产生了次级感生磁场，由于磁力线的闭合性质，感生磁场在不同部位对外磁场的屏蔽作用不同，在一些区域中感生磁场与外磁场方向相反，起抗外磁场的屏蔽作用，这些区域为屏蔽区，处于此区的 δ小，共振吸收在高场（或低频）；而另一些区域中感生磁场与外磁场的方向相同，起去屏蔽作用，这些区域为去屏蔽区，外于此区的 δ变大，共振吸收在低场（高频）。这种作用称为磁的各向异性效应。磁的各向异性效应只发生在具有 电子的基团，它是通过空间感应磁场起作用的，涉及的范围大，所以又称为远程屏蔽。例如苯环，苯分子是一个六元环平面，形成大 键，电子云分布在苯分子平面的上下，当苯分子平面与外磁场 垂直时，在苯分子平面的上、下方形成环电子流，产生次级感应磁场，因此在苯分子周围空间中分成了屏蔽区（分子平面上下圆锥内的外磁场减弱，用“+”表示）和去屏蔽区（圆锥外的外磁场强度增强，用“－”表示）如图16.10(a)所示，可见，苯环上的 处在去屏蔽区，δ较大（约为7左右），共振信号出现在低场。而苯环上有取代基时，由于基团竖起，基团上的 处于屏蔽区，δ较小，共振信号出现在高场，当苯分子平面与外磁场方向平行时，不产生环电子流，因此不产生次级感应磁场，不发生磁的各向异性效应。在溶液中苯分子平面的取向是随机的，分子运动的总体平均化结果，使苯分子表现出磁的各向异性效应。乙烯分子中的电子分布在键所在平面的上、下方，感应磁场将空间分成的屏蔽区和去屏蔽12区如图16.10（b）所示。可见，处于一个平面上的四个位于去屏蔽区，与乙烷相比，δ较大（约为5.28）,共振信号出现在低场。醛的情况与乙烯类似，而加上氧的诱导效应，使醛基上 的δ很大（约为9.7）。而乙炔的情况有不同，乙炔为线垂分子， 电子云是围绕 键轴呈对称圆筒状，当 轴与外磁场平行时，感生磁场所形成的两 如图16.10(c)所示，可见其处在屏蔽区，δ比烯 小得多（约为2.88），共振信号出现在高场。4 、氢键当分子形成氢键时，氢键中质子的信号明显移向低磁场， δ值变大。形成氢键，质子周围的电子云密度降低各基团质子的特征化学位移化学位移是化合物分子结构的一种极为重要的信息，用于分子中各种含氢基团确认和鉴定，了解各基团的化学环境。各种基团中的质子，在没有特别强烈的化学环境影响时，其化学位移都具有一定的特征性。一些较常见基团中的δ如下：质子化学位移质子化学位移0.8～1.5ppm1～2ppm3.5～5.5ppm2～3ppm9～10ppm9～13ppmR-OH1～6ppm无缔合4～7ppmAr-OH7ppm缔合为10～15自二十世纪五十年代末高分辨率的 NMR仪问世以来，人们测量出大量化合物13各种基团中质子的化学位移值，找出与各种基团中质子的化学位移，找出了化学位移与分子结构的经验关系。在许多相关书籍上都有图或表表示。五、简单自旋偶合和自旋分裂（一）自旋偶合和自旋分裂现象上述已述，乙醇分子在低分辨率仪器上测得的 NMR谱有三个峰，图 16.7所示，而如果在高分辨率的 NMR仪上测量，可以观察到， 峰分裂为3重小峰，峰分裂为4重小峰，如图16.12所示。这是由于氢核之间的相互作用所致。 每一个质子都可以被视为一个磁偶极子， 相当于一个小磁体，可以产生一个局部小磁场（自旋磁场）。在外磁场 中，氢核的自旋有两种取向 ，两种取向的机率相同，其分量与 同向时加强了 ，反向时削弱了 。另一方面处于相同化学环境的各氢核之间也存在各组取向的组合 （同向或异向），产生了组合的局部磁场，此局部磁场对施加影响，使邻近的氢核感受到的磁场有微小的变化，因此吸收的频率也发生微小的变化而分裂。以乙醇为例加以说明。乙醇分子以下图标示：14Ca上的三个质子Ha、 、 及Cb上的两个质子Hb、 是两组各自化学环境完全相同的质子。先分析 Cb上的质子对Ca上的质子的影响。如图 16.13所示。可见，由于Cb是两个质子的偶合作图，使 Ca上的质子共振吸收峰分裂为三重峰，中间分裂是两个等价磁场的叠加，其强度是两侧峰的 2倍，所以三重峰的强度比为 1：2：1。再分析Ca上的三个质子对 Cb上两个质子的偶合作用， Ca有8种取向组合情况，其中有两种是各自单独的组合情况 (即 和 ),有两组各自包含着三种同等的组合情况,即三个等价局部磁场( , , 和 , , )，所以的质子共振峰被上的三个质子偶合产生 4重分裂峰，分裂峰的强度比为 1：3：3：1。自旋核之间的相互作用，称为自旋－自旋偶合（ Spin－Spin－Coupling）,简称自旋偶合；由于自旋偶合引起的共振吸收峰增多的现象，称为自旋－自旋裂分（ SpinSpin－Splitting），简称为自旋裂分。有两个问题必须明确：·磁性核的偶合作用是 通过成键电子传递 的，所以磁性核之间的距离越大，偶合的程度越弱，一般是两核之间的距离大于三个单键时，偶合就基本消失。·被裂分核的实感磁场是受邻近磁性核的不同自旋取向的影响而产生的，所以如果邻近核是非磁性核，则就不可能发生偶合和裂分现象。 12C、16O、32S等，I=0,所以它们不会对 发15生偶合和裂分作用；, ,有两种取向，且 比较大，所以 HF中质子的共振峰将分裂为两重峰；,I=1, 有三种取向，而 ，较小，它对 有偶合作用，但不明显；、 , ,对 也有偶合作用，但由于 很小，偶合很弱，不易观察到裂分现象。（二）偶合常数 J自旋偶合产生共振峰的分裂后，两裂分峰之间的距离（以Hz为单位）称为偶合常数，用J表示。J的大小表明自旋核之间偶合程度的强弱。与化学位移的频率差不同，J不因外磁场的变化而变化，受外界条件（如温度、浓度及溶剂等）的影响也比较小，它只是化合物分子结构的一种属性。上面已指出，偶合的强弱与偶合核之间的距离有关，根据偶合核之间相距的键数分为同碳（偕碳）偶合、邻碳偶合和远程偶合三类。★同碳偶合 如C上氢核的偶合为同碳偶合，用 表示（左上角的数字为两 相距的单键数）。同碳偶合常数变化范围非常大，其值与结构密切相关。如乙烯中同碳偶合J=2.3Hz，而甲醛中J=42Hz。同碳偶合一般观察不到裂分现象，要测定其裂分常数，需采用同位素取代等特殊方法。★邻碳偶合 如 为邻碳偶合，用 表示。在饱合体系中的邻碳偶合是通过三个单键进行的，偶合常数大约范围为 0~16Hz。邻碳偶合在NMR谱中是最重要的，在结构分析上十分有用，是进行立体化学研究最有效的信息之一。 与邻碳上两个所处平面的夹角 有关。★远程偶合 相隔四个或四个以上键的质子偶合，称为远程偶合。远程偶合常16数较小，一般小于 1Hz，通常观察不到，若中间插有 键，或在一些具有特殊空间结构的分子中，才能观察到。 根据偶合常数的大小，可以判断相互偶合的氢核的健的连接关系，帮助推断化合物的结构。但目前尚无完整的理论来说明和推算，而人们已积累了大量偶合常数与结构关系的经验数据，供使用时查阅，六、核的化学等价和磁等价核的等价性在一个分子中，同时有几组相互偶合的质子存在时，它们就构成了自旋体系。在自旋体系中，各自旋核的性质有以下情况：★化学等价 在自旋体系中，若有一组核，其化学环境相同，也即化学位移相同，这组核称为化学等价的核，或称化学全同的核。★磁等价 在一组化学等价的核中，如果它们与该组升的任一自旋核的偶合常数都相同，这组核称为磁等价的核或称磁全同的核。磁等价的核一定是化学等价的核，而化学等价的核不一定是磁等价的核。例如：因为 ， ，所以H1、H2是化学等价，也是磁等价H1、H2、H3和H4、H5分别是两组化学等价的核， 也是磁等价的核H1、H2的化学环境一样，但 , ,所以H1、H2是化学等价，而不是磁等价H1、H2及H3、H4分别是化学等价，而不是磁等价17应该指出，在同一碳原子上的质子，不一定都是磁等价的，除了像上述的 1.2一二氟二烯外，与手性 C原子直接的－CH2－上的2个 ，是磁不等价的，例如 2――氯丁烷中，Ha,Hb是磁不等价的：自旋体系的分类通常按照 来进行偶合体系的分类， 为偶合核化学位移的频率差（HZ），为偶合常数。≥10时为弱偶合，J比较小，谱图较为简单，称为一级图谱。这种谱图的自旋－自旋裂分图谱解析十分简单方便。<10时，为强偶合，J比较大，谱图故复杂，称为高级图谱。根据偶合的强弱，可以把共振分为不同的自旋体系。七、高级图谱及简化有机化合物的 NMR谱多数不是一级图谱。 <10，是复杂图谱，也叫高级图谱，其表现特征：●不按（n＋1）规律裂分，由于往往有附加裂分而超过（ n＋1）数目；●裂分峰的相对强度不符合二项式展开形式的系数；●偶合常数一般不等于分裂峰的峰间距，多重峰的中心位置不等于化学位移，难以从谱图中求得J。18高级图谱往往难以进行谱图解析，须经简化后以一级图谱技术进行解析，简化方法有：★加大磁场强度加大磁场强度后， 变大，而J不变，因此 变大，直到 ≥10时，变为一级图谱，即可解析。这就是为什么人们一直在设法设计制造出尽可能大磁场强度的 NMR仪的原因。★去偶法，或称双照法通过向核磁共振中引入多个射频场有可能产生出一个或多个干扰场，而得到双共振(或多共振)图谱。在进行自旋去偶中，第二个(和第三个，第四个,,)射频场的频率直接对准与待测核偶合的核的共振频率，且辅射强度大，使其在两个自旋能态之间迅速来回跃迁，结果两种取向平均化了，待测核只能感受到偶合的自旋平均态，能级不发生分裂，从而大大简化了图谱。应该指出的是，去偶作用的简化谱图能力是显而易见的，但对发生强烈偶合的质子是不能去偶的，因为第二射频场的引入会发生干扰，从而观察不到相应的核磁共振现象。有关自旋去偶的理论颇为复杂，可参阅其它相关参考书。★化学位移试剂化学位移试剂是指在不增大外磁场强度的情况下，使质子的共振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此外，还可以通过氘（2H）取代分子中的部分1H而去除部分谱峰，也可以使图谱简化。八、核磁共振谱的应用（一）谱图的解析NMR谱法一般经历如下的步骤进行谱图的解析：★与IR法相同，首先尽可能了解清楚样品的一些自然情况，以便对样品有一些大概的认识；通过元素分析获得化合物的化学式，计算不饱和度 Ω；19★根据化学位移值确认可能的基团，一般先辨认孤立的，未偶合裂分的基团，即单峰，即不同基团的1H之间距离大于三个单键的基团及一些活泼氢基团，如甲基醚 、甲基酮（ ）、甲基叔胺（ ）、甲基取代的苯等中的甲基质子及苯环上的质子，活泼氢为―O―H， ，－SH等；然后再确认偶合的基团。从有关图或表中的 δ可以确认可能存在的基团，这时应注意考虑影响 δ的各种因素如电负性原子或基团的诱导效应、共轭效应、磁的各向异性效应及形成氢键的影响等；★根据偶合裂分峰的重数、 偶合常数，判断基团的连接关系。 先解析一级光谱， 然后复杂光谱。进行复杂光谱解析时，应先进行简化；★根据积分高度确定出各基团中质子数比，印证偶合裂分多重峰所判断的基团连接关系；★通过以上几个程序，一般可以初步推断出可能的一种或几种结构式。然后，反过来，从可能的结构式按照一般规律预测可能产生的 NMR谱，与实际谱图对照，看其是否符合，从而可以推断出某种最可能的结构式。例 某化合物的化学式为 ，IR谱表明 有一很强的吸收峰，NMR谱如下，试确定其结构。解：有三组峰，相对面积为 2:1:3，若分别为2、1、3个 ，则总数为6，为分子式12个 的一半，因此分子可能有对称性；-1有一强峰，应有存在，且分子中有4个O，则可能有IR显示～1750cm202个 ； 处有一组三重峰，可能为－ CH3，且受 裂分，而 处有一组四重峰，与 是典型的 组分；而δ较大，可能为 的组分； 处有一单峰，相对面积为1，则是一个与碳基相连的孤立（不偶合）的 ，可能为所以可能有的结合。而此结合的 、O的数目为分子式的一半，而 C原子数一半多半个原子。因此可以推测出整个分子的中间 C原子为对称的结构，可能为验证：以炔可能结构，推测其 NMR谱，与实验谱图比较，结果相符合。 是否可能为（请思考）（二）定量分析NMR图谱中积分曲线的高度与引起该共振峰的氢核数成正比，这不仅是结构分析的重要参数，而且是定量分析的依据。用NMR技术进行定量分析的最大优点是，不需要有被测物质的纯物质作标准，也不必绘制校准曲线或引入校准因子，而只要与适当的标准参照物（不必是被测物质的纯物质）相对照就可得到被测物质的量，对标准物的基本要求是其NMR谱的共振峰不会与试样峰重叠。常用的标准物为有机硅化合物，其质子峰大多在高场，便于比较，为六用基环三硅氧烷和六甲基环三硅胺等。标准参物和试样的分析物的各参数如下表示。21物质 质量 分子量 分析基因中质子数 分析峰面积标准参物 R试样分析物 S由标准参比物分析峰求得每 mol质子的相对峰面积 为同样试样分析物每 mol质子的相对峰面积 为因为 所以则 分析物的量 为分析方法上可以有两种方法－——内标准和外标准内标法把标准参比物与试样混合在一起，以合适的属剂配制适宜浓度的属液，绘制 NMR谱，按上式进行计算。这种方法准确