6.1　方法原理

6.1.1　核磁共振波譜法的基本原理

（1）原子核的自旋與磁矩

核磁共振的研究對(duì)象是原子核，原子核是帶正電粒子，其自旋運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁矩，具有自旋運(yùn)動(dòng)的原子核都具有一定的自旋量子數(shù)I，原子核可按I的值分為以下三類：①中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)（I=0：如¹²C、¹⁶O、³²S）；②中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之一為偶數(shù)，另一為奇數(shù)，則I為半整數(shù)（I=1/2：¹H、¹³C、¹⁵N、³¹P等；I=3/2：⁷Li、⁹Be、³³S、³⁷Cl等；I=5/2：¹⁷O、²⁵Mg等；I=7/2、I=9/2等）；③中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為奇數(shù)，則I為整數(shù)（如I=1：²H（D）、⁶Li等；I=2：⁵⁸Co等；I=3：¹⁰B等）。①類原子核不能用核磁共振法進(jìn)行研究，而②、③原子核是核磁共振的研究對(duì)象。其中，I=1/2的原子核，其電荷分布為球形，這樣的原子核具有電四極矩（電四極矩就是在相隔一個(gè)很小的距離，排列著的兩個(gè)大小相等方向相反的電偶極矩），其核磁共振譜線窄，最宜于用核磁共振檢測(cè)。

原子核的磁矩取決于原子核的自旋角動(dòng)量P，其大小

式中，h為普朗克（Planck）常數(shù)，h=6.626×10^-34 J·s；I為自旋量子數(shù)，凡I值非零的原子核即具有自旋角動(dòng)量P，也就具有磁矩μ，μ與P之間的關(guān)系為：

μ= γP

式中，γ稱為磁旋比，是原子核的重要屬性。

（2）核磁共振現(xiàn)象的產(chǎn)生

以氫原子為例，由于氫原子是帶電體，當(dāng)氫原子自旋時(shí)，可生成一個(gè)磁場(chǎng)，因此，可以把一個(gè)自旋的原子核看作一塊小磁鐵。氫的自旋磁量子數(shù)m_s=±1/2。

原子的磁矩在無(wú)外磁場(chǎng)影響下，取向是紊亂的，在外磁場(chǎng)中，它的取向是量子化的，只有兩種可能的取向，如圖6-1所示。

當(dāng)m_s=+1/2時(shí)，取向與外磁場(chǎng)方向相同，則為低能級(jí)（低能態(tài)）；當(dāng)m_s=-1/2時(shí)，取向與外磁場(chǎng)方向相反，則為高能級(jí)（高能態(tài)）；兩個(gè)能級(jí)間的能量差ΔE隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H₀的增大而增大。該現(xiàn)象稱為能級(jí)裂分，如圖6-2所示。

ΔE與磁場(chǎng)強(qiáng)度（H₀）成正比。給處于外磁場(chǎng)的質(zhì)子輻射一定頻率的電磁波，當(dāng)輻射所提供的能量恰好等于質(zhì)子兩種取向的能量差（ΔE）時(shí)，質(zhì)子就吸收電磁輻射的能量，從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)，這種現(xiàn)象稱核磁共振。原則上，凡是自旋量子數(shù)不等于零的原子核，都可發(fā)生核磁共振。

（3）弛豫過(guò)程

對(duì)磁旋比為γ的原子核外加一靜磁場(chǎng)H₀時(shí)，原子核的能級(jí)會(huì)發(fā)生分裂。處于低能級(jí)的粒子數(shù)n₁將多于高能級(jí)的離子數(shù)n₂，這個(gè)比值用玻爾茲曼定律計(jì)算。由于能級(jí)差很小、n₁和n₂很接近，設(shè)溫度為300K，外磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.4029T（即14092G，相應(yīng)于60MHz射頻儀器的磁場(chǎng)強(qiáng)度），則

在射頻作用下，n₁減少，n₂增加，當(dāng)n₁=n₂時(shí)不再有凈吸收，核磁共振信號(hào)消失，稱作“飽和”，處于高能級(jí)的核通過(guò)某種途徑把多余的能量傳遞給周圍介質(zhì)或其他核而返回低能態(tài)，這個(gè)過(guò)程即稱為“弛豫”。

弛豫過(guò)程有兩類，一類是縱向弛豫（自旋-晶格弛豫），即一些高能級(jí)的核把能量轉(zhuǎn)移至周圍的分子（固體的晶格，液體中周圍的同類分子或溶劑分子）而轉(zhuǎn)變成熱運(yùn)動(dòng)，縱向弛豫反映了體系與環(huán)境的能量交換；另一類是橫向弛豫（自旋-自旋弛豫），即一些高能級(jí)的核通過(guò)與低能級(jí)的核發(fā)生自旋交換而把能量轉(zhuǎn)移至另一個(gè)核，橫向弛豫并沒(méi)有增加低能級(jí)的數(shù)目，而是縮短了核處于高能級(jí)或低能級(jí)的時(shí)間。類似于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的一級(jí)反應(yīng)，縱向弛豫和橫向弛豫過(guò)程的快慢分別用1/T₁和1/T₂來(lái)描述。T₁叫縱向弛豫時(shí)間，T₂叫橫向弛豫時(shí)間。

6.1.2　核磁共振波譜

（1）屏蔽效應(yīng)和化學(xué)位移

①化學(xué)位移（Chemical Shift）　氫質(zhì)子（¹H）用掃場(chǎng)的方法產(chǎn)生的核磁共振，理論上都在同一磁場(chǎng)強(qiáng)度（H₀）下吸收，只產(chǎn)生一個(gè)吸收信號(hào)。但分子中的各種氫因處于不同的環(huán)境，因而共振頻率有所不同，在不同H₀下發(fā)生核磁共振，給出不同的吸收信號(hào)。

圖6-3是乙醇分子使用低分辨率和高分辨率的核磁共振波譜儀得到的譜圖。這種由于氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，因而在不同共振磁場(chǎng)產(chǎn)生吸收峰的現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。

②屏蔽效應(yīng)——化學(xué)位移產(chǎn)生的原因　分子中的原子核不是裸核，核外包圍著電子云，在磁場(chǎng)作用下，核外電子會(huì)在垂直于外磁場(chǎng)的平面上繞核旋轉(zhuǎn)，形成電子環(huán)流，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)抗外磁場(chǎng)的感應(yīng)磁場(chǎng)，如圖6-4所示。

感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與外磁場(chǎng)相反，強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H₀成正比。感應(yīng)磁場(chǎng)在一定程度上減弱了外磁場(chǎng)對(duì)核的作用，這種感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)外磁場(chǎng)的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應(yīng)。通常用屏蔽常數(shù)σ來(lái)衡量屏蔽作用的強(qiáng)弱。核實(shí)際感受的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為有效磁場(chǎng)強(qiáng)度，即

H=（1-σ）H₀

處于不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子，核外電子云分布不同，H值不同，核磁共振吸收峰出現(xiàn)的位置亦不同。在以掃頻方式測(cè)定時(shí)，核外電子云密度大的質(zhì)子，σ值大，吸收峰出現(xiàn)較低頻；相反，核外電子云密度小的質(zhì)子，吸收峰出現(xiàn)在較高頻。若以掃場(chǎng)方式進(jìn)行測(cè)定，則電子云密度大的質(zhì)子吸收峰出現(xiàn)在較高場(chǎng)，電子云密度小的質(zhì)子吸收峰出現(xiàn)在較低場(chǎng)。

③化學(xué)位移值　同一化學(xué)環(huán)境的核在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下，共振頻率是不同的，為消除漂移以及不同頻源等因素對(duì)測(cè)量的影響，通常采用一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)差值來(lái)表示化學(xué)位移。由于化學(xué)位移值很小，因此將它擴(kuò)大10⁶倍。化學(xué)位移δ（ppm）表示為

δ=（H_s-H_x）×10⁶/H_s

δ=（ν_s-ν_x）×10⁶/ν_s≈（ν_s-ν_x）×10⁶/ν₀

式中，ν_s、ν_x分別為標(biāo)準(zhǔn)參考物和樣品中該核的共振頻率；H_s、H_x分別為標(biāo)準(zhǔn)參考物和樣品中該核共振所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度；ν₀為操作儀器選用的頻率，與ν_s相差很小。

測(cè)定化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn)參考物是人為規(guī)定的，不同核素用不同標(biāo)準(zhǔn)物，目前公認(rèn)用四甲基硅烷［（CH₃）₄Si，TMS］作為¹H及¹³C核的標(biāo)準(zhǔn)參考物，規(guī)定其δ為零，若采用其他標(biāo)準(zhǔn)參考物（如苯、氯仿、環(huán)己烷等），都必須換算成以TMS為零點(diǎn)的δ。

④影響化學(xué)位移的因素　化學(xué)位移是由核外電子云的屏蔽作用造成的，凡是影響核外電子云密度分布的各種因素都會(huì)影響化學(xué)位移，包括誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、磁各向異性效應(yīng)（電子環(huán)流效應(yīng)）、溶劑效應(yīng)以及氫鍵作用等。

（2）峰面積與氫原子數(shù)

在核磁共振譜圖中，每一組吸收峰都代表一種氫，每種共振峰所包含的面積是不同的，其面積之比剛好是各種氫原子數(shù)之比。因此核磁共振譜不僅提供了各種不同H的化學(xué)位移，并且也表示了各種不同氫的數(shù)目之比。

共振峰的面積大小一般是用積分曲線高度法測(cè)出，是核磁共振儀上帶的自動(dòng)分析儀對(duì)各峰的面積進(jìn)行自動(dòng)積分，得到的數(shù)值用階梯積分高度表示出來(lái)。積分曲線的畫法是由低場(chǎng)到高場(chǎng)（從左到右），從積分曲線起點(diǎn)到終點(diǎn)的總高度與分子中全部氫原子數(shù)目成比例。各階梯的高度比表示引起該共振峰的氫原子教之比。

（3）峰的裂分和自旋偶合

①峰的裂分　在高分辨率下吸收峰產(chǎn)生化學(xué)位移和裂分。這種使吸收峰分裂增多的現(xiàn)象稱為峰的裂分。由有機(jī)化合物的核磁共振譜可獲得質(zhì)子所處化學(xué)環(huán)境的信息，進(jìn)而可確定化合物的結(jié)構(gòu)。

②自旋偶合　核磁共振峰的裂分是因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)碳上的質(zhì)子之間的自旋偶合（自旋干擾）而產(chǎn)生的。這種由于鄰近不等性質(zhì)子自旋的相互作用（干擾）而分裂成幾重峰的現(xiàn)象稱為自旋偶合。自旋偶合作用不影響化學(xué)位移，但對(duì)共振峰的形狀會(huì)產(chǎn)生重大影響，使譜圖變得復(fù)雜。但也為結(jié)構(gòu)分析提供了更多的信息。

自旋方式有兩種：與外加磁場(chǎng)同向（↑）或異向（↓），因此它可使鄰近的核感受到磁場(chǎng)強(qiáng)度的加強(qiáng)或減弱。這樣就使鄰近質(zhì)子在半數(shù)分子中的共振吸收向低場(chǎng)移動(dòng)，在半數(shù)分子中的共振吸收向高場(chǎng)移動(dòng)。原來(lái)的信號(hào)裂分成強(qiáng)度相等的兩個(gè)峰，即一組雙重峰。兩個(gè)裂分峰間的距離為偶合常數(shù)（J）。 若鄰近有兩個(gè)不等性核在自旋，那么這個(gè)信號(hào)就要裂分成三重峰，它們的強(qiáng)度比是1∶2∶1。同理，鄰近有三個(gè)核在自旋時(shí)，信號(hào)將裂分成四重峰，其強(qiáng)度之比為1∶3∶3∶1。所以峰的裂分情況與鄰近碳上的不等性質(zhì)子數(shù)（n）有關(guān)。

③裂分峰數(shù)與峰面積　某組環(huán)境相同的氫核，與n個(gè)環(huán)境相同的氫核（或I=1/2的核）偶合，裂分后的峰數(shù)是鄰近不等性質(zhì)子數(shù)加一，這就是所謂裂分的n+1規(guī)律。它們的相對(duì)強(qiáng)度之比是二項(xiàng)式（a+b）ⁿ的展開系數(shù)。n+1規(guī)律只適合于互相偶合的質(zhì)子的化學(xué)位移差遠(yuǎn)大于偶合常數(shù)，即Δδ?J時(shí)的一級(jí)譜。其中J為偶合常數(shù)，它是相鄰兩裂分峰之間的距離，單位為赫茲（Hz）。在實(shí)際譜圖中，互相偶合的兩組峰強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)內(nèi)側(cè)高、外側(cè)低的情況，稱為向心規(guī)則。利用向心規(guī)則，可以找到吸收峰間互相偶合的關(guān)系。某組環(huán)境相同的氫核，分別與n個(gè)和m個(gè)環(huán)境不同的氫核（或I=1/2的核）偶合，則被裂分為（n+1）（m+1）條峰（實(shí)際譜圖可能出現(xiàn)譜峰部分重疊，裂分峰數(shù)少于計(jì)算值）。

另外，峰面積與同類質(zhì)子數(shù)成正比，僅能確定各類質(zhì)子之間的相對(duì)比例。