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

核磁共振的研究對象是原子核，原子核是帶正電粒子，其自旋運動會產生磁矩，具有自旋運動的原子核都具有一定的自旋量子數I，原子核可按I的值分為以下三類：①中子數和質子數均為偶數（I=0：如¹²C、¹⁶O、³²S）；②中子數和質子數之一為偶數，另一為奇數，則I為半整數（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中子數和質子數均為奇數，則I為整數（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行研究，而②、③原子核是核磁共振的研究對象。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很小的距離，排列著的兩個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。

原子核的磁矩取決于原子核的自旋角動量P，其大小

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

μ= γP

式中，γ稱為磁旋比，是原子核的重要屬性。

（2）核磁共振現象的產生

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

原子的磁矩在無外磁場影響下，取向是紊亂的，在外磁場中，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m_s=+1/2時，取向與外磁場方向相同，則為低能級（低能態）；當m_s=-1/2時，取向與外磁場方向相反，則為高能級（高能態）；兩個能級間的能量差ΔE隨外磁場強度H₀的增大而增大。該現象稱為能級裂分，如圖6-2所示。

ΔE與磁場強度（H₀）成正比。給處于外磁場的質子輻射一定頻率的電磁波，當輻射所提供的能量恰好等于質子兩種取向的能量差（ΔE）時，質子就吸收電磁輻射的能量，從低能級躍遷至高能級，這種現象稱核磁共振。原則上，凡是自旋量子數不等于零的原子核，都可發生核磁共振。

（3）弛豫過程

對磁旋比為γ的原子核外加一靜磁場H₀時，原子核的能級會發生分裂。處于低能級的粒子數n₁將多于高能級的離子數n₂，這個比值用玻爾茲曼定律計算。由于能級差很小、n₁和n₂很接近，設溫度為300K，外磁場強度為1.4029T（即14092G，相應于60MHz射頻儀器的磁場強度），則

在射頻作用下，n₁減少，n₂增加，當n₁=n₂時不再有凈吸收，核磁共振信號消失，稱作“飽和”，處于高能級的核通過某種途徑把多余的能量傳遞給周圍介質或其他核而返回低能態，這個過程即稱為“弛豫”。

弛豫過程有兩類，一類是縱向弛豫（自旋-晶格弛豫），即一些高能級的核把能量轉移至周圍的分子（固體的晶格，液體中周圍的同類分子或溶劑分子）而轉變成熱運動，縱向弛豫反映了體系與環境的能量交換；另一類是橫向弛豫（自旋-自旋弛豫），即一些高能級的核通過與低能級的核發生自旋交換而把能量轉移至另一個核，橫向弛豫并沒有增加低能級的數目，而是縮短了核處于高能級或低能級的時間。類似于化學反應動力學中的一級反應，縱向弛豫和橫向弛豫過程的快慢分別用1/T₁和1/T₂來描述。T₁叫縱向弛豫時間，T₂叫橫向弛豫時間。

6.1.2　核磁共振波譜

（1）屏蔽效應和化學位移

①化學位移（Chemical Shift）　氫質子（¹H）用掃場的方法產生的核磁共振，理論上都在同一磁場強度（H₀）下吸收，只產生一個吸收信號。但分子中的各種氫因處于不同的環境，因而共振頻率有所不同，在不同H₀下發生核磁共振，給出不同的吸收信號。

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環境不同，因而在不同共振磁場產生吸收峰的現象稱為化學位移。

②屏蔽效應——化學位移產生的原因　分子中的原子核不是裸核，核外包圍著電子云，在磁場作用下，核外電子會在垂直于外磁場的平面上繞核旋轉，形成電子環流，同時產生對抗外磁場的感應磁場，如圖6-4所示。

感應磁場的方向與外磁場相反，強度與外磁場強度H₀成正比。感應磁場在一定程度上減弱了外磁場對核的作用，這種感應磁場對外磁場的屏蔽作用稱為電子屏蔽效應。通常用屏蔽常數σ來衡量屏蔽作用的強弱。核實際感受的磁場強度稱為有效磁場強度，即

H=（1-σ）H₀

處于不同化學環境的質子，核外電子云分布不同，H值不同，核磁共振吸收峰出現的位置亦不同。在以掃頻方式測定時，核外電子云密度大的質子，σ值大，吸收峰出現較低頻；相反，核外電子云密度小的質子，吸收峰出現在較高頻。若以掃場方式進行測定，則電子云密度大的質子吸收峰出現在較高場，電子云密度小的質子吸收峰出現在較低場。

③化學位移值　同一化學環境的核在不同磁感應強度下，共振頻率是不同的，為消除漂移以及不同頻源等因素對測量的影響，通常采用一個無量綱的相對差值來表示化學位移。由于化學位移值很小，因此將它擴大10⁶倍。化學位移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分別為標準參考物和樣品中該核的共振頻率；H_s、H_x分別為標準參考物和樣品中該核共振所需的磁感應強度；ν₀為操作儀器選用的頻率，與ν_s相差很小。

測定化學位移的標準參考物是人為規定的，不同核素用不同標準物，目前公認用四甲基硅烷［（CH₃）₄Si，TMS］作為¹H及¹³C核的標準參考物，規定其δ為零，若采用其他標準參考物（如苯、氯仿、環己烷等），都必須換算成以TMS為零點的δ。

④影響化學位移的因素　化學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影響化學位移，包括誘導效應、共軛效應、磁各向異性效應（電子環流效應）、溶劑效應以及氫鍵作用等。

（2）峰面積與氫原子數

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之比。因此核磁共振譜不僅提供了各種不同H的化學位移，并且也表示了各種不同氫的數目之比。

共振峰的面積大小一般是用積分曲線高度法測出，是核磁共振儀上帶的自動分析儀對各峰的面積進行自動積分，得到的數值用階梯積分高度表示出來。積分曲線的畫法是由低場到高場（從左到右），從積分曲線起點到終點的總高度與分子中全部氫原子數目成比例。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生化學位移和裂分。這種使吸收峰分裂增多的現象稱為峰的裂分。由有機化合物的核磁共振譜可獲得質子所處化學環境的信息，進而可確定化合物的結構。

②自旋偶合　核磁共振峰的裂分是因為相鄰兩個碳上的質子之間的自旋偶合（自旋干擾）而產生的。這種由于鄰近不等性質子自旋的相互作用（干擾）而分裂成幾重峰的現象稱為自旋偶合。自旋偶合作用不影響化學位移，但對共振峰的形狀會產生重大影響，使譜圖變得復雜。但也為結構分析提供了更多的信息。

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

③裂分峰數與峰面積　某組環境相同的氫核，與n個環境相同的氫核（或I=1/2的核）偶合，裂分后的峰數是鄰近不等性質子數加一，這就是所謂裂分的n+1規律。它們的相對強度之比是二項式（a+b）ⁿ的展開系數。n+1規律只適合于互相偶合的質子的化學位移差遠大于偶合常數，即Δδ?J時的一級譜。其中J為偶合常數，它是相鄰兩裂分峰之間的距離，單位為赫茲（Hz）。在實際譜圖中，互相偶合的兩組峰強度會出現內側高、外側低的情況，稱為向心規則。利用向心規則，可以找到吸收峰間互相偶合的關系。某組環境相同的氫核，分別與n個和m個環境不同的氫核（或I=1/2的核）偶合，則被裂分為（n+1）（m+1）條峰（實際譜圖可能出現譜峰部分重疊，裂分峰數少于計算值）。

另外，峰面積與同類質子數成正比，僅能確定各類質子之間的相對比例。