6.1　方法原理

6.1.1　核磁共振波谱法的基本原理

（1）原子核的自旋与磁矩

核磁共振的研究对象是原子核，原子核是带正电粒子，其自旋运动会产生磁矩，具有自旋运动的原子核都具有一定的自旋量子数I，原子核可按I的值分为以下三类：①中子数和质子数均为偶数（I=0：如¹²C、¹⁶O、³²S）；②中子数和质子数之一为偶数，另一为奇数，则I为半整数（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中子数和质子数均为奇数，则I为整数（如I=1：²H（D）、⁶Li等；I=2：⁵⁸Co等；I=3：¹⁰B等）。①类原子核不能用核磁共振法进行研究，而②、③原子核是核磁共振的研究对象。其中，I=1/2的原子核，其电荷分布为球形，这样的原子核具有电四极矩（电四极矩就是在相隔一个很小的距离，排列着的两个大小相等方向相反的电偶极矩），其核磁共振谱线窄，最宜于用核磁共振检测。

原子核的磁矩取决于原子核的自旋角动量P，其大小

式中，h为普朗克（Planck）常数，h=6.626×10^-34 J·s；I为自旋量子数，凡I值非零的原子核即具有自旋角动量P，也就具有磁矩μ，μ与P之间的关系为：

μ= γP

式中，γ称为磁旋比，是原子核的重要属性。

（2）核磁共振现象的产生

以氢原子为例，由于氢原子是带电体，当氢原子自旋时，可生成一个磁场，因此，可以把一个自旋的原子核看作一块小磁铁。氢的自旋磁量子数m_s=±1/2。

原子的磁矩在无外磁场影响下，取向是紊乱的，在外磁场中，它的取向是量子化的，只有两种可能的取向，如图6-1所示。

当m_s=+1/2时，取向与外磁场方向相同，则为低能级（低能态）；当m_s=-1/2时，取向与外磁场方向相反，则为高能级（高能态）；两个能级间的能量差ΔE随外磁场强度H₀的增大而增大。该现象称为能级裂分，如图6-2所示。

ΔE与磁场强度（H₀）成正比。给处于外磁场的质子辐射一定频率的电磁波，当辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能量差（ΔE）时，质子就吸收电磁辐射的能量，从低能级跃迁至高能级，这种现象称核磁共振。原则上，凡是自旋量子数不等于零的原子核，都可发生核磁共振。

（3）弛豫过程

对磁旋比为γ的原子核外加一静磁场H₀时，原子核的能级会发生分裂。处于低能级的粒子数n₁将多于高能级的离子数n₂，这个比值用玻尔兹曼定律计算。由于能级差很小、n₁和n₂很接近，设温度为300K，外磁场强度为1.4029T（即14092G，相应于60MHz射频仪器的磁场强度），则

在射频作用下，n₁减少，n₂增加，当n₁=n₂时不再有净吸收，核磁共振信号消失，称作“饱和”，处于高能级的核通过某种途径把多余的能量传递给周围介质或其他核而返回低能态，这个过程即称为“弛豫”。

弛豫过程有两类，一类是纵向弛豫（自旋-晶格弛豫），即一些高能级的核把能量转移至周围的分子（固体的晶格，液体中周围的同类分子或溶剂分子）而转变成热运动，纵向弛豫反映了体系与环境的能量交换；另一类是横向弛豫（自旋-自旋弛豫），即一些高能级的核通过与低能级的核发生自旋交换而把能量转移至另一个核，横向弛豫并没有增加低能级的数目，而是缩短了核处于高能级或低能级的时间。类似于化学反应动力学中的一级反应，纵向弛豫和横向弛豫过程的快慢分别用1/T₁和1/T₂来描述。T₁叫纵向弛豫时间，T₂叫横向弛豫时间。

6.1.2　核磁共振波谱

（1）屏蔽效应和化学位移

①化学位移（Chemical Shift）　氢质子（¹H）用扫场的方法产生的核磁共振，理论上都在同一磁场强度（H₀）下吸收，只产生一个吸收信号。但分子中的各种氢因处于不同的环境，因而共振频率有所不同，在不同H₀下发生核磁共振，给出不同的吸收信号。

图6-3是乙醇分子使用低分辨率和高分辨率的核磁共振波谱仪得到的谱图。这种由于氢原子在分子中的化学环境不同，因而在不同共振磁场产生吸收峰的现象称为化学位移。

②屏蔽效应——化学位移产生的原因　分子中的原子核不是裸核，核外包围着电子云，在磁场作用下，核外电子会在垂直于外磁场的平面上绕核旋转，形成电子环流，同时产生对抗外磁场的感应磁场，如图6-4所示。

感应磁场的方向与外磁场相反，强度与外磁场强度H₀成正比。感应磁场在一定程度上减弱了外磁场对核的作用，这种感应磁场对外磁场的屏蔽作用称为电子屏蔽效应。通常用屏蔽常数σ来衡量屏蔽作用的强弱。核实际感受的磁场强度称为有效磁场强度，即

H=（1-σ）H₀

处于不同化学环境的质子，核外电子云分布不同，H值不同，核磁共振吸收峰出现的位置亦不同。在以扫频方式测定时，核外电子云密度大的质子，σ值大，吸收峰出现较低频；相反，核外电子云密度小的质子，吸收峰出现在较高频。若以扫场方式进行测定，则电子云密度大的质子吸收峰出现在较高场，电子云密度小的质子吸收峰出现在较低场。

③化学位移值　同一化学环境的核在不同磁感应强度下，共振频率是不同的，为消除漂移以及不同频源等因素对测量的影响，通常采用一个无量纲的相对差值来表示化学位移。由于化学位移值很小，因此将它扩大10⁶倍。化学位移δ（ppm）表示为

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分别为标准参考物和样品中该核的共振频率；H_s、H_x分别为标准参考物和样品中该核共振所需的磁感应强度；ν₀为操作仪器选用的频率，与ν_s相差很小。

测定化学位移的标准参考物是人为规定的，不同核素用不同标准物，目前公认用四甲基硅烷［（CH₃）₄Si，TMS］作为¹H及¹³C核的标准参考物，规定其δ为零，若采用其他标准参考物（如苯、氯仿、环己烷等），都必须换算成以TMS为零点的δ。

④影响化学位移的因素　化学位移是由核外电子云的屏蔽作用造成的，凡是影响核外电子云密度分布的各种因素都会影响化学位移，包括诱导效应、共轭效应、磁各向异性效应（电子环流效应）、溶剂效应以及氢键作用等。

（2）峰面积与氢原子数

在核磁共振谱图中，每一组吸收峰都代表一种氢，每种共振峰所包含的面积是不同的，其面积之比刚好是各种氢原子数之比。因此核磁共振谱不仅提供了各种不同H的化学位移，并且也表示了各种不同氢的数目之比。

共振峰的面积大小一般是用积分曲线高度法测出，是核磁共振仪上带的自动分析仪对各峰的面积进行自动积分，得到的数值用阶梯积分高度表示出来。积分曲线的画法是由低场到高场（从左到右），从积分曲线起点到终点的总高度与分子中全部氢原子数目成比例。各阶梯的高度比表示引起该共振峰的氢原子教之比。

（3）峰的裂分和自旋偶合

①峰的裂分　在高分辨率下吸收峰产生化学位移和裂分。这种使吸收峰分裂增多的现象称为峰的裂分。由有机化合物的核磁共振谱可获得质子所处化学环境的信息，进而可确定化合物的结构。

②自旋偶合　核磁共振峰的裂分是因为相邻两个碳上的质子之间的自旋偶合（自旋干扰）而产生的。这种由于邻近不等性质子自旋的相互作用（干扰）而分裂成几重峰的现象称为自旋偶合。自旋偶合作用不影响化学位移，但对共振峰的形状会产生重大影响，使谱图变得复杂。但也为结构分析提供了更多的信息。

自旋方式有两种：与外加磁场同向（↑）或异向（↓），因此它可使邻近的核感受到磁场强度的加强或减弱。这样就使邻近质子在半数分子中的共振吸收向低场移动，在半数分子中的共振吸收向高场移动。原来的信号裂分成强度相等的两个峰，即一组双重峰。两个裂分峰间的距离为偶合常数（J）。 若邻近有两个不等性核在自旋，那么这个信号就要裂分成三重峰，它们的强度比是1∶2∶1。同理，邻近有三个核在自旋时，信号将裂分成四重峰，其强度之比为1∶3∶3∶1。所以峰的裂分情况与邻近碳上的不等性质子数（n）有关。

③裂分峰数与峰面积　某组环境相同的氢核，与n个环境相同的氢核（或I=1/2的核）偶合，裂分后的峰数是邻近不等性质子数加一，这就是所谓裂分的n+1规律。它们的相对强度之比是二项式（a+b）ⁿ的展开系数。n+1规律只适合于互相偶合的质子的化学位移差远大于偶合常数，即Δδ≫J时的一级谱。其中J为偶合常数，它是相邻两裂分峰之间的距离，单位为赫兹（Hz）。在实际谱图中，互相偶合的两组峰强度会出现内侧高、外侧低的情况，称为向心规则。利用向心规则，可以找到吸收峰间互相偶合的关系。某组环境相同的氢核，分别与n个和m个环境不同的氢核（或I=1/2的核）偶合，则被裂分为（n+1）（m+1）条峰（实际谱图可能出现谱峰部分重叠，裂分峰数少于计算值）。

另外，峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。