核磁共振分析-核磁共振波譜法

核磁共振譜能夠檢測、鑒定物質(zhì)樣品的分子結(jié)構(gòu)，在于譜圖反映了分子結(jié)構(gòu)中原子的種類、原子（核）的數(shù)量多少、它與與之相連的其它原子的相互關(guān)系、等等。核磁共振波譜法已在很多實驗室被廣泛應(yīng)用，今天咱們就聊一聊這個核磁共振譜的基礎(chǔ)知識。

核磁共振或簡稱NMR是一種用來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及物理特性的光譜學方法。

核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance，簡寫為NMR）與紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、質(zhì)譜被人們稱為“四譜”，是對各種有機和無機物的成分、結(jié)構(gòu)進行定性分析的最強有力的工具之一，亦可進行定量分析。

核磁共振與紫外、紅外吸收光譜一樣都是微觀粒子吸收電磁波后在不同能級上的躍遷。紫外和紅外吸收光譜是分子分別吸收波長為200~400nm和2.5~25μm的輻射后，分別引起分子中電子的躍遷和原子振動能級的躍遷。而核磁共振波譜中是用波長很長（約106~109 μm，在射頻區(qū)）、頻率為兆赫數(shù)量級、能量很低的電磁波照射分子，這時不會引起分子的振動或轉(zhuǎn)動能級的躍遷，更不會引起電子能級的躍遷。但這種電磁波能與處在強磁場中的磁性原子核相互作用，引起磁性的原子核在外磁場中發(fā)生磁能級的共振躍遷，從而產(chǎn)生吸收信號。這種原子核對射頻電磁波輻射的吸收就稱為核磁共振波譜。

原理

在強磁場中，某些元素的原子核和電子能量本身所具有的磁性，被分裂成兩個或兩個以上量子化的能級。吸收適當頻率的電磁輻射，可在所產(chǎn)生的磁誘導能級之間發(fā)生躍遷。在磁場中，這種帶核磁性的分子或原子核吸收從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的兩個能級差的能量，會產(chǎn)生共振譜，可用于測定分子中某些原子的數(shù)目、類型和相對位置。

凡是質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)之一是奇數(shù)的核， I 均不為零，亦即有自旋現(xiàn)象；

只有質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均為偶數(shù)的核的 I 才為零，亦即沒有自旋現(xiàn)象，不會產(chǎn)生核磁共振吸收，這類核在核磁共振研究上是沒有意義的。

吸收（或發(fā)射）光譜，檢測分子中某種原子核對射頻的吸收。

只有自旋量子數(shù)（ I ）不為零的核才有NMR信號

I =1 或 I >1的原子核，這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復雜，研究應(yīng)用較少；

I =1/2的原子核，原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機化合物的主要組成元素 （1H，13C，15N，19F，31P）

原子核的自旋態(tài)是量子化的:

m = I , ( I - 1), ( I - 2), … , - I （m 為磁量子數(shù)）

對于 1H, 13C, 15N, 31P （生物相關(guān)的核）:

m = 1/2, -1/2

這表明這些核只有兩種狀態(tài)（能級）.

原子核另一個重要的參數(shù)是磁矩（m）:

磁矩是一個矢量，它給出了“原子核磁體”的方向和大?。◤姸龋?/span>

不同的原子核具有不同的磁矩

核磁共振條件

(1) 核有自旋(磁性核)

(2) 外磁場,能級裂分;

(3) 進動頻率與外磁場的比值

自由感應(yīng)衰減（FID）

在實際的樣品中可能存在數(shù)以百計的自旋系統(tǒng)，它們的共振頻率各不相同。我們用射頻脈沖同時激發(fā)所有的頻率，接收線圈會同時檢測到所有頻率的信號。我們看到的結(jié)果是所有信號的疊加，這就是FID信號。

對FID信號進行FT處理就可以得到NMR譜圖。

分 類

NMR波譜按照測定對象分類可分為：1H-NMR譜（測定對象為氫原子核）、13C-NMR譜及氟譜、磷譜、氮譜等。有機化合物、高分子材料都主要由碳氫組成，所以在材料結(jié)構(gòu)與性能研究中，以1H譜和13C譜應(yīng)用最為廣泛。

NMR波譜按工作方式可分為兩種：

1、 連續(xù)波核磁共振譜儀(CW-NMR)射頻振蕩器產(chǎn)生的射頻波按頻率大小有順序地連續(xù)照射樣品，可得到頻率譜；

2、脈沖傅立葉變換譜儀（PET-NMR）射頻振蕩器產(chǎn)生的射頻波以窄脈沖方式照射樣品，得到的時間譜經(jīng)過傅立葉變換得出頻率譜。

連續(xù)波核磁共振譜儀由磁場、探頭、射頻發(fā)射單元、射頻、磁場掃描單元、 射頻檢測單元、數(shù)據(jù)處理儀器控制六個部分組成。

磁鐵用來產(chǎn)生磁場，主要有三種：

頻率大的儀器，分辨率好、靈敏度高、圖譜簡單易于分析。

應(yīng) 用

除了運用在醫(yī)學成像檢查方面，在分析化學和有機分子的結(jié)構(gòu)研究及材料表征中運用最多。

1、有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定

一般根據(jù)化學位移鑒定基團；由耦合分裂峰數(shù)、偶合常數(shù)確定基團聯(lián)結(jié)關(guān)系；根據(jù)各H峰積分面積定出各基團質(zhì)子比。核磁共振譜可用于化學動力學方面的研究，如分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，化學交換等，因為它們都影響核外化學環(huán)境的狀況，從而譜圖上都應(yīng)有所反映。

2、高分子材料的NMR成像技術(shù)

核磁共振成像技術(shù)已成功地用來探測材料內(nèi)部的缺陷或損傷，研究擠塑或發(fā)泡材料，粘合劑作用，孔狀材料中孔徑分布等?？梢员挥脕砀倪M加工條件，提高制品的質(zhì)量。

3、多組分材料分析

材料的組分比較多時，每種組分的 NMR 參數(shù)獨立存在，研究聚合物之間的相容性，兩個聚合物之間的相同性良好時，共混物的馳豫時間應(yīng)為相同的，但相容性比較差時，則不同，利用固體 NMR 技術(shù)測定聚合物共混物的馳豫時間，判定其相容性，了解材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及性能優(yōu)異性。

此外，在研究聚合物還用于研究聚合反應(yīng)機理、高聚物序列結(jié)構(gòu)、未知高分子的定性鑒別、機械及物理性能分析等等 。

樣品制備

1、樣品量

不同場強需要的樣品量不同，如300兆核磁、分子量是幾百的樣品，測氫譜大約需要2mg以上的樣品，測碳譜大約需要10mg以上。600兆核磁測氫譜大約需要幾百微克。

2、氘代試劑的選擇

因為測試時溶劑中的氫也會出峰，溶劑的量遠遠大于樣品的量，溶劑峰會掩蓋樣品峰，所以用氘取代溶劑中的氫，氘的共振峰頻率和氫差別很大，氫譜中不會出現(xiàn)氘的峰，減少了溶劑的干擾。 在譜圖中出現(xiàn)的溶劑峰是氘的取代不完全的殘留氫的峰。另外，在測試時需要用氘峰進行鎖場。

由于氘代溶劑的品種不是很多，要根據(jù)樣品的極性選擇極性相似的溶劑，氘代溶劑的極性從小到大是這樣排列的：苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亞砜、吡啶、甲醇、水。 還要注意溶劑峰的化學位移，最好不要遮擋樣品峰。

3、 是否必須加TMS

測試樣品加TMS(四甲基硅烷)是作為定化學位移的標尺，也可以不加TMS而用溶劑峰作標尺。

譜 圖 分 析

1、解析核磁共振氫譜

首先，確定孤立甲基及類型，以孤立甲基峰面積的積分高度，計算出氫分布；

其次，是解析低場共振吸收峰（如醛基氫、羰基氫等），因這些氫易辨認，根據(jù)化學位移，確定歸屬；

最后，解析譜圖上的高級偶合部分，根據(jù)偶合常數(shù)、峰分裂情況及峰型推測取代位置、結(jié)構(gòu)異構(gòu)、立體異構(gòu)等二級結(jié)構(gòu)信息。

2、解析核磁共振碳譜

一般先查看全去偶碳譜上譜線數(shù)與分子式中所含碳數(shù)是否相同？數(shù)目相同說明每個碳的化學環(huán)境都不同，分子無對稱性；數(shù)目不相同（少）說明有碳的化學環(huán)境相同，分子有對稱性；然后由偏共振譜，確定與碳偶合的氫數(shù)；最后由各碳的化學位移，確定碳的歸屬。

3、結(jié)合應(yīng)用碳譜和氫譜

C譜和H譜可互相補充。H譜不能測定不含氫的官能團，如羰基和氰基等；對于含碳較多的有機物，如甾體化合物，常因烷氫的化學環(huán)境相似，而無法區(qū)別，這是氫譜的弱點；而碳譜彌補了氫譜的不足，它能給出各種含碳官能團的信息，幾乎可分辨每一個碳核，能給出豐富的碳骨架信息。但是普通碳譜的峰高常不與碳數(shù)成正比是其缺點，而氫譜峰面積的積分高度與氫數(shù)成正比，因此二者可互為補充。

4、如何計算偶合常數(shù)？

在網(wǎng)上有這樣一個求助帖：請教偶合常數(shù)的計算， 比如 ：—OCH2CH3 這兩個碳上的氫之間的化學位移差值一般超過2了，400M核磁，那再乘以400的話，偶合常數(shù)豈不是快一千了？

首先我們得搞明白偶合常數(shù)的定義：自旋偶合會產(chǎn)生共振峰的分裂后，兩裂分峰之間的距離（以Hz為單位）稱為偶合常數(shù)。不是兩組氫之間化學位移的差值，而是一組峰中相鄰兩個峰之間的化學位移的差值！

可以從偶合常數(shù)看出基團間的關(guān)系，鄰位偶合常數(shù)較大，遠程偶合常數(shù)較小。還可以利用Kapulus公式計算鄰位氫的二面角。對于有雙鍵的化合物，順式的氫之間偶合常數(shù)為6～10Hz，反式的氫之間偶合常數(shù)為12～16Hz。

核磁使用常見問題

1、NMR能做什么？

NMR（核磁共振波譜法）是研究原子核對射頻輻射的吸收，是對各種有機和無機物的成分、結(jié)構(gòu)進行定性分析的最強有力的工具之一，有時亦可進行定量分析。

核磁共振是有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定的一個重要手段,一般根據(jù)化學位移鑒定基團；由偶合分裂峰數(shù)、偶合常數(shù)確定基團聯(lián)結(jié)關(guān)系；根據(jù)各H峰積分面積定出各基團質(zhì)子比。核磁共振譜可用于化學動力學方面的研究，如分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，化學交換等。核磁共振還用于研究聚合反應(yīng)機理和高聚物序列結(jié)構(gòu)。二維核磁共振譜已經(jīng)可以解析分子量較小的蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。

核磁共振譜是有機化學家們心目中的“四大名譜”之一（包括：紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜）。H譜、C譜是應(yīng)用量廣泛的核磁共振譜，較常用的還有F、P、N等核磁共振譜。

2、怎么解析核磁共振氫譜？

一般先確定孤立甲基及類型，以孤立甲基峰面積的積分高度，計算出氫分布；其次是解析低場共振吸收峰（如醛基氫、羰基氫等），因這些氫易辨認，根據(jù)化學位移，確定歸屬；最后解析譜圖上的高級偶合部分，根據(jù)偶合常數(shù)、峰分裂情況及峰型推測取代位置、結(jié)構(gòu)異構(gòu)、立體異構(gòu)等二級結(jié)構(gòu)信息。

3、怎么解析核磁共振碳譜？

一般先查看全去偶碳譜上譜線數(shù)與分子式中所含碳數(shù)是否相同？數(shù)目相同說明每個碳的化學環(huán)境都不同，分子無對稱性；數(shù)目不相同（少）說明有碳的化學環(huán)境相同，分子有對稱性；然后由偏共振譜，確定與碳偶合的氫數(shù)；最后由各碳的化學位移，確定碳的歸屬。

4、怎么結(jié)合應(yīng)用碳譜和氫譜？

C譜和H譜可互相補充。H譜不能測定不含氫的官能團，如羰基和氰基等；對于含碳較多的有機物，如甾體化合物，常因烷氫的化學環(huán)境相似，而無法區(qū)別，這是氫譜的弱點；而碳譜彌補了氫譜的不足，它能給出各種含碳官能團的信息，幾乎可分辨每一個碳核，能給出豐富的碳骨架信息。但是普通碳譜的峰高常不與碳數(shù)成正比是其缺點，而氫譜峰面積的積分高度與氫數(shù)成正比，因此二者可互為補充。

5、元素周期表中所有元素都可以測出核磁共振譜嗎？

不是。首先，被測的原子核的自旋量子數(shù)要不為零；

其次，自旋量子數(shù)最好為1/2（自旋量子數(shù)大于1的原子核有電四極矩，峰很復雜）；

第三，被測的元素（或其同位素）的自然豐度比較高（自然豐度低，靈敏度太低，測不出信號）。

6、怎么在H譜中更好的顯示活潑氫？

與O、S、N相連的氫是活潑氫，想要看到活潑氫一定選擇氘代氯仿或DMSO做溶劑。在DMSO中活潑氫的出峰位置要比CDCl3中偏低場些?；顫姎溆捎谑軞滏I、濃度、溫度等因素的影響，化學位移值會在一定范圍內(nèi)變化，有時分子內(nèi)的氫鍵的作用會使峰型變得尖銳。

7、怎么做重水交換？

為了確定活潑氫，要做重水交換。方法是：測完樣品的氫譜后，向樣品管中滴幾滴重水（不宜加入過多，一般1-2滴即可），振搖一下，再測氫譜，譜中的活潑氫就消失了。醛氫和酰胺類的氨基氫交換得很慢，需要長時間放置再測譜或者用電吹風加熱一下，放置一會再進行檢測。此時會發(fā)現(xiàn)譜圖中水峰信號增強，在CDCl3中此時的HDO峰會在4.8ppm的位置。此外，甲醇和三氟醋酸都有重水交換作用，看不到活潑氫的峰。

8、解析合成化合物的譜、植物中提取化合物的譜和未知化合物的譜，思路有什么不同？

合成化合物的結(jié)果是已知的，只要用譜和結(jié)構(gòu)對照就可以知道化合物和預定的結(jié)構(gòu)是否一致。對于植物中提取化合物的譜，首先應(yīng)看是哪一類化合物，然后用已知的文獻數(shù)據(jù)對照，看是否為已知物，如果文獻中沒有這個數(shù)據(jù)則繼續(xù)測DEPT譜和二維譜，推出結(jié)構(gòu)。對于一個全未知的化合物，除測核磁共振外，還要結(jié)合質(zhì)譜、紅外、紫外和元素分析，一步步推測結(jié)構(gòu)。

9、配制樣品為什么要用氘代試劑？怎樣選擇氘代試劑？

因為測試時溶劑中的氫也會出峰，溶劑的量遠遠大于樣品的量，溶劑峰會掩蓋樣品峰，所以用氘取代溶劑中的氫，氘的共振峰頻率和氫差別很大，氫譜中不會出現(xiàn)氘的峰，減少了溶劑的干擾。在譜圖中出現(xiàn)的溶劑峰是氘的取代不完全的殘留氫的峰。另外，在測試時需要用氘峰進行鎖場。

由于氘代溶劑的品種不是很多，要根據(jù)樣品的極性選擇極性相似的溶劑，氘代溶劑的極性從小到大是這樣排列的：苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亞砜、吡啶、甲醇、水。還要注意溶劑峰的化學位移，最好不要遮擋樣品峰。

現(xiàn)在已經(jīng)研究清楚、大量使用的核磁共振譜有：核磁共振氫譜、碳譜、氟譜、磷譜、氮-15(N-15)譜、氮-14譜、等等。

用到核磁共振氫譜以確定有機化合物的含氫基團的類別的數(shù)量、每類含氫基團的氫原子個數(shù)比例、這些含氫基團的可能結(jié)構(gòu)組成、同時能夠間接反映與這些含氫基團相連的-O-、-N-、-C=O、-COO-、等等的信息；

在核磁共振氫譜、核磁共振碳譜的測定中，還有可利用的許多現(xiàn)代測定技術(shù)對樣品進行更深入的測試，如多脈沖譜、多維二維譜等等，以利于推導化合物的分子結(jié)構(gòu)甚至幾何異構(gòu)。

最后附上常見雜質(zhì)核磁化學位移表：

氫譜

碳譜

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