化学位移

核磁共振图谱的解析

1.一般来说，分析核磁共振图谱需要按如下步骤进行：

（１）看峰的位置，即化学位移。确定该峰属于哪一个基团上的氢。

（２）看峰的大小。可用核磁共振仪给出的积分图的台阶高度看出各峰下面所包围的面积之比，从而知道基团含氢的数目比。例如，从图7.3-2的积分图可看出乙基苯三个基团的含氢数目为５∶２∶３。

（３）看峰的形状（包括峰的数目、宽窄情况等），以确定基团和基团之间的相互关系。这一步较复杂，需应用ｎ＋１律、二级分裂和耦合常数等知识。

（４）如遇到二级分裂，解析时显然要比一级分析时困难得多，好在人们已经根据不同的二级分裂，将它们分成不同的自旋系统进行了相应的计算可供参阅，这里不再详述。

2.影响核磁共振谱的因数

（１）旋转边峰

为了提高核磁共振信号的分辨能力，样品管需要吹风推动它旋转，使样品所受到的磁场趋于均匀化。但由于样品管旋转，核磁共振图谱上的主峰两旁便会对称地出现新峰，这就是旋转边峰。旋转边峰离主峰的距离等于样品管的旋转速度。

旋转边峰不难判断，只要改变样品管的转速，观察其离主峰的距离是否相应改变。如果距离随样品管转速增大而变大，便可断定是旋转边峰。

（２）13C同位素边峰

若样品中同时含有13C和1H者可以发生耦合。在图谱放大或者在非重氢溶剂的溶剂峰中可以观察到由于这种耦合产生的13C边峰。它在共振图谱上出现的形式和旋转边峰类似，也是左右对称地出现在主峰两旁，但两者很易识别，因为同位素边峰不会因样品管转速的改变而改变其离开主峰的距离。

（３）杂质峰和溶剂峰

在核磁共振图谱中，因样品含有杂质，经常可观察到杂质峰。

溶剂峰可包括结晶溶剂、样品中部分残留的合成或提取时所用的溶剂以及做核磁共振实验时所用溶剂的溶剂峰。

这两种附加峰都应根据具体情况作具体分析，然后判别之。

（４）活泼氢的影响

在含氢化合物中，—ＯＨ基团中的氢是常见的一种活泼氢。它的化学位移由于温度、浓度、氢键等因数的影响变化范围较大，从而会改变核磁共振图谱的形状。对于含—ＯＨ基团的样品，若纯度很高，—ＯＨ的交换速度就很慢，因而就可以观察到它与邻近氢所发生的耦合，如图7.3-3的乙醇中—ＯＨ中的氢可以表现为与邻位—ＣＨ２—的氢耦合而分裂成三重峰。若在乙醇中加入痕量的酸或碱，加快交换速度，三重峰立即变成单峰，见图３（ｂ）和图３（ｃ）所示。

另外，实验发现，在不同浓度的乙醇中（溶剂为ＣＣｌ４），—ＯＨ峰在核磁共振图谱上出现的位置可以变化很大。这是由于这种氢核的化学位移对氢键非常敏感的缘故。随着乙醇浓度的增大，—ＯＨ形成的氢键也就得到增强，导致其化学位移移向低场，而与此同时，—ＣＨ３和—ＣＨ２—峰的化学位移则变化非常小。

（５）样品溶液处理不当

例如，有些化合物会与溶剂发生反应，因此在测试时要临时新鲜配制的溶液而不能利用已放置很久的溶液，否则就会改变共振图谱的形状。另外，如溶液中有灰尘混入，测试时又未经过滤则易导致局部磁场的不均匀性，而使共振谱线加宽。若其中混有铁质，结果就更为严重，有时甚至会使谱线丧失所有细节，甚至达到不能辨认的程度。

张世远

实验原理

1.原子核的基本特性

原子是由原子核和核外运动的电子所组成的。原子核的电荷、质量、成分、大小、角动量和磁矩构成了它的基本性质。众所周知，原子核带正电，所带电量和核外电子的总电量相等，数值上等于最小电量单位ｅ（1.6021×10-19Ｃ）的整倍数，称为电荷数。原子核的质量一般用原子质量单位ｕ（1.66055×10-27ｋｇ）表示，这时，其质量均非常接近于一整数，被称为原子核的质量数。原子核由质子和中子这两种微观粒子所组成，它们的质量大致相等，但每个质子带正电量ｅ，而中子则不带电。因此，元素周期表中的原子序数ｚ同时可表示相应原子核外的电子数、核内质子数和核的电荷数。原子核的大小为１0－15ｍ的数量级。

原子核具有本征角动量，通常称为原子核的自旋，等于核内所有运动的角动量的总和。核自旋可用自旋量子数Ｉ来表征。核内的中子和质子都是Ｉ＝１／２的粒子。实验证明，如将原子核按其自旋特性来分类，则可分为三类：（１）电荷数（即原子序数）与质量数都为偶数的核，如12C 、18O 等，它们的自旋量子数为零；（２）质量数为单数的核，如1H 、13C 、15N 、 17O 、19F 、31P 等，它们的自旋量子数为半整数（１／２、３／２、５／２、……）；（３）质量数为双数，但电荷数（原子序数）为单数的核，如2H 、14N 等，它们的自旋量子数为整数（１、２、３、……）。

根据量子力学，一自旋量子数Ｉ≠0的孤立原子核应具有本征自旋角动量ＰI 和本征自旋磁矩

μI ：

N I I I g I I P μμ)1(,)1(11+=+=

ＰI 和μI 方向互相平行。式中，π2/h = ，ｈ为普朗克常数。ｇI 为原子核的朗德分裂因子，随原子核的不同而不同。这里，ｅ和ＭP 分别是质子的电荷与质量。1

2710050824.5)2/(--⨯==JT M e P N μ，称为核磁子，是核磁矩的单位。和电子磁矩的单位玻尔磁子1

2410274078.9)2/(--⨯==JT m e e B μ相比，μB 比μN 要大得多，相应地，电子磁矩也要比核磁矩大得多。

现在，设想该原子核位于沿ｚ方向的恒定磁场Ｈ0中，则ＰI 和μI 沿ｚ方向的分量Ｐz 、 μz 只能取一系列不连续的值：

N z N z z m P m P γγμ===,

式中，γN ＝μI ／ＰI 称为核的旋磁比。ｍ是磁量子数，可取Ｉ、Ｉ－１、Ｉ－２、……、－Ｉ＋１、－Ｉ等共２Ｉ＋１个不连续的值。

应该指出，人们通常所说的原子核的角动量和磁矩指的是Ｐz 和μz 的最大值，即 I I P P N z z γμμ====max max )()( )2()

1(

2.氢原子核（Ｈ１）在有机化合物中占有很重要的地位。它对磁场的敏感度最大，容易观察到满意的核磁共振信号，因而目前对它的研究最多，应用也最广泛。

氢原子核只包含一个质子，自旋量子数为Ｉ＝１／２，可以看成是电荷均匀分布于球面上