第十六章 核磁共振波谱法
Nuclear
Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR
将自旋核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法。常用的核磁共振谱有两种：核磁共振氢谱（1H－NMR）和核磁共振碳谱（
核磁共振现象是1946年由Harvard大学的爱德华·珀塞尔（E.Purcell）和Stanford大学的费利克斯·布洛赫（F.Bloch）首次分别独立发现的，由于该项工作，他们两人分享了1952年的诺贝尔物理奖。1953年第一台商品化NMR谱仪问世。七十年代末，高强超导磁场核磁共振技术及脉冲－傅里叶核磁共振波谱仪的问世，极大地推动了NMR技术的发展，使得对低丰度、弱磁旋比的磁性核(如
16.1 核磁共振基本原理
有自旋现象的原子核，应具有自旋角动量（P）。由于原子核是带正电粒子，故在自旋时产生磁矩
。磁矩的方向可用右手定则确定。磁矩和角动量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比地增加：
（16.1）
式中
为磁旋比。不同的核具有不同的磁旋比。
核的自旋角动量是量子化的，可用自旋量子数I表示。P的数值与I的关系如下：
（16.2）
I可以为0，
，
，
，……等值。很明显，当I =0时，P=0，即原子核没有自旋现象。只有当I >0时，原子核才有自旋角动量和自旋现象。
实验证明，自旋量子数I与原子的质量数（A）及原子序数（Z）有关，如表16.1所示。从表中可以看出，质量数和原子序数均为偶数的核，自旋量子数I=0，即没有自旋现象。当自旋量子数
时，核电荷呈球形分布于核表面，它们的核磁共振现象较为简单，是目前研究的主要对象。属于这一类的主要原子核有
、
、
、
、
。其中研究最多、应用最广的是
和
核磁共振谱。
表16.1 自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系
|
质量数A |
原子序数Z |
自旋量子数I |
自旋核电荷 分布 |
NMR信号 |
原子核 |
|
偶数 |
偶 数 |
0 |
— |
无 |
|
|
奇数 |
奇或偶数 |
|
呈球形 |
有 |
|
|
奇数 |
奇或偶数 |
|
扁平椭圆形 |
有 |
|
|
偶数 |
奇 数 |
1，2，3 |
伸长椭圆形 |
有 |
|
若将自旋核放入场强为B0的磁场中，由于磁矩与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同的取向。按照量子力学原理，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量子数m描述之。m可取下列数值：
自旋量子为I的核在外磁场中可有（2I+1）个取向，每种取向各对应有一定的能量。对于具有自旋量子数I和磁量子数m的核，量子能级的能量可用下式确定：
（16.3）
式中B0是以T为单位的外加磁场强度，
是一个常数，称为核磁子，等于5.049×10-27J•T-1;是以核磁子单位表示的核的磁矩，质子的磁矩为
。
1H在外加磁场中只有
及
两种取向，这两种状态的能量分别为：
当
当
对于低能态（），核磁矩方向与外磁场同向；对于高能态（），核磁矩与外磁方向相反，其高低能态的能量差应由下式确定：
（16.4）
一般来说，自旋量子数I的核，其相邻两能级之差为
（16.5）
如果以射频照射处于外磁场B0中的核，且射频频率
恰好满足下列关系时：
或 
（16.6）
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态。这种现象称为核磁共振现象。
由（16.6）式可知：
（1）对自旋量子数的同一核来说，因磁矩为一定值，和h又为常数，所以发生共振时，照射频率的大小取决于外磁场强度B0的大小。在外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也应相应增加；反之，则减小。例如，若将
核放在磁场强度为1.4092T的磁场中，发生核磁共振时的照射频率必须为
如果将1H放入场强为4.69T磁场中，则可知共振频率
应为200MHz。
（2）对的不同核来说，若同时放入一固定磁场强度的磁场中，则共振频率取决于核本身的磁矩的大小。大的核，发生共振时所需的照射频率也大；反之，则小。例如，1H核、
（3）同理，若固定照射频率，改变磁场强度，对不同的核来说，磁矩大的核，共振所需磁场强度将小于磁矩小的核。例如，
，则
。表16.2列出了常见核的某些物理数据。
表16.2 几种原子核的某些物理数据
|
核 |
自然界丰度 /% |
4.69T磁场中NMR频率/MHz |
磁矩 （核磁子） |
自旋 （I） |
相对灵敏度 |
|
|
99.98 |
200.00 |
2.7927 |
1/2 |
1.000 |
|
|
1.11 |
50.30 |
0.7021 |
1/2 |
0.016 |
|
|
100 |
188.25 |
2.6273 |
1/2 |
0.83 |
|
|
100 |
81.05 |
1.1305 |
1/2 |
0.066 |
如前所述，核在磁场作用下，被分裂为和两个能级，处在较稳定的
能级的核数比处在
能级的核数稍多一点。处于高、低能态核数的比例服从波尔兹曼分布：
（16.7）
式中
和
分别代表处于高能态和低能态的氢核数，
是两种能态的能级差，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度。若将106个质子放入温度为
则处于高、低能级的核分别为：
即处于低能级的核比处于高能级的核只多16个。
若以合适的射频照射处于磁场的核，核吸收外界能量后，由低能级跃迁到高能态，其净效应是吸收，产生共振信号。此时，核核磁共振波谱法的波尔兹曼分布被破坏。当数目稍多的低能级核跃迁至高能态后，从→的速率等于从→的速率时，试样达到“饱和”，不能再进一步观察到共振信号。为此，被激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去，使核从高能态降回到原来的低能态，产生弛豫过程。就是说，弛豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。否则，信号一旦产生，将很快达到饱和而消失。由于核外被电子云包围，所以它不可能通过核间的碰撞释放能力，而只能以电磁波的形式将自身多余的能量向周围环境传递。在NMR中有两种重要的弛豫过程：即自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。
自旋-晶格弛豫，又称纵向弛豫。自旋核都是处在所谓晶格包围之中。核外围的晶格是指同分子或其它分子中的磁性核（如带有未成对电子的原子、分子和铁磁性物质等）。晶格中的各种类型磁性质点对应于共振核作不规则的热运动，形成一频率范围和很大的杂乱的波动磁场，其中必然存在有与共振频率相同的频率成分，高能态的核可通过电磁波的形式将自身能量传递到周围的运动频率与之相等的磁性粒子（晶格），故称为自旋-晶格弛豫。
自旋-自旋弛豫，又称横向弛豫。它是指邻近的二个同类的磁等价核处在不同的能态时，它们之间可以通过电磁波进行能量交换，处于高能态的核将能量传递给低能态的核后弛豫带低能级，这时系统的总能量显然未发生改变，但此核处在某一固定能态的寿命却因此变短。
16.2 核磁共振波谱主要参数
由式（16.6）可知，质子的共振频率，由外部磁场强度和核的磁矩决定。其实，任何原子核都被电子所包围，在外磁场作用下，核外电子会产生环电流，并感应产生一个与外磁场方向相反的次级磁场，如图16.1所示。这种对抗外磁场的作用称为电子的屏蔽效应。由于电子的屏蔽效应，使某一个质子实际上受到的磁场强度，不完全与外磁场强度相同。此外，分子中处于不同化学环境中的质子，核外电子云的分布情况也各异，因此，不同化学环境中的质子，受到不同程度的屏蔽作用。在这种情况下，质子实际上受到的磁场强度B，等于外加磁场B0减去其外围电子产生的次级磁场B'，其关系可用下表示：
（16.8）
由于次级磁场的大小正比于所加的外磁场强度，即
故上式可写成：
（16.9）
式中
为屏蔽常数。它与原子核外的电子云密度及所处的化学环境有关。电子云密度越大，屏蔽程度越大。值也大。反之，则小。
当氢核发生核磁共振时，应满足如下关系：
或
（16.10）
因此，屏蔽常数不同的质子，其共振峰将分别出现在核磁共振谱的不同磁场强度区域。若固定照射频率，大的质子出现在高磁场处，而小的质子出现在低磁场处，据此我们可以进行氢核结构类型的鉴定。
在有机化合物中，化学环境不同的氢核化学位移的变化，只有百万分之十左右。如选用60MHz的仪器，氢核发生共振的磁场变化范围为
；如选用1.4092T的核磁共振仪扫频，则频率的变化范围相应为
。在确定结构时，常常要求测定共振频率绝对值的准确度达到正负几个赫兹。要达到这样的精确度，显然是非常困难的。但是，测定位移的相对值比较容易。因此，一般都以适当的化合物（如四甲基硅烷，TMS）为标准试样，测定相对的频率变化值来表示化学位移。目前最常用的标准试样为TMS，人为地把它的化学位移定位零。用TMS为标准是由于下列几个原因：首先，TMS中的所有氢核所处的化学环境相同，其共振信号只有一个峰；其次，由于硅的电负性比碳小，TMS中的氢核外电子云密度比一般的有机化合物的大，绝大部分有机化合物的核的吸收峰不会与TMS峰重合；第三，TMS化学性质不活泼，与试样之间不发生化学反应和分子缔合；第四，TMS沸点很低（
从式（16.6）可以知道，共振频率与外部磁场呈正比。例如，若用60MHz仪器测定1，1，2-三氯丙烷时，其甲基质子的吸收峰与TMS吸收峰相隔134Hz；若用100MHz仪器测定时，则相隔233Hz。为了消除磁场强度变化所产生的影响，以使在不同核磁共振仪上测定的数据统一，通常用试样和标样共振频率之差与所用仪器频率的比值
来表示。在理论上可将化学位移（δ）定义为
（16.11）
式中，和
分别为试样中质子的化学位移及共振频率；
是TMS的共振频率（一般=0）；
是试样与TMS的共振频率差；
是操作仪器选用的频率。
不难看出，用表示化学位移，就可以使不同磁场强度的核磁共振仪测得的数据统一起来。例如，用60MHz和100MHz仪器上测得的1，1，2-三氯丙烷中甲基质子的化学位移均为2.23。
早期文献中用
表示化学位移值，与的关系可用下式表示
（16.12）
TMS的信号在用表示时为0，在用表示时为10。
化学位移是由于核外电子云产生的对抗磁场所引起的，因此，凡是使核外电子云密度改变的因素，都能影响化学位移。影响因素有内部的，如诱导效应、共轭效应和磁的各向异性效应等；外部的如溶剂效应、氢键的形成等。
(1) 诱导效应 一些电负性基团如卤素、硝基、氰基等，具有强烈的吸电子能力，它们通过诱导作用使与之邻接的核的外围电子云密度降低，从而减少电子云对该核的屏蔽，使核的共振频率向低场移动。一般说来，在没有其它影响因素存在时，屏蔽作用将随相邻基团的电负性的增加而减小，而化学位移（δ）则随之增加。例如F的电负性（4.0）远大于Si的电负性（1.8），在CH
中质子化学位移为0。
(2) 共轭效应 共轭效应同诱导效应一样，也会使电子云的密度发生变化。例如在化合物乙烯醚(Ⅰ),乙烯(Ⅱ)及
不饱和酮(Ⅲ)中，若以(Ⅱ)为标准(δ= 5.28)来进行比较，则可以清楚地看到，乙烯醚上由于存在p-π共轭，氧原子上未共享的p电子对向双键方向推移，使β-H的电子云密度增加，造成β-H化学位移移至高场(δ= 3.57和δ= 3.99)。另一方面，在不饱和酮中，由于存在π-π共轭，电负性强的氧原子把电子拉向自己一边，使β-H的电子云密度降低，因而化学位移移向低场（δ 5.50和δ 5.87）。
(3) 磁的各向异性效应 在外磁场的作用下，核外的环电子流产生了次级感生磁场，由于磁力线的闭合性质，感生磁场在不同部位对外磁场的屏蔽作用不同，在一些区域中感生磁场与外磁场方向相反，起抗外磁场的屏蔽作用，这些区域为屏蔽区，处于此区的δ小，共振吸收在高场（或低频）；而另一些区域中感生磁场与外磁场的方向相同，起去屏蔽作用，这些区域为去屏蔽区，外于此区的δ变大，共振吸收在低场（高频）。这种作用称为磁的各向异性效应。磁的各向异性效应只发生在具有
电子的基团，它是通过空间感应磁场起作用的，涉及的范围较大，所以又称为远程屏蔽。
例如苯环，苯分子是一个六元环平面，形成大键，电子云分布在苯分子平面的上下，当苯分子平面与外磁场H0垂直时，在苯分子平面的上、下方形成环电子流，产生次级感应磁场，因此在苯分子周围空间中分成了屏蔽区（分子平面上下圆锥内的外磁场减弱，用“+”表示）和去屏蔽区（圆锥外的外磁场强度增强，用“－”表示）如图16.1 (a)所示，可见，苯环上的处在去屏蔽区，δ较大（约为7左右），共振信号出现在低场。而苯环上有取代基时，由于基团竖起，基团上的处于屏蔽区，δ较小，共振信号出现在高场。当苯分子平面与外磁场方向平行时，不产生环电子流，因此不产生次级感应磁场，不发生磁的各向异性效应。在溶液中苯分子平面的取向是随机的，分子运动的总体平均化结果，使苯分子表现出磁的各向异性效应。乙烯分子中的π电子分布在σ键所在平面的上、下方，感应磁场将空间分成的屏蔽区和去屏蔽区如图16.1（b）所示。可见，处于一个平面上的四个位于去屏蔽区，与乙烷相比，δ较大（约为5.28）,共振信号出现在低场。醛的情况与乙烯类似，而加上氧的诱导效应，使醛基上的δ很大（约为9.7）。而乙炔的情况有些不同，乙炔为线形分子，π电子云是围绕C≡C键轴呈对称圆筒状，当C≡C轴与外磁场平行时，感生磁场所形成的两区如图16.1 (c)所示，可见其处在屏蔽区，δ比烯小得多（约为2.88），共振信号出现在高场。
图16.1 苯(a), 乙烯（b），乙炔（c）的各向异性效应
(4) 氢键 当分子形成氢键时，氢键中质子的信号明显地移向低磁场，化学位移变大。一般认为这是由于形成氢键时，质子周围的电子云密度降低所致。
对于分子间形成的氢键，化学位移的改变与溶剂的性质以及浓度有关。在惰性溶剂的稀溶液中，可以不考虑氢键的影响。这时各种羟基显示它们固有的化学位移。但是，随着浓度的增加，它们会形成氢键。例如，正丁烯-2-醇的质量分数从1%增至纯液体时，羟基的化学位移从=1增至=5，变化了4个单位。对于分子内形成的氢键，其化学位移的变化与溶液浓度无关，只取决于它自身的结构。
总之，化学位移这一现象使化学家们可以获得关于电负性、键的各向异性及其他一些基本信息，对确定化合物的结构起了很大作用。关于化学位移与结构的关系，前人已做了大量的实验，并已总结成表。表16.3列出了各种常见特征质子的化学位移。
表16.3 各种常见的特征原子化学位移
|
质子类型 |
化学位移 |
质子类型 |
化学位移 |
|
(CH3)4Si,(TMS) |
0.0 |
HO—CH |
3.4～4.0 |
|
R—CH3 |
0.9 |
RO—CH |
3.3～4.0 |
|
2CH R 2 |
1.3 |
RCOO—CH |
3.7～4.1 |
|
R3CH |
1.5 |
ROOC—CH |
2.0～2.2 |
|
C=C—H |
4.6～5.9 |
HOOC—CH |
2.0～2.6 |
|
|
2.0～3.0 |
O=C—CH |
2.0～2.7 |
|
Ar—H |
6.0～8.5 |
RCHO |
9.0～10 |
|
Ar—C—H |
2.2～3.0 |
RO—H |
1.0～5.5 |
|
C=C—CH3 |
1.7 |
ArO—H |
4.0～12 |
|
F—C—H |
4.0～4.5 |
C=C—OH |
15～17 |
|
Cl—C—H |
3.0～4.0 |
RCOOH |
10.5～12 |
|
Br—C—H |
2.5～4.0 |
R—NH2 |
1.0～5.0 |
|
I—C—H |
2.0～4.0 |
Ar—NH2 |
3.0～6.0 |
|
N—CH3 |
2.3 |
RCONH2 |
5.0～12 |
从用低分辨率和高分辨率核磁共振仪所测得的乙醇(CH3-CH2-OH)核磁共振谱可看出，乙醇出现三个峰，它们分别代表-OH，-CH2-和-CH3，其峰面积之比为1：2：3。而在高分辨核磁共振谱图中，能看到-CH2-和-CH3分别分裂为四重峰和三重峰，而且多重峰面积之比接近于整数比。-CH3的三重峰面积之比为1：2：1，-CH2的四重峰面积之比为1：3：3：1。
氢核在磁场中有两种自旋取向，用α表示氢核与磁场方向一致的状态，用β表示与磁场方向相反的状态。乙基中的两个氢可以与磁场方向相同，也可以与磁场方向相反。它们的自旋组合一共有四种（αα, αβ,
βα, ββ），但只产生三种局部磁场。亚甲基所产生的这三种局部磁场，要影响邻近甲基上的质子所受到的磁场作用，其中αβ 和βα两种状态（Ⅱ）产生的磁场恰好互相抵消，不影响甲基质子的共振峰，αα(I)状态的磁矩与外磁场一致，很明显，这时要使甲基质子产生共振所需的外加磁场较(Ⅱ)时为小；相反, ββ(Ⅱ)磁矩与外磁场方向相反，因此要使甲基质子发生共振所需的外加磁场较（Ⅱ）为大，其大小与（Ⅰ）的情况相等，但方向相反。这样，亚甲基的两个氢所产生的三种不同的局部磁场，使邻近的甲基质子分裂为三重峰。由于上述四种自旋组合的概率相等，因此三重峰的相对面积比为1：2：1。
同理，甲基上的三个氢可产生四种不同的局部磁场，反过来使邻近的亚甲基分裂为四重峰。根据概率关系，可知其面积比近似为1：3：3：1。
上述这种相邻核的自旋之间的相互干扰作用称为自旋-自旋偶合。由于自旋偶合，引起谱峰增多，这种现象叫做自旋-自旋分裂。应该指出，这种核与核之间的偶合，是通过成键电子传递的，不是通过自由空间产生的。
自旋偶合产生峰的分裂后，两峰间的间距称为偶合常数，用J表示，单位是Hz。J的
大小，表示偶合作用的强弱。与化学位移不一样，J不因外磁场的变化而改变；同时，它受外界条件如溶剂、温度、浓度变化等的影响也很小。
由于偶合作用是通过成键电子传递的，因此，J值的大小与两个（组）氢核之间的键数有关。随着键数的增加，J值逐渐变小。一般说来，间隔3个单键以上时，J趋近于零，即此时的偶合作用可以忽略不计。
在核磁共振谱中，有相同化学环境的核具有相同的化学位移。这种有相同化学位移的
核称为化学等价。例如，在苯环上，六个氢的化学位移相同，它们是化学等价的。
所谓磁等价是指分子中的一组氢核，其化学位移相同，且对组外任何一个原子核的偶合常数也相同。例如，在二氟甲烷中，H1和H2质子的化学位移相同，并且它们对F1或F2的偶合常数也相同，即
，
，因此，H1和H2称为磁等价核。应该指出，它们之间虽有自旋干扰，但并不产生峰的分裂；而只有磁不等价的核之间发生偶合时，才会产生峰的分裂。
化学等价的核不一定是磁等价的，而磁等价的核一定是化学等价的。例如，在二氟乙烯中，两个
和两个
虽然环境相同，是化学等价的，但是由于H1与F1是顺式偶合，与F2是反式偶合。同理H2和F2是顺式偶合，与F1是反式偶合。所以H1和H2是磁不等价。
应该指出，在同一碳上的质子，不一定都是磁等价。事实上，与手性碳原子相连的-CH2-上的二个氢核，就是磁不等价的，例如，在化合物2-一氯丁烷中，Ha和Hb质子是磁不等价的。
在解析图谱时，必须弄清某组质子是化学等价还是磁等价，这样才能正确分析图谱。
通常，规定
为弱偶合，
为强偶合。前者属一级图谱，后者属高级图谱，根据偶合的强弱，可以把核磁共振谱分为若干体系。其命名规则如下：强偶合的核以ABC…KLM…或XYZ等相连的英文字母表示，并称之为ABC…多旋体系；弱偶合的核则以AMX…等不相连的英文字母表示，并称之为AMX…多旋体系。磁等价的核可以用完全相同的字母表示，如A2、B3等。只是化学等价而不是磁等价的核则以AA´、BB´等符号表示。下面举例说明：
（1）在邻二氯苯（Ⅰ）中，Ha、Ha´及Hb、Hb´为两组化学等价的核，但它们不是磁等价核。因为Ha与Hb为邻位偶合，而Ha´与Hb´为间位偶合，不符合磁等价定义。同理，Hb与Hb´也为磁不等价。因此邻二氯苯属于AA’BB’四旋体系。
（2）在2，6-二氯吡啶（Ⅱ）中，Ha和Ha´核不仅是化学等价，而且是磁等价，显然，Ha与Hb及Ha´与Hb´的偶合作用均为邻位偶合，即两个磁等价核（B2）与第三个核之间的偶合。它们的偶合常数为7.6Hz，其
小于0.5，当使用60MHz的共振仪时，则
，为强偶合。因此该化合物属于AB2三旋体系。
16.3核磁共振波谱仪
用于获得核磁共振波谱的仪器通常叫核磁共振波谱仪。核磁共振波谱仪的种类和型号很多，按扫描方式分有连续扫描（CW－NMR ）和脉冲－傅里叶（Fourier）变换波谱仪（PFT－NMR），按仪器测定条件可分为窄孔波谱仪(用于测定液体)和宽孔波谱仪(用于测定固体或液体)，根据 1H核的中心工作频率来划分，可分为60MHz、100MHz、200MHz、400MHz 、600MHz、1000MHz等型号波谱仪，目前研究使用的仪器大多为脉冲－傅里叶变换波谱仪。
图16.2是连续波核磁共振谱仪的示意图。它主要由磁铁、探头、射频源、扫描线圈、信号检测及记录处理系统等主要部件组成。后三个部件装在波谱仪内。
图16.2核磁共振谱仪的示意图
将适量样品放入样品管中，样品管以一定的速率旋转以消除由磁场的不均匀性产生的影响。如果由磁铁产生的磁场是固定的，通过射频振荡器线性地改变它所发射的射频的频率，当射频的频率与磁场强度相匹配时，样品就会吸收此频率的射频产生核磁共振，此吸收信号被接收，经检测、放大后，由记录仪（或电子计算机）给出该样品的核磁共振谱。
磁铁是核磁共振仪最基本的组成部件。它要求磁铁能提供强而稳定、均匀的磁场。核磁共振仪使用的磁铁有三种：永久磁铁，电磁铁和超导磁铁。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.5T。而超导磁体可使磁场高达10T以上，并且磁场稳定、均匀。目前超导核磁共振仪一般在200~400MHz，最高可打600MHz。但超导核磁共振仪价格高昂，目前使用还不十分普遍。
探头装在磁极间隙内，用来检测核磁共振信号，是仪器的心脏部分。探头除包括试样管外，还有发射线圈接受线圈以及豫放大器等元件。待测试样放在试样管内，再置于绕有接受线圈和发射线圈的套管内。磁场和频率源通过探头作用于试样。
为了使磁场的不均匀性产生的影响平均化，试样探头还装有一个气动涡轮机，以使试样管能沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转。
高分辨波谱仪要求有稳定的射频频率和功能。为此，仪器通常采用恒温下的石英晶体振荡器得到基频，再经过倍频、调频和功能放大得到所需要的射频信号源。
为了提高基线的稳定性和磁场锁定能力，必须用音频调制磁场。为此，从石英晶体振荡器中的得到音频调制信号，经功率放大后输入到探头调制线圈。
核磁共振仪的扫描方式有两种：一种是保持频率恒定，线形地改变磁场，称为扫场；另一种是保持磁场恒定，线形地改变频率，称为扫频。许多仪器同时具有这两种扫描方式。扫描速度的大小会影响信号峰的显示。速度太慢，不仅增加了实验时间，而且信号容易饱和；相反，扫描速度太快，会造成峰形变宽，分辨率降低。
在连续NMR中, 扫描方式最先采用扫场方式,通过在扫描线圈内加一定电流,产生10-5T磁场变化来进行核磁共振扫描。相对于NMR的均匀磁场来说，这样变化不会影响其均匀性。
（1）接受单元 从探头预放大器得到的载有核磁共振信号的射频输出，经一系列检波、放大后，显示在示波器和记录仪上，得到核磁共振谱。现代NMR仪器常配有一套积分装置，可以在NMR谱图上以阶梯形式显示出积分数据。由于积分信号不像峰高那样易受多种条件的影响，可以通过他来估计各类核的相对数目及含量，有助于定量分析。
（2）信号累加 若将试样重复扫描数次，并使各点信号在计算机中进行累加，则可提高连续波核磁共振仪的灵敏度。当扫描次数为N时，则信号强度正比于N，而噪音强度正比于
，因此，信噪比扩大了倍。考虑仪器难以在过长的扫描时间内稳定，一般N=100左右为宜。
连续波核磁共振谱仪采用的是单频发射和就手方式，在某一时刻内，只能记录谱图中的很窄一部分信号，即单位时间内获得的信息很少。在这种情况下，对那些核磁共振信号很弱的核，如、
等，即使采用累加技术，也得不到良好的效果。为了提高单位时间的信息量，可采用多道发射机同时发射多种频率，使处于不同化学环境的核同时频率，再采用多道接受装置同时得到所有的共振信息。例如，在100MHz共振仪中，质子共振信号化学位移范围为10时，相当于1000Hz；若扫描速度为2 Hz•s-1，则连续波核磁共振仪需500s才能扫完全谱。而在具有1000个频率间隔1Hz的发射机和接受机同时工作时，只要1s即可扫完全谱。显然，后者可大大提高分析速度和灵敏度。傅里叶变换NMR谱仪是以适当宽度的射频脉冲作为“多道发射机”，使所选的核同时激发，得到核的多条谱线混合的自由感应衰减（free induction decay, FID）信号的叠加信息，即时间域函数，然后以快速傅里叶变换作为“多道接受机”变换出各条谱线在频率中的位置及其强度。这就是脉冲傅里叶核磁共振仪的基本原理。
傅里叶变换核磁共振仪测定速度快，除可进行核的动态过程、瞬变过程、反应动力学等方面的研究外，还易于实现累加技术。因此，从共振信号强的、
到共振信号弱的、核，均能测定。
进行核磁共振分析的样品的纯度要求较高，杂质的存在将导致局部磁场的不均匀而使谱线变宽，严重时可使图谱丧失应有的细节。因此要进行试样的制备。
（1）试样管 根据仪器和实验的要求，可选择不同外径（Ф=5，8，
（2）溶液的配制 试样质量年度一般为500~谱一般只需1mg左右，甚至可少至几微克；谱需要几到几十毫克试样。
（3）标准试样 进行实验时，每张图谱都必须有一个参考峰，以此峰为标准，求得试样信号的相对化学位移，一般简称化学位移。于试样溶液中加入约
。值得主要的是，在高温操作时，需用六甲基二硅醚（HMDS）为标准试样，它的
。在水溶液中，一般采用3-甲基硅丙烷磺酸钠
作标准试样，它的三个等价甲基单峰的
，其余三个亚甲基淹没在噪声背景中。
（4）溶剂 谱的理想溶剂是四氯化碳和二硫化碳。此外，还常用氯仿、丙酮、二甲亚砜、苯等含氢溶剂。为避免溶剂质子信号的干扰，可采用它们的氘代衍生物。值得注意的是，在氘代溶剂中常常因残留，在NMR谱图上出现相应的共振峰。
16.4
核磁共振波谱法的应用
图16.3 乙醇的1HNMR谱和它的三种不同质子积分曲线
图16.3是乙醇的核磁共振氢谱。横坐标为质子的核磁共振吸收峰的位置，用化学位移δ表示，TMS信号峰位置为0.谱图的左侧是低场，右侧是高场。一般谱图扫描宽度在0~15，因为大多数化合物的共振吸收都在这一范围。纵坐标是峰的强度，用峰面积表示。它可以用仪器上的电子积分仪测量出来，在谱图上用一阶梯式积分曲线表示。积分曲线纵总高度与分子中的质子总数目成正比；各阶梯的高度比与各峰所含质子数目之比相等。如果样品的分子式已确定，据此可以推定出贩子中各种质子数目，进而可以得到结构片段的信息。
[例16.1] 某化合物分子式为C4H8O，核磁共振谱上共有三组峰，化学位移分别为1.05，2.13，2.47；积分曲线高度分别为3，3，2格，试问各组氢核数为多少？
解 积分曲线总高度=3+3+2=8
因分子中有8个氢，每一格相当一个氢。
故1.05峰示有3个氢，
2.13峰示有3个氢，
2.47峰示有2个氢。
另外，还可以根据不重叠的单峰为标准进行计算。例如，当分子中有甲氧基时，在3.22~4.40出现甲氧基的信号，因此，用3除相应阶梯曲线的格数，就知道每一个质子相当于多少格。
（1）由图上吸收峰的组数，可以知道分子结构中磁等性质子组数目。
（2）由峰的强度（积分曲线）可以知道分子中磁不等性质子的比例。
（3）由峰的裂分数可知相邻磁等性质子数目。
（4）由峰的化学位移（δ值）可以判断各种磁等性质子的归属。
（5）由裂分峰的外观或偶合常数，可知哪些磁等性质子是相邻的。
[例16.2] 某化合物的分子式为C3H7Cl，其1HNMR谱图如下图所示，试推断该化合物的结构。
解：
（1）由分子式可知，该化合物是一个饱和化合物。
（2）有三组吸收峰，说明有三种不同类型的H核。
（3）该化合物有七个氢，由积分曲线的阶高可知a、b、c各组吸收峰的质子数分别为3、2、2。
（4）由化学位移值可知：Ha的共振信号在高场区，其屏蔽效应最大，该氢核离Cl原子最远；而Hc的屏蔽效应最小，该氢核离Cl原子最近。
故化合物的结构应为：1-氯代丙烷。
高级图谱比一级图谱复杂得多，具体表现在如下几方面：
①由于发生了附加裂分，谱线裂分的数目不再像一级图谱那样符合（n+1）规律；
②吸收峰的强度（面积）比不能用二项式展开式系数来预测；
③峰间的裂距不一定等于偶合常数；多重峰的中心位置不等于化学位移值。因此，一般无法从共振谱图上直接读取J和值。
由于高级图谱的解析比较复杂，在此不作介绍。对于高级图谱，通常可以采用加大仪器的磁场强度，去偶法、加入位移试剂等实验手段进行简化，下面将分别加以叙述。
（1）加大磁场强度 偶合常数J是不随外磁场强度的改变而变化的。但是，共振频率的差值却随外磁场强度的增大而逐渐变大。因此，加大外磁场强度，可以增加
的值，直到，即可获得一级图谱，便于解析。这就是为什么人们设法造出尽可能大磁场强度的核磁共振仪的原因。
（2）去偶法与核Overhauser效应 若化学位移不同的Ha与Hb核之间存在偶合，在正常扫描的同时，采用另一强的射频照射Hb核，并且使照射的频率恰好等于Hb核的共振频率，此时，Hb核由于受到强的辐射，便在-1/2和+1/2两个自旋态间迅速往返，从而使Hb核如同一非磁性核，不再对Ha产生偶合作用。在这种情况下，Ha核的谱线将变为单峰。这种技术称为去偶或双照射法。去偶法不仅可以简化图谱，而且可以确定哪些核与去偶质子有偶合关系。
例如，在巴豆醛的核磁共振谱中，各基团间的偶合使烯烃质子峰形十分复杂。但是，通过对甲基质子去偶之后，烯烃质子的信号便大为简化，从而有利于图谱解析。
核的Overhauser效应（简称NOE）与去偶法类似，也是一种双共振技术，不同的是在核的Overhauser效应中，照射的二个核是在空间中紧密靠近。通过去偶不仅消除了第一个核的干扰，同时将会使第二个核的信号强度增加。
（3）位移试剂 位移试剂是指在不增加外磁场强度的情况下，使试样质子的信号发生位移的试剂，位移试剂主要是镧系金属离子的有机络合物。其中铕（Eu）和镨（Pr）的络合物能产生较大的化学位移。它们对谱线宽度的增加也不明显，是目前最常用的试剂。在试样中加入络合物Pr(DPM)3或Eu(DPM)3后，络和物中的Pr3+或Eu3+也可能再与含有-NH2、-OH、-C＝O基团的等的化合物进行配位。此时，中心离子Eu3+或Pr3+的孤对电子的磁场将强烈地改变相应一些化合物的质子的化学位移，而且离配位键越近的质子改变越大。这样，原来重叠的共振信号，便有可能展开。
核磁共振谱像红外光谱一样，有时仅根据本身的图谱，即可鉴定或确认某化合物。对比较简单的一级图谱，可用化学位移鉴别质子的类型。它特别适合于鉴别如下类型的质子：CH3O-，CH3CO-，CH2＝C-，Ar-CH3，CH3 CH2-，（CH3）2CH-，-CHO，-OH等。下面举例说明解释核磁共振谱的一般方法。
[例16.3] 一个化合物的分子式为C10H12O，其1HNMR谱图如下图所示，试推断该化合物的结构。
解：
（1）由分子式C10H12O可知化合物的不饱和度为5，化合物可能含有苯基，C=C或C=O
双键。
（2）1H NMR谱无明显干扰峰；由低场至高场，积分简比为4:2:3:3，其数字之和与分子式中氢原子数目一致，故积分比等于质子数目之比。
（3）δ= 6.5～7.5 的多重峰对称性强，可知含有X－C6H5－Y（对位或邻位取代）结构。其中两个氢的δ＜7 ppm，表明苯环与推电子基（－OR）相连。
（4）δ= 3.75 ppm（s,3H）为CH3O的特征峰。
（5）δ=1.83（d,3H）为CH3－CH=，δ=5.5～6.5（m,2H）为双取代烯氢（C=CH2或HC=CH）的四重峰，其中一个氢又与CH3邻位偶合，排除=CH2基团的存在。
由上分析可知化合物应存在：－CH＝CH－CH3基。
故化合物的结构应为：
积分曲线高度与引起该组峰的核数呈正比关系。这不仅是对化合物进行结构测定时的重要参数之一，而且也是定量分析的重要依据。用核磁共振技术进行定量分析的最大优点是，不需引进任何校正因子或绘制工作曲线，即可直接根据各共振峰的积分高度的比值。求算该自旋核的数目。在核磁共振谱线法中常用内标法进行定量分析。测得共振谱图后，内标法可按下式计算ms：
（16.13）
式中m和M分别表示质量和相对分子质量，A为积分高度。n为被积分信号对应的质子数。下标R和S分别代表内标和试样。外标法计算方法同内标法。当以被测物的纯品为外标时，则计算式可简化为
（16.14）
式中AS和AR分别为试样和外标同一基团的积分高度。
思考题与习题
16.1 解释下列术语：性磁各向异、耦合常数、纵向弛豫、横向弛豫。
16.2 什么是化学位移？它是如何产生的？影响化学位移的因素有哪些？为什么乙烯质子的化学位移比乙炔质子大？
16.3脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪在原理上与连续波核磁波谱仪有什么不同？它有哪些优点？
16.4 某化合物的NMR波谱内的三个峰，分别在7.27, 3.07和1.57处。它的经验式C10H13Cl。推论该化合物的结构。
