核磁共振氫譜如何分析？一文簡(jiǎn)單綜述

核磁共振氫譜的橫坐標(biāo)為化學(xué)位移，常用符號(hào)δ表示，單位ppm，即用來(lái)表示質(zhì)子吸收峰出現(xiàn)的位置。縱坐標(biāo)為吸收峰強(qiáng)度，可以通過(guò)對(duì)峰面積進(jìn)行積分來(lái)定量計(jì)算質(zhì)子的數(shù)量。

在描述一個(gè)質(zhì)子的化學(xué)位移時(shí)，通常選取一個(gè)基準(zhǔn)物作為參考物，如常用四甲基硅烷（TMS）。在上圖譜左側(cè)的吸收峰，一般稱之為其處于低場(chǎng)，右側(cè)稱為高場(chǎng)。上圖中（a）峰為溴乙烷中亞甲基氫的核磁信號(hào)，（b）峰為甲基氫的吸收信號(hào)。通過(guò)對(duì)吸收峰放大發(fā)現(xiàn)，兩者的峰型不同，我們稱之為信號(hào)的裂分。

接下來(lái)我們通過(guò)介紹幾個(gè)常見(jiàn)的概念來(lái)對(duì)核磁共振氫譜進(jìn)行更深入的了解。

?? 化學(xué)等價(jià)：即分子中的兩個(gè)原子處于相同的化學(xué)環(huán)境。

?? 磁等價(jià)：分子中的兩個(gè)原子化學(xué)環(huán)境相同，且它們對(duì)任意另外一核的偶合常數(shù)也相同。

?? 弛豫：在此頻率的電磁輻射的作用下，原子核也能從高能級(jí)回到低能級(jí)，放出該頻率的電磁輻射。這種通過(guò)無(wú)輻射的釋放能量途徑，原子核從高能態(tài)回到低能態(tài)的過(guò)程叫做弛豫。

?? 旋轉(zhuǎn)邊峰：在測(cè)試樣品時(shí)，樣品管在1H-NMR儀中快速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)儀器調(diào)節(jié)未達(dá)到良好工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)邊帶，即以強(qiáng)譜線為中心，呈現(xiàn)出一對(duì)對(duì)稱的弱峰，稱為旋轉(zhuǎn)邊峰。

?? 衛(wèi)星峰：13C具有磁距，可以與1H偶合產(chǎn)生裂分，稱之為13C衛(wèi)星峰，但由于13C的天然豐度只為1.1%，只強(qiáng)峰才能觀察到，一般不會(huì)對(duì)氫的譜圖造成干擾。

?? TMS常作為標(biāo)準(zhǔn)物原因：四個(gè)甲基化學(xué)環(huán)境相同，只有單一的吸收峰；屏蔽效應(yīng)強(qiáng)，吸收峰出現(xiàn)在高場(chǎng)，而其他有機(jī)物質(zhì)子吸收峰一般不出現(xiàn)在該位置；化學(xué)惰性，不易與待測(cè)物產(chǎn)生反應(yīng)。

?? 高場(chǎng)低場(chǎng)：此處指磁場(chǎng)強(qiáng)度。處于圖譜右側(cè)的質(zhì)子，如TMS，其屏蔽效應(yīng)強(qiáng)，若要使其質(zhì)子產(chǎn)生核磁共振，往往需要更高的磁場(chǎng)才能完成。而圖譜左側(cè)的質(zhì)子，屏蔽效應(yīng)弱，因此處于低場(chǎng)。

?? 自旋偶合與裂分：理論上，一類質(zhì)子只有一個(gè)化學(xué)位移，同時(shí)產(chǎn)生單一吸收峰。然而鄰近的質(zhì)子通過(guò)電子云相互之間的作用會(huì)影響對(duì)方的核磁共振吸收，并引起譜線增多。原子核之間的這種相互作用稱為自旋偶合。因偶合而引起譜線增多的現(xiàn)象稱為自旋裂分。

如上圖所示，HB不存在時(shí)，HA化學(xué)位移為虛線位置。HB有兩種自旋取向，一種自旋取向?qū)A產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，其化學(xué)位移向高場(chǎng)移動(dòng)，另一種自旋取向?qū)A產(chǎn)生去屏蔽效應(yīng)，其化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)，從而使其吸收峰發(fā)生裂分。

一組化學(xué)等價(jià)的質(zhì)子被一組數(shù)目為n的等價(jià)質(zhì)子裂分時(shí)，那么其吸收峰數(shù)目為n+1，峰強(qiáng)比例符合二項(xiàng)式；一組化學(xué)等價(jià)的質(zhì)子被兩組數(shù)目分別為n和n’的等價(jià)質(zhì)子裂分，吸收峰數(shù)目為(n+1)(n’+1)。裂分的峰型有單重峰(s)、雙重峰(d)、三重峰(t)、四重峰(q)等。

偶合常數(shù)：自旋偶合的量度稱為偶合常數(shù)，用J表示，單位Hz。J值的大小表示了偶合作用的強(qiáng)弱。偶合常數(shù)計(jì)算為兩個(gè)裂分峰的峰間距乘以核磁儀器兆數(shù)。根據(jù)兩個(gè)氫的位置關(guān)系，可分為同碳偶合、鄰碳偶合及遠(yuǎn)程偶合。

雙重峰的偶合常數(shù)即為兩個(gè)峰的峰間距，t峰和q峰的偶合常數(shù)計(jì)算如上圖所示。通過(guò)計(jì)算Ha和Hb吸收峰的偶合常數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者相等，可以進(jìn)一步確認(rèn)兩者之間存在相互作用，確認(rèn)峰歸屬的正確性。更為復(fù)雜的峰型偶合常數(shù)計(jì)算如下圖所示。例如，對(duì)于dd峰，是因?yàn)橛袃煞N氫原子對(duì)其存在相互作用，因此其J值有兩個(gè)，其一J值可以用1峰減2峰或3峰減4峰，另一J值可用1峰減3峰或2峰減4峰。

利用偶合常數(shù)還可以區(qū)分順?lè)串悩?gòu)，幾何異構(gòu)體（E/Z）常見(jiàn)于含雙鍵化合物中。通過(guò)偶合常數(shù)即可判別，順式偶合常數(shù)通常在3-13Hz，反式在12-20Hz。

活潑氫識(shí)別：有一定的酸性，容易離去或容易發(fā)生交換的氫（一般在其周圍有強(qiáng)吸電子基團(tuán)）這種氫稱之為活潑氫。常見(jiàn)的活潑氫是一種直接與雜原子相連，如 -OH、-NH、-SH、-COOH等基團(tuán)上的氫原子。識(shí)別活潑氫最簡(jiǎn)單的方法是D2O交換。利用活潑氫的交換機(jī)制，將氫與重水的氘交換，譜圖上消失的峰就是活潑氫峰，同時(shí)δ4.8左右會(huì)出現(xiàn)重水的殘存質(zhì)子信號(hào)。

變溫實(shí)驗(yàn)：對(duì)于一些分子結(jié)構(gòu)，若存在活潑氫、旋轉(zhuǎn)異構(gòu)、互變異構(gòu)等情況，通過(guò)改變核磁的測(cè)試溫度，NMR信號(hào)會(huì)有明顯變化。

定量核磁：在樣品溶液中，直接加入一定量?jī)?nèi)標(biāo)物質(zhì)，進(jìn)行NMR光譜測(cè)定。將樣品指定基團(tuán)上的質(zhì)子引起的共振峰（即吸收峰）面積與由內(nèi)標(biāo)物質(zhì)指定基團(tuán)上的質(zhì)子的共振峰面積進(jìn)行比較。

下圖是H NMR中常見(jiàn)特征質(zhì)子的化學(xué)位移，那么都有哪些因素會(huì)影響H的化學(xué)位移呢？