核磁共振光谱NMR在化学成分分析上的作用

核磁共振光谱 NMR 在化学成分分析上的作用陈老师（浙大国家大学科技园，杭州哲博化工科技有限公司哲博检测，Email:,杭州 310023）在各种各样的化学分析仪器中，核磁共振谱仪被公认为是一种非常重要的研究和测试工具，它的许多功能是其它手段无法代替的。核磁共振谱仪可以给出小到原子核在分子中的精确位置及其周边环境的微小变化，大到整个人体的断层成像等具有丰富内涵的信息。被广泛用于工业、农业、化学、生物、医药、地球科学和环境科学等领域。核磁共振是 1946 年由美国斯坦福大学 F.Block和哈佛大学 E.M.Purcell各自独立发现的，两人因此获得 1952 年诺贝尔物理学奖。50 多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。一、基本原理自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为AE=YhBO（1）其中：Y为旋磁比，h为约化普朗可常数，B0为稳恒外磁场。如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为hv（2）其中：v 为交变电磁场的频率。当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：hv=YhB0（3）2nv=yB0（4）低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。简单地说，核磁共振波谱法就是将自旋核放入磁场中，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱的实验方法。二、实验方法I.试样配制：取混合烃样 0.05mL（约 1 滴液体试样）小心装入样品管中，加 0.6mL 氘代氯仿（含 0.1%TMS）溶液，盖好盖子，振荡使试样完全溶解；将 3种卤代烃溶液分别放入 3 根 NMR 管内。2.样品管的准备：将外壁擦拭干净的样品管套上磁子，并用量规调整好磁子位置。3.启动空压机；启动 NMR 操作软件。4.样品管的放入：键入 ej 和 ij将样品管放入探头内并调整好旋转速度。5.进入采样流程：1）建立实验文件：在对话框内输入样品名称（如乙苯-班级名称-组号）和用户名称（如 yiqifenxishiyan-年级号）等，并选定溶剂为氘代氯仿。2）调整仪器工作状态：按 4.2.3 进行操作，包括通道的设定、锁场（溶剂为氘代氯仿）、探头的调谐与匹配（自动模式）、匀场（自动梯度匀场）、采集参数的设定、脉冲和参数的读取以及增益的自动计算。6.启动分析：开始采集 FID 信号。7.进入数据处理流程：点击进入谱图处理流程，对得到的 FID 信号进行处理，包括窗函数的建立、FT 变换、相位校正（自动）、基线校正和峰积分等8.报告结果：选定预设模板进入谱图编辑器编辑谱图并打印。9.分别采集并处理上述 5 种溶液的 NMR 谱图。10.测定完毕，键入 ej命令，从探头中取出样品管，并盖好探头盖，关闭空压机。将样品管中的溶剂等倒入废液瓶中，用易挥发溶剂（如丙酮或乙醇等）小心清洗样品管，然后自然晾干。II.按要求处理废液，进行必要的仪器整理和复原工作，做好仪器使用记录。三、注意事项1.样品的制备为了获取分子内部高分辨率的 NMR 谱图，一般需采用液态样品。固体样品要用隋性溶剂稀释成样品溶液，溶液应尽量浓一些以减少测量时间，但不宜过于粘稠，样品溶液保持较好的流动性可以减少分子间的相互作用，避免谱线过宽。在作精细测量时应采用内锁方式进行锁场，溶剂必须采用氘代溶剂如 CDCl3，D2O，(CD3)2CO，(CD3)2SO等，氘代溶剂还可避免溶剂信号过强而干扰测量。样品溶液中应不含未溶解的固体微粒、灰尘或顺磁性杂质，否则会导致谱线变宽，甚至失去应有的精细结构。2.标准参考样品测量样品的化学位移必须用标准物质作为参考，按标准参考物加入的方式可分为外标法和内标法。外标法是将标准参考物装于毛细管中，再插入样品管，与样品溶液同轴进行测量。内标法是将标准参考物直接加入样品中进行测量。内标优于外标法。对于1H谱，通常采用四甲基硅(TMS)作内标，TMS化学隋性，具有 12 个等价质子，只有一个尖锐单峰，出现在很高场，将其化学位移定为0 点，一般化合物的谱峰都在它的左边。不同核素所用的标准参考物不同。13C 核与 29Si 核皆用 TMS作内标。而31P核用 85%的磷酸，以外标法测定。四、谱图解析基本规律一张 NMR 波谱图，通常会提供化学位移值、耦合常数和裂分峰形以及各峰面积的积分线的信息，据此，我们可以推测有机化合物的结构。化学位移值主要用于推测基团类型及所处化学环境。化学位移值与核外电子云密度有关，凡影响电子云密度的因素都将影响磁核的化学位移，其中包括邻近基团的电负性、非球形对称电子云产生的磁各向异性效应、氢键以及溶剂效应等，这种影响有一定规律可循，测试条件一定时，化学位移值确定并重复出现，前人也已总结出了多种经验公式，用于不同基团化学位移值的预测。耦合常数和裂分峰形主要用于确定基团之间的连接方式。对于1HNMR，邻碳上的氢耦合，即相隔三个化学键的耦合最为重要，自旋裂分符合向心规则和n+1 规则。裂分峰的裂距表示磁核之间相互作用的程度，称作耦合常数 J，单位为赫兹，是一个重要的结构参数，可从谱图中直接测量，但应注意从谱图上测得的裂距是以化学位移值表示的数据，将其乘以标准物质的共振，即仪器的频率，才能得到以赫兹为单位的耦合常数。积分曲线的高度代表相应峰的面积，反映了各种共振信号的相对强度，因此与相应基团中磁核数目成正比。通过对1H-NMR 积分高度的计算，可以推测化合物中各种基团所含的氢原子数和总的氢原子数。核磁共振谱图的解析就是综合利用上述三种信息推测有机物的结构。用1H-NMR 波谱图上的化学位移值（6 或 T），可以区别烃类不同化学环境中的氢质子，如芳香环上的氢质子、与不饱和碳原子直接相连的氢质子、与芳香环直接相连-ch2或-ch3上氢质子、与不饱和碳原子相连的-ch2或-ch3上的氢质子、正构烷烃，支链烃和环烷烃上的氢质子。化学位移的产生是由于电子云的屏蔽作用，因此，凡能影响电子云密度的因素，均会影响化学位移值。如氢质子与电负性元素相邻接时，由于电负性元素对电子的诱导效应，使质子外电子云密度不同程度的减小，导致其化学位移值向低磁场强度方向移动，随着电负性元素的电负性增加，向低磁场强度方向移动的距离就越大。