核磁共振光谱

核磁共振光谱，通常简称为NMR光谱，是化学中用于确定分子结构、了解分子动力学并获取样品定量和定性信息的强大分析工具。它对特定原子核的局部环境具有独特的敏感性，使其在阐明分子结构方面非常有价值。

NMR基础

NMR光谱基于某些原子核的磁性特性。并非所有原子核都适合NMR。主要标准是原子核必须具有内在磁矩，这通常发生在原子核的自旋不为零时。一个重要的例子是氢原子核（^1H），它在有机化合物中丰富存在，具有1/2的自旋。

当具有自旋的原子核置于外部磁场中时，它会受到一种力的作用，使其倾向于与磁场对齐。然而，由于量子力学的作用，原子核只能相对于磁场采取某些取向。能量更有利的取向与磁场平行。

1/2自旋核: H (^1H), C (^13C), N (^15N), P (^31P)

NMR如何工作

当置于磁场中，原子核可以吸收能量并在不同的自旋状态之间跃迁。所需能量频率用于这种跃迁处于电磁谱的射频区域。

这种共振频率，被指定为ω，与施加磁场的强度和原子核的磁性特性成正比。数学上，它可表示为:

ω=γB₀

其中ω是角频率，γ是旋磁比，B₀是磁场强度。

工具和技术

NMR光谱仪由几个主要部件组成：用于施加磁场的强磁铁，用于激发样品的射频发射器，用于检测发射的射频信号的接收器，以及用于处理数据的计算机。

样品准备

样品通常溶解在不干扰NMR光谱的溶剂中。常用的是氘代溶剂，如氘代氯仿（CDCl₃）或氘代水（D₂O），因为它们不含会产生强信号的质子。

NMR实验

样品置于磁场中。然后应用射频脉冲。这些脉冲激发原子核，使其跃迁到更高能级状态。当激发的原子核返回到较低能量状态时，它们会发射射频辐射。检测器捕获这个发射的信号。

数据收集

发射的信号被称为自由感应衰减（FID），它们在一段时间内被收集。FID是一个复杂的衰减正弦波，它的分析构成了NMR光谱的基础。

NMR光谱解释

从NMR实验中获得的数据通常表示为频率对强度的图。特征丰富的光谱允许对分子结构进行深入分析。

化学位移

^1H或^13C NMR光谱中信号的位置被称为化学位移。它提供了关于原子核周围电子环境的信息。化学位移以百万分之一（ppm）为单位表示，是相对于标准参考化合物（通常是四甲基硅烷TMS）计算的。

自旋-自旋偶合

分子中的原子核会影响彼此的磁环境，导致称为自旋-自旋偶合的相互作用。这些相互作用导致NMR信号被分成多个峰，称为多重峰。这些分裂峰之间的距离被称为偶合常数，用赫兹（Hz）表示。

积分

NMR信号下的面积与产生该信号的原子核数量成比例。这项信息对于确定分子内不同化学环境中氢原子的相对数量非常重要。

示例 - 乙醇

让我们考虑乙醇（CH₃CH₂OH）的NMR光谱。光谱由三个主要信号组成：

与相邻亚甲基质子偶合的甲基团（CH₃）对应的三重峰。
甲亚甲基群（CH₂）的四重峰，由与三质子甲基偶合产生。
羟基（OH）的单个峰，由于快速质子交换通常会变宽。

先进技术和应用

核磁共振光谱从传统的^1H和^13C NMR扩展到二维（2D）NMR、多核NMR和固态NMR。这些技术提供了对分子结构和动力学的更深入见解。

2D NMR

二维NMR技术，如COSY（关联光谱）和HSQC（异核单量子相干），用于理解复杂分子的连通性和空间关系。在2D NMR中，数据绘制在两个轴上，通常是频率对频率，这提供了关于质子-质子、碳-质子和其他相互作用的信息。

多原子核NMR

核磁共振光谱不限于氢和碳。它还可以研究其他原子核，如^15N、^19F、^29Si和^31P，这些草提供了分子环境和结构的独特视角。

让我们以^31P NMR为例：

用于研究有机磷酸盐和磷光配体。
可提供有关磷的化学变化以及磷-氢或磷-碳偶合的信息。

固态NMR

在固态NMR中，样品以固态形式存在，而不是溶液形式。这项技术尤其有利于研究聚合物、蛋白质和在溶液中难以观察的生物固体材料。

固态NMR的特点包括：

魔角旋转（MAS）用于平均各向异性相互作用。
交叉极化（CP）技术用于信号放大。