核磁共振 (NMR) 光谱是一种通过分析原子核和外部磁场之间的相互作用来确定有机化合物结构组成的分析技术。
它提供有关原子核化学环境的信息，从而能够识别分子结构和动力学。
本文提供了解释 NMR光谱数据的综合指南，确保准确的结构解析和分子表征。
了解核磁共振谱
NMR 光谱（¹H-NMR 和 ¹³C-NMR）是核共振信号的图形表示，其中 x 轴上的化学位移（ppm）表示原子核的电子环境，y 轴表示信号强度，峰值对应于分子内特定的核环境。
X 轴（化学位移）
NMR 谱图的 x 轴表示化学位移，以百万分率 (ppm) 表示。它表示原子核相对于参考标准的共振频率，其中四甲基硅烷 (TMS) 的 ppm 设为零。
化学位移与磁场强度无关，因此可以通过不同的仪器比较光谱。
化学位移值较高（低场，左图）表示原子核经历的电子密度降低和去屏蔽作用增强。化学位移值较低（高场，右图）表示电子密度增加和外部磁场屏蔽作用增强。1
Y轴（信号强度）
y轴显示检测到的信号强度，对应于产生每个信号的原子核数量。该强度构成积分的基础，可以定量分析对每个峰有贡献的原子核的相对数量，这是确定分子组成和验证结构归属的关键因素。
在现代傅里叶变换核磁共振 (FT-NMR) 仪器中，信号强度以任意单位表示，并调整垂直尺度以优化峰值可视化。
信号及其出现
jrhz.infoNMR谱中的峰对应于分子内不同的核环境，每个独特的化学环境都会产生一个特征信号。这些信号的化学位移、强度和分裂模式会根据电子环境、等效核的数量以及与相邻核的耦合相互作用而有所不同。
NMR信号的出现取决于弛豫特性、耦合常数和磁场均匀性。分辨率高的谱图能够产生清晰锐利的峰，有助于在各个科学领域对复杂分子进行精确的结构分析。2
1 H-NMR和13 C-NMR光谱
NMR 光谱主要产生两种类型的光谱：¹H-NMR 和¹³C-NMR。
¹H-NMR 光谱分析分子内的氢核（质子），提供有关氢原子的数量、化学环境和连通性的详细信息。
相比之下，¹³C-NMR 光谱集中于碳-13 核，揭示不同碳环境的数量和类型，这有助于确定分子碳框架。
¹H-NMR 的化学位移通常为 0 至 14 ppm，而 ¹³C-NMR 的化学位移范围更广，通常为 10 至 220 ppm。¹³C-NMR 的扩散范围扩大是由于原子核的拉莫尔频率不同（取决于各自的磁旋比），从而提高了分辨率并减少了峰重叠。
¹³C-NMR 和 ¹H-NMR 结合使用，可进行完整的结构解析和分子表征。3
如何阅读和解释核磁共振光谱？1 H-NMR光谱
百里酚的¹H-NMR谱图。百里酚的¹H-NMR谱图（100 MHz）显示芳香族质子（δ 6.6-7.2 ppm）、苄基亚甲基（~2.3 ppm）、脂肪族甲基（~0.9-1.3 ppm）的特征峰，以及0.00 ppm处的参考TMS峰。峰分裂反映了分子中的质子耦合。
步骤 1：计算信号数量
¹H-NMR 谱中不同信号的数量对应于分子中化学性质不等价的氢环境的数量。每个信号代表一组质子经历独特的电子环境。
例如，在对甲基异丙基苯中，等效的 CH 和 CH₃ 基团会为每个基团产生单个信号，从而导致光谱中出现五个峰。
第 2 步：解释积分值
确定信号数量后，检查积分值以确定与每个信号相关的质子的相对数量。
积分表示每个峰下的面积，与产生该信号的氢原子数量成正比。这些值显示为阶跃曲线或数值比率，其中阶跃高度越大表示质子越多。
例如，一个信号与另一个信号的比例为 3:1，意味着在一个环境中有三个质子，在另一个环境中有一个质子。
步骤 3：评估化学位移值 (δ)
确定每种质子类型的数量后，评估信号的化学位移位置以确定其电子环境。
在电子密集区域，屏蔽质子在较低的δ值时出现在高场；而受电负性原子或π体系影响的去屏蔽质子则在较高的δ值时出现在低场。例如，烷基质子通常出现在0.9到2 ppm，而芳香族质子则出现在7到8 ppm之间。
步骤 4：确定分裂模式（多重性）
检查每个信号的多重性，以评估相邻、非等效质子的数量。该分析基于 n+1 规则，即一个质子与n 个相邻质子发生信号分裂，形成n+1 个峰。产生的图样可能呈现为单峰（无相邻质子）、双峰（一个相邻质子）、三峰（两个相邻质子）、四峰（三个相邻质子）或更复杂的多重峰。
例如，光谱中出现的三重态表明被观察到的质子有两个相邻的质子，例如在与 –CH₃ 相邻的 –CH₂– 基团中。
第五步：分析耦合常数（J值）
一旦确定了多重性，就需要测量耦合常数，以进一步了解质子-质子相互作用和分子几何构形。J值（Hz）表示多重峰中分裂峰之间的间距，取决于成键原子的类型和方向。
例如，反式乙烯基质子的J值通常在12-18 Hz之间，而顺式乙烯基质子的J值在6-11 Hz之间。这些测量有助于区分立体化学关系和位置异构体。1
第六步：推断分子结构
最后，对所有光谱特征（信号数、积分、化学位移、多重性和耦合常数）进行集体分析，以重建分子结构。
这种系统方法能够识别特定的质子环境及其连通性，从而对化合物的结构进行完整的解释。3,4
13C -NMR谱
J调制¹³C-NMR谱图，显示化学位移范围（0-220 ppm）内的碳环境。CDCl₃溶剂峰出现在77 ppm附近。由于宽带去耦，峰通常显示为单峰，从而可以识别不同的碳类型。图片来源： S. Singha/Shutterstock.com
¹³C-NMR 谱图的解析步骤与¹³H-NMR 分析步骤基本相似。然而，¹³C-NMR 侧重于碳原子环境，由于宽带质子去耦，通常会呈现单峰，从而导致分裂模式较为简单。
步骤1：识别信号编号
¹³C-NMR 光谱中的信号数量表示分子中化学上不同的碳环境的数量。
具有相同化学环境的碳原子产生单个峰，而不同化学环境的碳原子则产生不同的信号。例如，戊烷-2,4-二酮会显示三个峰，对应五个碳原子，因为两个碳原子是等价的。
第 2 步：测量化学位移值
测量每个信号的化学位移值 (δ)，以评估碳原子的电子环境。将这些值与参考表进行比较，以预测或分配碳的类型，例如烷基、羰基或芳香碳。
步骤3：结构演绎
通过检查信号数量及其化学位移值来确定分子结构。计算不同的碳环境有助于确认分子式，而将位移与参考数据进行比较则有助于识别分子的特定部分并将其组装成完整的结构。3,4
核磁共振波谱分析中的常见错误及故障排除信号分配错误
信号分配错误常常会导致结构解读错误。化学位移重叠，尤其是在1.0–2.5 ppm区域或分裂模式复杂的芳香区，常常会导致混淆。
为了最大限度地减少误差，首先要识别不同的信号（例如甲基单峰或醛基质子），然后进行系统的光谱分析。二维核磁共振技术（包括 COSY 和 HSQC）有助于进一步确认连接性并解决模糊的归属问题。
整合误解
准确的积分对于可靠的结构分析至关重要，但脉冲之间弛豫延迟不足可能会影响结果。这会导致饱和效应，尤其会影响弛豫时间较长的原子核，例如季碳原子，从而导致定量不准确。
为了防止这种情况，采集参数应包括比最慢弛豫原子核的 T₁ 值长五倍的弛豫延迟。
此外，可交换质子可能由于溶剂相互作用或部分氘交换而表现出可变的积分，需要仔细解释以避免错误分配。
光谱处理问题
不恰当的光谱处理会产生伪影，影响结果的准确解读。相位调整不当会导致峰不对称或峰倒置，而基线校正不足会产生伪影信号，影响积分结果，并影响结构鉴定。
仔细的相位和基线校正调整对于保留真实的光谱特征和确保可靠的数据至关重要，尤其是对于宽或重叠的信号。
样品制备问题
样品质量直接影响核磁共振数据的可靠性。低浓度样品会降低信噪比，导致微弱信号丢失；高浓度样品则会增加粘度，导致谱线展宽和耦合模式扭曲。为确保最佳谱图质量，需要使用高纯度样品溶解于脱气氘代溶剂中，并根据需要进行过滤。2
准确解读核磁共振谱图需要系统地分析谱图参数，从而可靠地确定分子结构。遵循正确的采集和处理方案对于维护数据完整性和确保精确的结构归属至关重要。
