1.4　其他小问题和相关论著简介

1.4.1　混合物的NMR测试

在应用方面，NMR除了鉴定分子结构，作为化学研究和生物活性分子结构探测以及医学研究的重要工具外，在分离繁复或样品少的情况下，还可以知道反应是否进行、有没有产物生成。如作者以前合成一个富勒烯C60衍生物，其结构如下：

在所用反应条件下是否有产物生成呢？作者很快对混合物做了1H NMR谱，如图1.9所示。

粗品的峰当然混杂，可是在δ1.35（t，J=7.1Hz，3H）和δ4.50（q，J=7.1Hz，2H还是能清楚地看到所需要的信号峰，说明所用反应条件是可行的。我们可以把分离得到的纯品谱图（见图1.10）与图1.9加以对照。

另外，根据1H NMR谱中氢的积分面积，可以粗略地估计实验室废液中芳香烃和脂肪烃溶剂的百分含量。δ6～8的积分面积除以δ6～8和δ0.6～3.0的积分面积的总和，便可以大体上知道废液中芳香烃的含量。

通常，有些合成研究工作者拿到的谱图不太干净，在δ0.8和δ1.0～1.2附近总有一些杂质峰，有时还会出现高的包峰，这往往是己烷等饱和烃溶剂中含有的少量蜡状物质（长链烃类）。只要在实验过程中仔细地对溶剂进行处理，如通常用蒸馏的办法，对溶剂进行“掐头去尾”，就可以避免谱图中这些蜡状物质的信号出现。

1.4.2　积分面积与分解反应

这里再举一个例子。C60H2的1H NMR谱（在C6D6中）在δ5.9给出一个单峰，在加热到172～196℃时，由于会有氢气放出，因而δ5.9单峰的积分面积会减小，在一定温度下，间隔一定时间热分解反应（如2h）以后，每次测定1H NMR谱中氢气在δ5.9的积分面积，得到一系列变化值，再以不分解的四甲基硅烷（TMS）的积分面积（δ0）作为基准，可以得到一系列比值，从而可以进行反应动力学研究。作者的研究发现，在一定温度范围（172～196℃）内，C60H2的分解放氢基本上符合一级反应动力学方程。

应该说明，溶解于氘代溶剂中的氢气在1H NMR谱中，一般在δ5～7之间给出一个包峰。作者研究了Rh、Ir、Pd等金属的络合物在不同温度下对C60H36的催化分解放氢作用，结果表明Ir和Pd的络合物等催化剂在一定温度下对C60H36分解放氢有明显的催化作用。作者的研究方法是把C60H36、催化剂、氘代邻二氯苯加入特制的核磁管，然后经freeze-pump-thaw处理数遍后封管；在一定温度或光照作用下反应一定时间后，测定1H NMR谱的氢气信号。

图1.11给出了Pd络合物在一定温度下催化C60H36分解放出氢气的1H NMR谱（δ5.209），其中，δ3.86～2.68为未分解的C60H36的质子共振信号。

1.4.3　精细裂分

对1H NMR谱来说，研究质子的耦合（特别是3J耦合，因为质子之间相隔3个键以上耦合作用会大大减小）作用和耦合常数是非常重要的。如烯烃衍生物的质子间存在着强的相互耦合作用（如图1.12所示的局部1H NMR谱）。本书将在第3章对质子的自旋-自旋耦合作详细的论述。

1H NMR谱中质子的耦合涉及峰的裂分，一般来说，一个质子（如Ha）的裂分是该质子受到相邻质子的不同自旋态作用的结果，这种不同自旋态所产生的感生磁场可以与外加磁场方向一致，也可以与其相反，如图1.13所示。

另一种裂分情况是手性分子中同一个碳原子上的两个质子由于受相邻不对称中心的影响（空间微环境不同的作用），两个质子磁不等价，对手性碳原子上的质子分别进行耦合常数不等的两次耦合。如图1.14中，Ha质子被Hb质子作用，再被Hb'质子作用，因而Ha质子出现一个dd裂分谱；Hb被Hb'同碳耦合后，又被Ha耦合再次裂分为一个dd峰；而Hb'被Hb同碳耦合后，再被Ha反式耦合（以较顺式为大的耦合常数），形成一个dd峰。

1.4.4　1H-13C COSY

二维NMR（2DNMR）的进展非常快，它用于解析复杂化合物的分子结构取得了极大的成功。本书对各种二维谱的类型和概念作了详细说明。图1.15给出了一个简单的维生素E分子的1H、13C-COSY的高场局部谱图。

1.4.5　毛细管探头

应该说明，随着NMR仪器磁场强度的增强（现已有900MHzNMR仪供研究使用），一些复杂谱也变成了简单的一级谱，这也体现了科技进步给人们带来的便捷。徐光宪院士在《化学通报》2004年第10期撰文指出：在磁场的作用下，自旋核产生磁矩并引起核磁矩的能级分裂，从而发射射频波段。这些理论是较为深刻的。

需要说明的是，利用NMR来测定非对映异构体的含量，是通过对两种非对映异构体的较为关键的探针信号峰的积分面积比来求算，信号峰的积分面积比即为两种非对映异构体的含量比，但是目前情况下，探针信号峰比较拥挤，很难精确进行积分，这种情况下，利用NMR测得的非对映异构体的含量不够准确，在这种情况下，需要以手性柱比较合适的HPLC分析为准。

1.4.6　信号发射和自由感应衰减（FID）

一定原子核的核磁矩处于静止和恒定的外磁场中时，产生进动和能级分裂，当这时施加一处于无线电波波段的交变高频磁场（通过样品管周围的振荡线圈）与之产生同时的相应的作用，在相关硬件设施下，会产生共振吸收，即自旋核会吸收交变高频磁场某些特定频率的电磁波，从而由较低的能级跃迁到较高的能级。[1946年人们早就发现原子核在静止磁场中会沿磁场方向呈一定的有序的排列，而施加无线电波后原子核的自旋方向发生翻转；1952年发现具有奇数个核子（质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加此特定频率的射频场，即会发生原子核吸收射频场能量的现象]，吸收只是为了跃迁。当质子数和中子数总和为奇数的某些原子核，特别是自旋量子数I为1/2的原子核均存在固有的磁矩，放在外加磁场中就像一根根小磁针。原子核的核磁矩在外加磁场的作用下导致能级分裂。能级差与外加磁场强度成正比。这时再施加一个与能级间隔相应的交变电磁场，就可以引起原子核的能级跃迁，发生核磁共振。

切记不要认为核的跃迁所吸收的特定频率的射频场能量会产生共振信号。记住：吸收只产生激发而不产生信号。样品管周围的振荡线圈产生的电磁场是交变的，当电磁场瞬间处于0时（去掉），处在激发态的核可以跃迁到低能级，放出的能量以辐射出的电磁波传给振荡线圈，在线圈中感应出电压信号，这种电信号即为核磁共振信号。

自由感应衰减（freeinductiondecay，FID）是核磁共振（NMR）与磁共振成像（MRI）中最初的信号形式。产生于受激发的原子核对核磁仪的射频线圈造成的感应电流而直接产生出这种信号，一般情况下（样品为液体），整个信号形式为振幅呈指数衰减的振荡信号，信号频率为该原子核在外加磁场中所具有的共振频率；信号振荡为感生磁场在外加磁场方向上的进动或旋进；信号衰减反映了横向上的弛豫现象。在固体样品的情况下，衰减函数则变得更为复杂。

自由感应衰减信号在获取之后，经过傅里叶变换则成为NMR谱图以做分析。现在，许多核磁实验室给出的不再是谱图而是样品的FID信号，再经过相应的计算机程序进行傅里叶变换和合理的操作，则得到NMR谱。作者在这里需要强调的是：一定要实事求是地处理和操作核磁实验室给出的FID信号，不能有任何有失FID客观信号的个人加工行为，例如去掉一些杂质峰等，这方面涉及科学道德层面，是绝对不能够允许的。还有一些初学者在报道核磁1H NMR的数据时，报道的耦合常数与所附的1H NMR图不一致，因为他们在处理FID信号数据时，对谱峰过分拉大，造成处理数据时在计算机上读得的过分拉大的谱峰的数据与正常谱图上的数据不一致，这会在研究论文投稿过程中给审稿人造成误解。如果谱峰拥挤，可以把拉大的区部谱峰另外叠加在原谱图的靠上位置上，以便审稿人审理。还有，对dd峰和ddd峰的报道要正确，不要简单地用m表示。总之，NMR数据是客观的，在某种意义上具有法律依据，不能有任何的主观随意性。目前，一些刊物例如德国的合成通讯（Synlett）和合成杂志（Synthesis），已经要求投稿人在SupportingInfoemation中提供原始的FID信号数据。

1.4.7　15NNMR

15N氮元素在自然界的丰度是0.37％，15N原子核的自旋量子数是1/2，与质子和13C等相同，不需要同位素富集就可以做15N NMR，只是其丰度比13C低，需要比13C NMR花费的时间更长，至少比13C NMR花费多三倍的时间。用魔角旋转固体核磁也可以做15N NMR，一些碳材料掺杂N元素，特别是魔角旋转固体核磁来测定其精细结构，意义是很大的。另外，氘核磁共振（DNMR）在氘代氨基酸类研究中也发挥了重要作用。

近年来毛细管核磁共振探头技术的应用，为高通量药物的筛选构建大型天然产物样品库提供了新方法。该探头技术的成功应用使得天然产物样品库中活性化合物的结构鉴定所需样品量降低到前所未有的微克级水平，有望用于小分子探针开展脑功能方面的化学基因组学研究。

人脑思维活动的NMR成像技术已经在美国开展多年。

1.4.8　相关文献与有关专著简介

本书参阅了许多文献资料，见书后的全书主要参考文献，有兴趣的读者可以进一步参阅。

NMR的理论问题较为深刻，有的专著专门涉及NMR的数理理论，如英国剑桥大学Free-man编著的核磁专著（见书后的全书参考文献[4]），有兴趣的读者可以参阅。

在绪论部分结束之前，作者在这里对不久前由科学出版社出版的两部核磁共振方面的导读版专著加以简介，希望有兴趣的读者参考。

2010年，在《核磁共振谱学——在有机化学中的应用》（第二版）出版后不久，应科学出版社邀请，作者为英文版的《High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry，Second Edition》写一段导言，并把原著的英文目录和前言译成了中文。该书由英国牛津大学T.D.W.Claridgy编著，由Elsevier出版公司于2009年出版。该书是有机化学工作者深入学习和掌握高分辨NMR技术的一本好书。读者可以参阅Claridgy原著，科学出版社2010年导读版的《有机化学中的高分辨NMR技术》（第二版）。这本书最大参考价值就是起点高，深入地阐述了高分辨NMR中的新方法和新技术，突出了NMR的一系列理论问题。而对NMR解析有机化合物的分子结构则论述极少。《High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry，SecondEdition》对核磁技术问题阐述得较为详尽和具体。例如“第三章高分辨NMR的实用性”中就讲述了“数据的获得和处理”，“样品的准备和溶剂的选取”，“核磁谱仪的准备”，“光谱仪性能检测”等实际问题，又如第十章专门讲述了实验方法，对复合脉冲、宽带脉冲、自旋锁场和软脉冲等都作了翔实的论述，并对单扫描二维谱、超极化和残余偶极耦合等最新方法作了精辟的阐述。这些非常实用的新知识对于掌握NMR仪器的操作非常有用。该书每一章后面都给出了大量参考文献，这些参考文献绝大多数引自Elsevier出版公司旗下的《磁共振杂志》（Journal of Magnetic Resonance），而引用国际核心有机化学刊物（如J.Org.Chem.，Org.Lett.，Angew.Chem.Int.Ed.以及J.Am.Chem.Chem.）较少，这说明该书的专业性很强，对仪器操作和核磁理论帮助较大。作者所著的《核磁共振谱学——在有机化学中的应用》（第三版）主要论述核磁共振与有机化学的问题，为解析有机化合物的分子结构服务；《有机化学中的高分辨NMR技术》（第二版）则突出了核磁共振本身的理论和技术问题。所以，《核磁共振谱学——在有机化学中的应用》（第三版）没有引用T.D.W.Claridgy的工作。

另外，应科学出版社的邀请，作者于2011年也为英文版的《应用二维核磁谱的有机结构鉴定》写了一段导言，并把原著的英文目录和前言译成了中文。该书由美国麻省理工学院教授Jeefrey H.Simpson编著，由Elsevier出版公司的科学出版社于2008年出版。2011年由Elsevier授权中国科学出版社出版该书中文版。该书是有机化学工作者和本专业研究生掌握二维NMR谱学的一本重要的专业书和工具书。近年来二维NMR谱学已经在有机合成化学、天然产物化学、生命科学等领域蓬勃发展。二维谱对于解析复杂有机化合物的精细结构及立体结构发挥着重要作用。许多青年学者对二维谱的学习和研究充满了浓厚的兴趣，因此，该书很值得在国内引进。该书有两个鲜明的特色：第一，该书所提供的谱图有详细的足够多的信息，有助于读者发展对解析“NMR谱的直觉”技能，该书能够被大多数初学者所接受，也可以为有机化学家所参考。第二，该书给读者提供了足够的二维核磁共振谱图的问题实例。该书可以指导人们成功地进行NMR实验，在这方面是很实用的。该书提供了大量典型的二维谱图，并用两章的篇幅（第13章和第14章）来探讨未知化合物的鉴定实例，并且遵循了由易到难的原则。这样的编著匠心对于提高学者分析问题和解决问题的能力尤有益处。该书第2章论述了关于仪器方面的一些建议，如样品的准备，样品的纯度，溶剂的选择，样品的量，最佳样品浓度，锁场和匀场等，这些基础知识对于在实验室工作的广大研究生是非常实用的。在第3章的采集、处理和出图的论述中，对设置二维谱数据采集的点数做了详细说明，对自由衰减信号FID做了精要的分析，这些对于研究人员理解和建立二维谱实验很有帮助。该书是专门论述二维核磁谱的专著；《核磁共振谱学——在有机化学中的应用》（第三版）对二维谱的论述只有第6章一章，故作者也没有引用Jeefrey H.Simpson的工作。

总之，核磁共振是一门充满趣味的科学，其理论深邃，具有极强的吸引力，核磁共振的内容博大精深，涉及面广，实用性极强，与有机合成化学和生命科学等学科的关系极为密切。作者希望《核磁共振谱学——在有机化学中的应用》（第三版）的出版，对NMR的学习、研究和应用发挥一定的推动作用，并对从事有机化学、药物化学、植物化学、生物化学和生命科学以及材料科学等方面的科研人员和高校相关专业研究生提供更好的帮助。

1.4.9　几种核的性质