核磁共振氫譜

核磁共振氫譜 (也稱氫譜, 或者 ¹H譜) 是一種將分子中氫-1的核磁共振效應體現於核磁共振波譜法中的應用。可用來確定分子結構。^[1] 當樣品中含有氫，特別是同位素氫-1的時候，核磁共振氫譜可被用來確定分子的結構。氫-1原子也被稱之為氕。

**Example ¹H NMR spectrum** (1-dimensional) of a mixture of menthol enantiomers plotted as signal intensity (vertical axis) vs. chemical shift (in ppm on the horizontal axis). Signals from spectrum have been assigned hydrogen atom groups (a through j) from the structure shown at upper left.

簡單的氫譜來自於含有樣本的溶液。為了避免溶劑中的質子的干擾，製備樣本時通常使用氘代溶劑（氘=²H，通常用D表示），例如：氘代水D₂O，氘代丙酮(CD₃)₂CO，氘代甲醇CD₃OD，氘代二甲亞碸(CD₃)₂SO和氘代氯仿CDCl₃。同時，一些不含氫的溶劑，例如四氯化碳CCl₄和二硫化碳CS₂，也可被用於製備測試樣品。

歷史上，氘代溶劑中常含有少量的（通常0.1%）四甲基矽烷（TMS）作為內標物來校準化學位移。TMS是正四面體分子，其中所有的氫原子化學等價，在譜圖中顯示為一個單峰，峰的位置被定義為化學位移等於0ppm^[2] 。TMS易於揮發，這樣有利於樣品的還原。現代的核磁儀器可以以氘代溶劑中殘餘的氫-1（如：CDCl₃中含有0.01% CHCl₃）峰作為參照，因此現在的氘代試劑中通常已經不再添加TMS。

氘代溶劑的應用允許核磁共振儀磁場強度 $B_{0}$ 的自然漂移可以被氘頻率-磁場鎖定（也被描述為氘鎖定或者磁場鎖定）所抵消。為了實現氘鎖定，核磁共振儀監視着溶液中氘信號的共振頻率，通過對 $B_{0}$ 的調整來保持共振頻率的恆定^[3]。另外，氘信號也可以被用來更加準確的定義0ppm，這是因為氘代溶劑的共振頻率以及其與TMS的共振頻率之差都是已知的。

大部分有機化合物的核磁共振氫譜中的表徵是通過介於+14ppm到-4ppm範圍間化學位移和自旋偶合來表達的。質子峰的積分曲線反映了它的豐度。

簡單的分子有着簡單的譜圖. 氯乙烷的譜圖中包含一個位於1.5ppm的三重峰和位於3.5ppm的四重峰，其積分面積比為3:2。苯的譜圖中只有位於7.2ppm處的單峰，這一較大的化學位移是芳香環中的反磁性環電流的結果。

通過與碳-13核磁共振協同使用，核磁共振氫譜成為了表徵分子結構的一個強有力的工具。

化學位移

化學位移符號δ雖稱不上精準但廣泛存在，因此常常作為譜學分析中的重要參考數據。範圍一般在 ±0.2 ppm ，有時更大。確切的化學位移值取決於分子的結構、溶劑、溫度及該NMR分析所用的磁場強度及其他相鄰的官能團。氫原子核對鍵結氫原子的混成軌域和電子效應敏感。核子經常因吸引電子的官能基解除屏蔽。未屏蔽的核子會反應較高的δ值，而有屏蔽的核子δ值較低。

官能基如羥基（-OH）、酰氧基（-OCOR）、烷氧基（ -OR ）、硝基（-NO₂ ）和鹵素等均為吸引電子的取代基。這些取代基會使C_α上相連的氫峰向低場移動大約2-4 ppm， C_β上相連的氫峰向低場移動大約1-2 ppm。 C_α 是與取代基直接相連的碳原子， C_β 是與C_α 相連的碳原子. 羰基, 碳碳雙鍵和芳香環等含「sp²」雜化碳原子的基團會使其C_α上相連的氫原子峰向低場移動約1-2 ppm 。

需要注意的是，活潑的質子如羥基（-OH）、胺基（-NH₂）、巰基（-SH）不會形成明顯的化學位移。不過，這些峰可以通過活潑氫與D₂O中的氘的交換作用而消失，因此可以被用來鑑定特徵峰。

官能基	CH₃	CH₂	CH
CH₂R	0.8	1.3	1.6
C=C	1.6	2.0	2.6
C≡C	1.7	2.2	2.8
C₆H₅	2.3	2.6	2.9
F	4.3	4.4	4.8
Cl	3.0	3.4	4.0
Br	2.7	3.4	4.1
I	2.2	3.2	4.2
OH	3.3	3.5	3.8
OR	3.3	3.4	3.7
OC₆H₅	3.8	4.0	4.3
OCOR	3.6	4.1	5.0
OCOC₆H₅	3.9	4.2	5.1
OCOCF₃	4.0	4.4	/
CHO	2.2	2.4	2.5
COR	2.1	2.2	2.6
COOH	2.1	2.3	2.6
COOR	2.0	2.3	2.5
CONR₂	2.0	2.1	2.4
CN	2.1	2.5	3.0
NH₂	2.5	2.7	3.0
NR₂	2.2	2.4	2.8
NRC₆H₅	2.6	3.0	3.6
NR₃⁺	3.0	3.1	3.6
NHCOR	2.9	3.3	3.7
NO₂	4.1	4.2	4.4
SR	2.1	2.5	3.1
SOR	2.6	3.1	/
=O (脂肪醛)	/	/	9.5
=O (芳香醛)	/	/	10
M-H (金屬的氫配合物)	/	/

自旋偶合裂分

在一維核磁共振氫譜中，自旋耦合引起的峰分裂相關於與該原子耦合的H的磁環境的數目，以及每種磁環境（magnetic environment）^[4]下H的數目、自旋耦合常數（單位：Hz）。每一種磁環境會引起一次峰分裂，而峰分裂的形態則取決於該磁環境下H的數目，以及相關的耦合常數。

理論上而言，在足夠低的溫度下，每一個耦合的H都與峰H有着不同的耦合常數；但在實際中一些H由於對稱性以及熱運動（如甲基上的三個氫會快速旋轉）會無法在NMR中區分耦合常數。這使得從結果上而言，在某一種磁環境下若包括n個H，則會使原峰分裂成n+1個；同時，磁環境的數目等同於自旋耦合裂分的次數。

例如，在H2C=CH-CH3的1H NMR中，二號C上的H會因為自旋耦合而形成三重-四重峰（或四重-三重峰，取決於耦合常數的大小）：兩種磁環境；一種下有2個H，一種下有3個H。如果足夠清晰，在圖譜上會有3*4=12個小尖。

碳衛星峰和旋轉邊峰

另見

質譜法
波普爾標記法 – 用來表示耦合自旋系統的字母。

參考文獻

^ R. M. Silverstein, G. C. Bassler and T. C. Morrill, Spectrometric Identification of Organic Compounds, 5th Ed., Wiley, 1991.
^ The Theory of NMR - Chemical Shift. [2015-02-27]. （原始內容存檔於2015-01-23）.
^ 美國專利4110681 (PDF 版本)（於1978年08月29日註冊）Donald C. Hofer; Vincent N. Kahwaty; Carl R. Kahwaty——NMR field frequency lock system。
^ Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR spectroscopy) – An Overview. （原始內容存檔於2021-01-08）.

外部連結

¹H-NMR Interpretation Tutorial （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
Spectral Database for Organic Compounds （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
Proton Chemical Shifts
1D Proton NMR 1D NMR experiment

[1] R. M. Silverstein, G. C. Bassler and T. C. Morrill, Spectrometric Identification of Organic Compounds, 5th Ed., Wiley, 1991.

[2] The Theory of NMR - Chemical Shift. [2015-02-27]. （原始內容存檔於2015-01-23）.

[3] 美國專利4110681 (PDF 版本)（於1978年08月29日註冊）Donald C. Hofer; Vincent N. Kahwaty; Carl R. Kahwaty——NMR field frequency lock system。

[4] Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR spectroscopy) – An Overview. （原始內容存檔於2021-01-08）.

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