魂之領域

      身為一位研究科學的人，我們除了在自己專業的領域上不斷追求更多新的發現和研究成果之外，同時經常會讓我們思考的一件事情是，「我們如何將科學上的研究成果及發現，介紹給一般的社會大眾認識，特別是針對非理工學科、只具備基本科學知識的人。」要讓一般不具備專業科學知識的社會大眾，也能夠了解科學上的研究成果，我們在描述一個科學的理論或現象時，勢必不能使用大量的專業術語、涉及複雜的邏輯推演、以及過於高深的數學運算。

      為此，我在撰寫這篇文章的時候，不光只是因為這篇文章的內容，會當作期中考成績的評分依據，我更希望能夠透過這篇文章的撰寫，想辦法利用更簡單易懂的論述，將NMR光譜的相關知識，介紹給未修習過NMR課程的人(特別是非理工相關學科的人)。在撰寫這篇文章時，我將主要著重於介紹NMR光譜在化學結構鑑定上的應用，我也會盡量避免使用專業的術語及涉及複雜的計算公式。以下就先為讀者介紹NMR的基本知識。

      科學家發現部分原子的原子核，會有核自旋的現象，核自旋會產生磁矩，這使得這些原子表現的行為如同磁鐵一樣。如果對這些原子外加強烈的磁場，再給予固定頻率的射頻場，這些原子的原子核就會吸收射頻的能量。NMR光譜的共振訊號，就是因此而來的。具備上述特性的原子，經常被利用在NMR光譜中的原子有¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P等等。

      從一個標準的NMR光譜當中，我們可以得到兩種資訊，一種是訊號峰的強度，一種是訊號峰出現的位置。藉由這兩種資訊，我們可以從分子簡式去判斷，化合物實際的分子結構、及鍵結情況為何。

      以¹H NMR光譜來說明，先從訊號峰出現的位置來看，雖然同樣都是H原子，都是在分子結構中，處在不同位置(接在不同的元素上)的H原子核，所受到的外加磁場會不一樣。H原子和其他原子連接時，因為在化學鍵當中，電子雲分佈的狀態不同，會影響到原子核所受到的外加磁場的強度。原子核吸收的射頻頻率(或者說是能量)，也會有產生不同的改變，這些改變就造成了¹H NMR光譜中，H原子的訊號峰會出現在不同位置的現象。這些因為原子核附近電子雲分佈狀況不同(化學鍵結情況不同)，而造成訊號峰出現在光譜上不同位置的現象，就叫作化學位移。

      化學位移是NMR光譜中用來分析分子結構的重要資訊，在¹H NMR光譜中，化學位移是以TMS(Tetramethylsilane)的H原子共振訊號為基準點，用其他分子中的H原子的共振訊號和其相對應的位置，來表示一整個¹H NMR光譜。標示訊號峰位置的單位為ppm，以TMS為參考基準點的¹H NMR光譜，訊號峰位置範圍在12到-1ppm之間。

      再來談到訊號峰的強度，訊號峰的強度可以給我們關於H原子相對數量的資訊。我們在討論化學位移的時候，談到分子中不同位置的H原子會有不同的化學位移，在不同的化學位移上都可以發現一個訊號峰。但如果有數個H原子處在相同的位置時(所受到的電子雲分佈影響相同)，透過訊號峰的相對強度，我們可以得到H原子相對數量的資訊。假設在同樣的一個C上面，連接有三個H原子；而在同樣分子的另外一個C上面，連接有一個H原子，那麼在這兩邊C上面的H原子，在NMR光譜上的訊號峰強度比，就是3：1。

      我們使用訊號峰強度來比較，但是實際上在判斷NMR光譜時，為了方便起見，都是使用訊號峰的高度。如果要真實的判斷訊號峰的強度，需要計算整個訊號峰曲線範圍內所佔領的面積，才能真實的代表訊號峰的強度，為要計算此面積，我們需要利用到微積分的相關概念，實際計算時需要利用到電腦的幫助。在電腦出現之前，比較克難的方法是將光譜上的訊號峰按照圖形剪下來，在電子天平上秤重，比較各個訊號峰圖形的重量比。

      除了訊號峰的位置和強度之外，另外一個可以利用來輔助判斷分子結構的資訊，還包括了訊號峰的分裂狀態(專業術語稱為耦合，coupling)。同樣以¹H NMR光譜來說明，在同樣位置上的H原子，原則上只會產生一個訊號峰，但是在一些狀態之下，這些訊號峰會在同樣的化學位移上分裂成數個次要的訊號峰。

      就原理上來說，相近的原子核之間，自旋角動量會產生相互影響，這種相互影響會改變原子核自旋狀態，在外加磁場中的能量分佈情況，造成能量的分裂。因此會造成NMR光譜中訊號峰形狀發生變化，產生訊號峰的分裂現象。透過判斷訊號峰的分裂現象，可以推測出分子結構當中，H原子間的連接關係。

      就實例上來說明，當兩個相連的C，各自連接有H原子時，原本在各自的C上面連接的所有的H原子，應該會產生一個單獨的一個訊號峰，但是這個時候因為相臨的C上面都存在有H原子，因此H原子核間的自核角動量會產生相互影響，而使得訊號峰產生分裂的現象。因此原本應為單獨的訊號峰，可能會分裂成兩個或多個訊號峰。簡單的來介紹分裂的實際情況，相近的C上接有n個H原子時，訊號峰就會分裂成n+1個訊號峰。當然會有更複雜的分裂情況出現，只是在這裡就不多作說明。

      總結NMR光譜在化學結構分析上的應用，大部分的化合物都包含H原子，因此¹HNMR光譜的分析，可以幫助我們判斷出化合物的實際結構。透過化學位移、訊號峰強度、訊號分裂的情況，可以在一定的程度上幫助我們了解化合物之間的實際鍵結情況。