C核磁共振与二维核磁共振

13C核磁共振与二维核磁共振,13C的天然丰度只占1.108%，所以含碳化合物的13C-NMR信号很弱，致使13C-NMR的应用受到了极大的限制。六十年代后期，脉冲付立叶变换(PFT)谱仪的出现，才使13C-NMR成为可实用的测试手段。,13C核磁共振基本原理,13C核的实受磁场B满足=B，就发生核磁共振。,是核的13C旋磁比。,C,核磁共振的信号强度NB023I(I+1)/T,N一共振核的数目一旋磁化I一自旋量子数T一绝对温度,共振信号与旋磁比的立方成正比。而CH/4，13C的天然丰度也只有1.1%。所以核的测定灵敏度是很低的，大约是核的1/6000.,为了提高信号强度，常采用下述方法：,（a）提高仪器灵敏度。,（b）提高仪器外加磁场强度和射频场功率。但是射频场过大容易发生饱和。这两条都受到限制。,（c）增大样品浓度，增大样品体积，以增大样品中核的数目。,（d）采用双共振技术，利用NOE效应增强信号强度。,（e）多次扫描累加，这是最常用的有效方法。在多次累加时，信号S正比于扫描次数，而噪音N正比于，所以S/N（信噪比，即信号强度)正比于。若扫描累加100次，S/N增大10倍。,13C的测定灵敏度很低，信号弱，必须累加多次。为了解决这个问题，只有采用脉冲付立叶变换NMR仪。,脉冲付立叶变换NMR仪采用脉冲发射，可以同时使各种不同的核发生跃迁，使它们同时被激发。在接收机中可以得到一张随时间逐步衰减的信号，称为FID一自由感应衰减信号(FreeInducedDecay)，它是各种核的FID信号的叠加，同时包括了各种核的信息。,所以近代仪器都配有计算机，把FID信号通过付立叶转换变成通常的NMR谱。FID信号f(t)NMR谱f()。,1H和其他I0的核(如2H、19F、31P)与13C之间有偶合作用，13C-NMR谱中碳原子的谱峰也会发生分裂，I=1/2的1H、19F、31P它们形成的CXn系统是满足一级谱的，也符合n+1规律。对于其他核，符合2nI+1规律。在只考虑1JCH偶合时，各个碳在偶合谱中的峰数和相对强度如下表。,表5-1CHn体系的峰数及强度比,对于其他任意原子构成的CXn系统，计算裂分峰的通式为(2nIx+I)。,当X为1H,19F,时,I=1/2，故(2nIx+l)=n+l。,当X为重氢时，因为ID=l，所以2nIx+l=2n+l。即在CDCl3中，碳为三重峰。在CD3-CO-CD3中，甲基碳原子为23+1=7重峰。峰强度比仍符合二项式展开项系数之比。,在碳谱中最重要的参数是峰的个数及其化学位移。,5.213C-NMR测定方法,在13C-NMR谱中，因碳与其相连的质子偶合常数很大，1JCH大约在100200Hz，而且2JC-CH和3JC-C-CH等也有一定程度的偶合，以致偶合谱的谱线交迭，使图谱复杂化。故常采用一些特殊的测定方法.,核磁双共振及二维核磁共振就是最重要的方法。,核磁双共振又分为若干种不同的方法，如质子宽带去偶、偏共振去偶等等。,在13C-NMR测定中常规的测试就是质子宽带去偶。,双共振又分为同核双共振(如1H-1H)和异核双共振(如13C-13C-H)。,通常采用符号AX表示，A表示被观察的核，X表示被另一射频照射干扰的核。,因为在天然丰度的化合物中，可以不考虑13C-13C偶合，故双共振都是异核双共振。因此质子去偶的双共振表示为13C1H。,质子宽带去偶,用一个强的有一定带宽的去偶射频使全部质子去偶，使得1H对13C的偶合全部去掉。CH3、CH2、CH、季C皆是单峰。,其他核如D、19F、31P对碳的偶合此时一般还存在。峰的重数由核的个数和自旋量子数Ix确定,用2nIx+1计算。,如ID=1,IF=1/2,IP=1/2基团CDn有2n+1个峰,CDCl3作溶剂的碳谱中总有3个大峰;基团CFn和CPn有n+1个峰,如基团CF3为4重峰.,在分子中没有对称因素和不含氘、F、P等元素时，每个碳原子都出一个峰，互不重叠。,而且由于多重偶合峰合并成单峰提高了信噪比，使信号增强。一般去偶时的NOE效应常使谱线增强12倍。,5.2.2偏共振去偶,采用一个较弱的干扰照射场，这个射频不会使任一质子去偶，而与各种质子的共振频率偏离，便碳原子上的质子在一定程度上去偶。,偶合常数比原来的JCH小，称为剩余偶合常数JR。但是峰的裂分数目不变，仍保持原来的数目，而裂距减小了。,JR与照射频率偏置程度有关,门控去偶,质子宽带去偶图谱得不到C-H的偶合信息，质子偏共振去偶仅能看到一个键C-H偶合的剩余偶合裂分，看不到远程偶合。,为了得到真正的一键或远程偶合则需要对质子不去偶。但一般偶合谱费时太长，需要累加很多次。为此采用带NOE的不去偶技术，叫门去偶法，也叫交替脉冲法。,接收的FID信号是具有偶合同时有NOE增强的信号。,反转门控去偶法,它的目的是得到宽带去偶谱，但消除NOE，保持碳数与信号强度成正比例的方法。可用于碳核的定量。而一般的宽带去偶信号强度与碳原子个数不成比例,不能用于碳核的定量。,极化转移技术,极化转移技术可以克服偏共振实验中共振谱线发生重叠和指配复杂分子的谱时的一些困难，可以准确指配CH、CH2、CH3和季碳，而测量时间比偏共振谱短。,但极化转移技术要求仪器有多脉冲器，射频脉冲有45o、90o、135o等相位移控制装置。一般八十年代以后的仪器皆可以做此实验。,的13C谱和DEPT谱，,13C-NMR参数,主要有化学位移、偶合常数J和谱线强度三个参数。最重要的是化学位移。,化学位移及影响因素,13C-NMR谱化学位移的分布范围约为400ppm，因此对分子构型、构象的微小差异也很敏感。一般情况下，对于宽带去偶的常规谱，几乎化合物的每个不同的种类的碳均能分离开。,（1）化学位移的内标物,用四甲基硅(TMS)的信号的C作为零，把出现在TMS低场一侧(左边)的信号的C值规定为正值，在TMS右侧即高场的信号规定为负值。,一般水溶性样品常用二氧六环或DSS作内标，DSS各碳的位移值如下：DSS：NaSO3一CH2一CH2一CH2一SiMe3C:7.2521.1517.70,也可以用溶剂作内标。常用的溶剂的C见表5-2。,表5-2常用的溶剂的C(PPm)(TMS为内标),（2）化学位移与屏蔽,13C-NMR要满足关系式：,C的屏蔽系数是四项因数的加和:,=抗磁+顺磁+介质,核外电子云密度大，抗磁大，在高场共振，小。,但在13C-NMR中顺磁项影响大于抗磁。其他原子的存在，使所讨论的原子核外电子运动受阻，电子云显非球形，产生一个与外加磁场一致的小磁场，叫顺磁。S电子对顺磁无贡献，p,d电子有贡献。,NB邻近核B各向异性，取决于B的性质和几何位置。,介质表示溶剂和介质的影响。,（3）影响化学位移的因素,C受分子间影响较小。而碳处在分子骨架上，所以分子间效应对碳影响较小，但分子内部相互作用显得重要。,(a)杂化状态:,杂化状态是影响C的重要因素，一般说C与该碳上的H次序基本上平行。,SP3CH3C=O在最低场150220PPm,(b)诱导效应,有电负性取代基、杂原子以及烷基连接的碳，都能使其C信号向低场位移，位移的大小随取代基电负性的增大而增加，这叫诱导效应。,下表列举了一些取代基对正烷烃的诱导效应。可以看出诱导效应对-C影响较大，但对-C和-C影响较小，而且它们的诱导位移随取代基的变化无明显变化。,正烷烃未端氢被电负性取代基取代后的诱导位移C,(c)空间效应,化学位移对分子的几何形状非常敏感，相隔几个键的碳，如果它们空间非常靠近，则互相发生强烈的影响，这种短程的非成键的相互作用叫空间效应。,Grant提出了一个空间效应的简单公式，由空间效应引起的位移增量St不仅决定于质子和质子间的距离HH，而且取决于HH轴和被干扰的C-H键之间的夹角：St=CFHH(HH)COS,HH,FHH表示质子之间的排斥力是HH的函数。C为常数，St的符号取决于,可正可负。,例苯乙酮中若乙酰基邻近有甲基取代，则苯环和羰基的共平面发生扭曲，羰基碳的化学位移与扭曲角有关。,=0=28=50C=195.7C=199.0C=205.5,(d)超共轭效应及其他,当第二周期的杂原子N、O、F处在被观察的碳的位并且为对位交叉时，则观察到杂原子使碳的C不是移向低场而是向高场位移2-6ppm。这可以用超共轭效应解释，由于超共轭提高了-C的电荷密度。,超共轭示意图,在苯环的氢被取代基取代后，苯环上碳原子的C变化是有规律的。,若苯氢被拉电子基团-CN、-NO2取代后，则使苯环上电子离域到这些吸电子基团上，减少了邻对位碳的电荷密度，屏蔽减小。,若苯氢被-NH、-OH取代后，则这些基团的孤对电子将离域到苯环的电子体系上，增加了邻位和对位碳上的电荷密度，屏蔽增加；,128.5a147.7,b116.1a112.5,b132.0c129.8,d119.0c129.0,d132.8,在不饱和羰基化合物和具有孤对电子的取代基系统中，这些基团使羰基碳正电荷分散，使其共振向高场位移。,-CHO-CO-CH3COOHCONH2-COCl-COBrc=O201204177172170167,c=O201.5192.4190.7,(e)重原子效应,大多数电负性基团的作用主要是去屏蔽的诱导效应。但对于较重的卤素，除了诱导效应外，还存在一种所谓重原子效应。,随着原子序数的增加，抗磁屏蔽增大，这是因为重原子的核外电子数增多，便抗磁屏蔽项增加而产生的。,这主要是由于诱导效应引起的去屏蔽作用和重原子效应的屏蔽作用的综合作用结果。对于碘化物，随着n的增大，表现出屏蔽作用。,表5-4卤代甲烷中碳的c值,(f)分子内氢键,邻羟基苯甲醛及邻羟基苯乙酮中分子内氢键的形成，使羰基碳去屏蔽，c增大。,c=O191.5196.9195.7204.1,(g)介质位移,介质对c有一定的影响，但一般比较小。介质位移主要是:稀释位移，溶剂位移和pH位移。介质pH值对胺、羧酸盐、氨基酸等化合物有影响。,(h)位移试剂:,稀土元素如Eu(II)、Pr(II)、Yb(II)的络合物常用作位移试剂。这些位移试剂加入试样后，由于稀土元素离子的孤对电子与试样中的极性基团如-OH、-NH2、-SH、-COOH、C=O等作用，使样品的c产生诱导的、附加的化学位移，可以把谱带拉开。,偶合常数,只考虑13C-1H偶合，不考虑13C-13C偶合。,（1）理论:,核之间的自旋偶合作用是通过成键电子自旋相互作用造成的，与分子取向无关，这是一种标量偶合。实验发现核N与核K之间的相互作用能与它们核的自旋量子数I的标量积成正比。,E=JNKINIK,JNK叫偶合常数。偶合常数由分子结构决定，与外磁场大小及外界条件无关。,(a)杂化轨道S成分的多少影响的大小。,(b)电负性基团的取代改变碳核的有效电荷密度，影响大小。,(C)如果氢原子被其他原子(K)取代，影响偶合常数。,(2)1JCH:一般在120320HZ。,(a)与杂化轨道S成份有关，经验证明，,1JCH5(%S)HZ,理论计算有如下关系1JCH=5.7(%S)-18.4(HZ)S成分增大，1JCH增大。,乙烷、乙烯、乙炔中杂化轨道SP3、SP2、SPS成份25%、33%50%1JCH125、165、250HZ，,(b)1JCH还与键角有关,与脂环烃环大小有密切关系:,表5一6环的大小与,(c)1JCH还受取代基的电负性影响。取代基电负性越大，碳核的有效核电荷增加越多，1JCH也增大越多。,CH4CH3ClCH3FCH2F2CHF31JCH125150.0149.1184.5239.1,（3）2JCCH,质子与邻位碳原子的偶合2JCCH在-5-60HZ。,2JCCH一般数值不大。它与杂化及取代基也有关系。在2JCCH中，两个碳原子的杂化状态都影响它的值。S成分增加2JCCH增大；偶合的碳原子上有电负性取代基，2JCCH增大。,各类碳的化学位移,碳原子在13C-NMR中的C与很多因素有关，主要是杂化轨道状态及化学环境。,sp3-C在-2.143ppm,sp2-C在100165ppm，sp-C在6792ppm。,各类碳的化学位移顺序与氢谱中各类碳上对应质子的化学位移顺序有很好的一致性。若质子在高场，则该质子连接的碳也在高场；反之，若质子在低场，则该质子连接的碳也在低场。,13C-NMR的解析及应用,13C-NMR用于化合物结构分析，反应机理研究。可以确定碳原子个数，碳原子上氢原子的个数，碳原子的化学环境及可能的联结基团。,13C-NMR谱图解析通常按下列步骤进行:,（1）充分了解已知的信息，如分子量、分子式、元素分析数据和其他波谱分析数据。若已知分子式则先算出不饱和度。,（2）检查谱图是否合格，基线是否平坦，出峰是否正常，认清测试条件和方法。,（3）找出溶剂峰。,（4）确定谱线数目，推断碳原子数。当分子中无对称因素时，宽带去偶谱的谱线数等于碳原子数；当分子中有对称因素时，谱线数少于碳原子数。由于宽带去偶谱中峰强度与碳原子数不成正比，所以当分子中有对称因素时要用反转门去偶(非NOE方式)测定碳原子数。,（5）由DEPT,2DNMR等方法确定各种碳的类型:季碳、叔碳、CH2，-CH3,C=O等。,(6)分析各个碳的c，参考其他信息，推断碳原子上所连的官能团及双键，三键存在的情况。,一般谱图从高场到低场可分为四大区:0-40ppm为饱和区；40-90ppm碳上有N、O等取代；90-160ppm为芳碳及烯碳区；160ppm为羰基碳及叠烯碳。,（7）推测可能的结构式。用类似化合物的c的文献数据作对照，按取代基参数估算c，结合其他分析，找出合理结构式。,（8）当分子比较复杂，碳链骨架连接顺序难以确定时，可应用以下讲到的2DNMR，确定各个碳之间的关系及连接顺序。,（9）对照标准谱图确定结构。必要时用一些特殊方法验证。,例1：某未知物，分子式为C7H9N,13C-NMR如下，推断结构式。,解:（1）不饱和度U=4,（2）1号峰为饱和碳，27号峰为SP2杂化碳。,（3）1号峰为四重峰，故是CH3。按c值可能为CH3-Ph或CH3-C=C。,（4）27号峰从多重峰的组成及c值看是双取代苯上的碳。,(5)除以上两个结构单元CH3和C6H4外，还剩一个NH2。,（6）故可能结构为CH3-Ph-NH2,(A)(B)(C),(7)因为结构（C）的取代苯上的碳只出4个峰，可排除。A和B可用计算碳原子c值，排除了A。化合物为B。,例2：,例3：证明乙酰丙酮的互变异构。下面是乙酰丙酮的1H和13C-NMR图谱。,解：乙酰丙酮的结构为CH3-CO-CH2-CO-CH3。其1H-NMR应出现一个CH3单峰和一个CH2单峰，其强度比为6：2。但实际上有5个峰，证明有不同构型存在。从13C-NMR看，除了二种C=O外，尚在100ppm左右有一个峰，此峰在偏共振谱中为双峰，故为-CH型的烯碳。在氢谱中14.70ppm峰说明有氢键。所以可以推断，有互变异构体。在氢谱中各个峰对应的质子如下：,在碳谱中各个峰对应的质子如下：,二维核磁共振简介,二维核磁共振的基本原理,二维核磁共振(2DNMR)方法是七十年代提出并发展起来的。,NMR一维谱的信号是一个频率的函数，共振峰分布在一个频率轴（或磁场）上，可记为S()。,而二维谱信号是二个独立频率（或磁场）变量的函数，记为S(1,2),共振信号分布在两个频率轴组成的平面上。也就是说2DNMR将化学位移、偶合常数等NMR参数在二维平面上展开，于是在一般一维谱中重迭在一个坐标轴上的信号，被分散到由二个独立的频率轴构成的平面上，使得图谱解析和寻找核之间的相互作用更为容易。不同的二维NMR方法得到的图谱不同，二个坐标轴所代表的参数也不同。,2DNMR一般有二维J分解谱和二维相关谱两类。,二维J分解谱是将不同的NMR信号分解在两个不同的轴上，使重叠在一起的一维谱的化学位移和偶合常数J分解在平面两个坐标上，便于解析。二维J分解谱分为同核或异核J分解谱。,二维相关谱是检测核的自旋偶合及偶极相互作用等核自旋间的相互作用的，也分为同核位移相关和异核位移相关谱。根据不同核的磁化之间转移的不同，二维相关谱可分为化学位移相关谱、多量子跃迁谱及化学交换/NOE二维谱等种类。,2D-NMR实验的记录有四种图谱类型。但常用平面等值线图。,平面等值线图：又叫平面等高线图。一般2DNMR常使用这种图。它是把堆积图用一个平行于轴F1和F2的平面平切后所得。平切位置对图的信息量有影响。,（1）氢、氢同核二维J分解谱,同核二维J分解谱将1HNMR中重迭密集的谱线多重峰结构展开在一个二维平面上，可将偶合常数JHH与化学位移分别在F1、F2二个轴上给出。,A2X3体系的同核二维J分解谱的原谱。在F1轴上可得到J偶合信息，而在F2轴上是化学位移和JHH同时出现。如A2部分的质子为四个峰，X3部分为三重峰。,反式丙烯酸乙酯的1H1H同核二维J分解谱,2）异核碳、氢二维J分解谱,异核二维J分解谱中被测定的核的化学位移为一维，该种核与另一种核之间偶合的多重峰裂分为另一维。,异核13C,1H2DJ分解核磁共振谱的F2轴为13C化学位移C，F1轴为1H与13C的偶合JCH。,由于使用的脉冲序列不同，可以得到几种图谱。应用最多的为门控去偶13C,1HJ分解2DNMR。此时F2轴为13C的化学位移C。F1轴为JCH偶合的多重峰，裂距为1/2JCH。,出峰情况是CH为二重峰，CH2为三重峰，CH3为四重峰，季碳单峰或不出峰。,反式丙烯酸酯的13C,1HJ分解2D谱。F2轴为13C的化学位移。F1轴为JCH偶合的多重峰。,同核化学位移相关谱,二维化学位移相关谱（相关谱英文为CorrelationSpectroscopy,简写为COSY）是比二维J分解谱更重要更有用的方法。2DCOSY谱又分为同核和异核相关谱二种。,相