13C核磁共振与二维核磁共振-化院本科-44

1、13C核磁共振与二维核磁共振核磁共振与二维核磁共振 13C的天然丰度只占的天然丰度只占1.108%，所以含碳化合物的，所以含碳化合物的13C -NMR信号很弱，致使信号很弱，致使13C-NMR的应用受到了极大的限制。的应用受到了极大的限制。六十年代后期，脉冲付立叶变换六十年代后期，脉冲付立叶变换(PFT)谱仪的出现，才使谱仪的出现，才使13C -NMR成为可实用的测试手段。成为可实用的测试手段。 5.1 13C核磁共振基本原理核磁共振基本原理 13C核的实受磁场核的实受磁场B满足满足= B，就发生核磁共振。，就发生核磁共振。 2 是核的是核的13C旋磁比。旋磁比。 C H4为了提高信号强度，常

2、采用下述方法：为了提高信号强度，常采用下述方法： （a）提高仪器灵敏度。）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）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。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）增大样品浓度，增大样品体积，以增大样品中核的数目。数目。 （d）采用双共振技术，利用）采用双共振技术，利用NOE效应增强信号强度。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）多次扫描累加，这是最常用的有效方法。在多次累加时，信号加时，信号S正比于扫描次数，而

3、噪音正比于扫描次数，而噪音N反比于扫描次数，反比于扫描次数，所以所以S/N（信噪比，即信号强度（信噪比，即信号强度) 正比于。若扫描累加正比于。若扫描累加100次，次，S/N增大增大10倍。倍。 1H和其他和其他I0的核的核(如如2H、19F、31P)与与13C之间有偶合作之间有偶合作用，用，13C-NMR谱中碳原子的谱峰也会发生分裂，谱中碳原子的谱峰也会发生分裂， I=1/2的的 1H 、19F、31P它们形成的它们形成的CXn系统是满足一级谱的，也符系统是满足一级谱的，也符合合n+1规律。对于其他核，符合规律。对于其他核，符合2nI+1规律。规律。 在只考虑在只考虑 1JCH 偶合时，各个

4、碳在偶合谱中的峰数和相偶合时，各个碳在偶合谱中的峰数和相对强度如下表。对强度如下表。CH体系体系峰数峰数峰数峰数代号代号多重峰相对强度多重峰相对强度季碳季碳1s2d1：1CH23t1：2：1-CH34q1：3：3：1表表5-1 CHn体系的峰数及强度比体系的峰数及强度比.2 13C-NMR测定方法测定方法 在在13C-NMR谱中，因碳与其相连的质子偶合常数很大，谱中，因碳与其相连的质子偶合常数很大，1JCH大约在大约在100200Hz，而且，而且2JC-CH和和3JC-C-CH等也有一定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。故程度的偶合，以致偶合谱的谱线交迭，使图谱复杂化。

5、故常采用一些特殊的测定方法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。偶、偏共振去偶等等。 在在13C-NMR测定中常规的测试就是质子宽带去偶。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双共振又分为同核双共振(如如1H-1H)和异核双共振和异核双共振(如如13C-1H)。 通常采用符号通常采用符号AX表示，表示，A表示被观察的核，表示被观察的核，X表示被表示被另一射频照射干扰的核。另一射频照射干扰

6、的核。 因为在天然丰度的化合物中，可以不考虑因为在天然丰度的化合物中，可以不考虑13C-13C 偶合，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。质子宽带去偶质子宽带去偶 用一个强的有一定带宽的去偶射频使用一个强的有一定带宽的去偶射频使全部质子去偶全部质子去偶，使得使得1H对对13C的偶合全部去掉。的偶合全部去掉。 CH3、CH2、CH、季、季C皆是皆是单峰。单峰。 其他核如其他核如 D对碳的偶合此时一般还存在对碳的偶合此时一般还存在。峰的重数由核。峰的重数由核的个数和自旋量子数的个数和自旋量子数Ix确定确定,用用2nI

7、x+1计算。计算。 如如ID=1, 基团基团CD n有有2n+1个峰个峰, CDCl3作溶剂的碳谱中总有作溶剂的碳谱中总有3个个大峰大峰;NCH3CH3CHO6189.55154.04132.53124.82110.8139.6的 质 子 宽 带 去 偶 谱1234565.2.2 偏共振去偶偏共振去偶 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，使碳原子上的质子去偶，而与各种质子的共振频率偏离，使碳原子上的质子在一定程度上去偶。子在一定程度上去偶。 偶合常数比原来的偶合常数比原来的JCH小，称为剩余偶合常数小，

8、称为剩余偶合常数JR。但是。但是峰的裂分数目不变，仍保持原来的数目，而裂距减小了。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与照射频率偏置程度有关 偶合谱偏共振谱去偶谱 CH3在13C-NMR中干扰频率变化与图谱的关系NCH3CH3CHO6189.55154.04132.53124.82110.8139.6的 偏 共 振 去 偶 谱123456极化转移技术极化转移技术 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，可以准确指配和指配复杂分子的谱时的一些困难，可以准确指配CH、C

9、H2、CH3和季碳，而测量时间比偏共振谱短。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，射频脉冲有但极化转移技术要求仪器有多脉冲器，射频脉冲有45 o、90o、135o等相位移控制装置。一般八十年代以后的仪器等相位移控制装置。一般八十年代以后的仪器皆可以做此实验。皆可以做此实验。极化转移技术极化转移技术灵敏核灵敏核 非灵敏核非灵敏核检测检测（非灵敏核）（非灵敏核）J脉冲序列脉冲序列1 1脉冲序列脉冲序列2 2 极化转移极化转移(PT)(PT)是一种非常实技是一种非常实技术，它用二种特殊的脉冲序列分术，它用二种特殊的脉冲序列分别作用于非灵敏核和灵敏核两种别作用于非灵敏核和

10、灵敏核两种不同的自旋体系上。通过两体系不同的自旋体系上。通过两体系间极化强度的转移，从而提高非间极化强度的转移，从而提高非灵敏核的观测灵敏度，基本的技灵敏核的观测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏度的富核处巧是从高灵敏度的富核处“借借”到了极化强度。到了极化强度。 在具有两种核自旋的系统中，可把高灵在具有两种核自旋的系统中，可把高灵敏核（敏核（1 1H H核）的自族极化传递到低灵敏核）的自族极化传递到低灵敏核核( (1313C)C)上去。上去。 这样由这样由1 1H H核到与之偶合着的核到与之偶合着的1313C C核的完全核的完全极化传递极化传递(Polarization transfer)(Pol

11、arization transfer)可将可将1313C C核的核的 态的粒子数差提高态的粒子数差提高4 4倍倍 极化转移是由偶合着的极化转移是由偶合着的C CH H键完成键完成的因此季碳没有极化转移的条件，所的因此季碳没有极化转移的条件，所以不出现信号，可对照对照常规以不出现信号，可对照对照常规13C13C宽带宽带质子去偶谱季碳信号加以指认质子去偶谱季碳信号加以指认Mercury-plus & Inova:CH3、CH2、CH无无季碳（对照碳谱即可）季碳（对照碳谱即可）DEPT 的的13C谱和谱和DEPT谱，谱，206080120160123456789101112123456712

12、345671234567(a)13CNMR(b)DEPT450全 部 有 氢 碳(c)DEPT900 CH(d)DEPT1350CH CH3 CH2所 有 的 碳 原 子NH-C-NH-C-OCH2CH3OSCH3CH31211109765432185.3 13C -NMR参数参数 主要有化学位移主要有化学位移 、偶合常数、偶合常数J和谱线强度三个参数。和谱线强度三个参数。最重要的是化学位移。最重要的是化学位移。5.3.1 化学位移化学位移 及影响因素及影响因素 13C -NMR谱化学位移的分布范围约为谱化学位移的分布范围约为400ppm，因此，因此对分子构型、构象的微小差异也很敏感。对分子构

13、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。每个不同的种类的碳均能分离开。（1）化学位移的内标物）化学位移的内标物 用四甲基硅用四甲基硅(TMS)的信号的的信号的 C作为零，把出现在作为零，把出现在TMS低场一侧低场一侧(左边左边)的信号的的信号的 C值规定为正值，在值规定为正值，在TMS右侧即右侧即高场的信号规定为负值。高场的信号规定为负值。 一般水溶性样品常用二氧六环或一般水溶性样品常用二氧六环或DSS作内标，作内标，DSS各碳各碳的位移值如下：的位移值如下： DSS ： NaSO3

14、一一CH2一一CH2一一CH2一一SiMe3 C: 7.25 21.15 17.7 0 也可以用溶剂作内标。也可以用溶剂作内标。 常用的溶剂的常用的溶剂的 C见表见表5-2。 表表5-2 常用的溶剂的常用的溶剂的 C(PPm) (TMS为内标为内标)溶剂溶剂 C(PPm)质子化合物质子化合物氘代化合物氘代化合物CH3CN1.7（CH3）1.3（CH3）环己烷环己烷27.526.1CH3-CO-CH330.4（CH3）29.2（CH3）CH3-SO-CH340.539.6CH3OH49.949.0CH2Cl254.053.6二氧六环二氧六环67.466.5CHCl377.276.9CCl496.

15、0-苯苯128.5128.0CH3COOH178.3（COOH）-CS2192.8-（3）影响化学位移的因素）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。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: 杂化状态是影响杂化状态是影响 C的重要因素，一般说的重要因素，一般说 C与该碳上的与该碳上的 H 次序基本上平行次序基本上平行。 SP3 CH3CH2CHC=O 在最低场在最低场 150220PPm(b)诱导效应诱导效应 有电负性取代基、杂原子以及烷基

16、连接的碳，都能有电负性取代基、杂原子以及烷基连接的碳，都能使其使其 C信号向低场位移，位移的大小随取代基电负性的信号向低场位移，位移的大小随取代基电负性的增大而增加，这叫诱导效应。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出诱导效应对 -C影响较大，但对影响较大，但对 -C和和 -C影响较小，而影响较小，而且它们的诱导位移随取代基的变化无明显变化。且它们的诱导位移随取代基的变化无明显变化。 13C -NMR的解析及应用的解析及应用 13C-NMR用于化合物结构分析，反应机理研究。可以确用于化合物结构分析，

17、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。境及可能的联结基团。13C-NMR谱图解析通常按下列步骤进行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）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。和度。 （2）检查谱图是否合格，基线是否平坦，出峰是否正常，）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。认清测试条件和方法。（3）找出溶剂峰。）

18、找出溶剂峰。 （4）确定谱线数目，推断碳原子数。）确定谱线数目，推断碳原子数。当分子中无对称因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。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分子中有对称因素时要用反转门去偶(非非NOE方式方式)测定碳测定碳原子数。原子数。 （5）由）由DEPT,2DNMR等方法确定各种碳的类型等方法确定各种碳的类型:季碳、季碳、叔碳、叔碳、CH2，-CH

19、3,C=O等。等。 (6)分析各个碳的分析各个碳的 c，参考其他信息，推断碳原子上所连，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。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一般谱图从高场到低场可分为四大区: 040ppm为饱和区；为饱和区；4090ppm碳上有碳上有N、O等取代；等取代；90160ppm为芳碳及烯碳区；为芳碳及烯碳区； 160ppm为羰基碳及叠烯为羰基碳及叠烯碳。碳。 （7）推测可能的结构式。用类似化合物的）推测可能的结构式。用类似化合物的 c的文献数据的文献数据作对照，按取代基参数估算作对照，按取代基参数估算 c，结合其他分析，找出

20、合理，结合其他分析，找出合理结构式。结构式。 （8）当分子比较复杂，碳链骨架连接顺序难以确定时，）当分子比较复杂，碳链骨架连接顺序难以确定时，可应用以下讲到的可应用以下讲到的2DNMR，确定各个碳之间的关系及连，确定各个碳之间的关系及连接顺序。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）对照标准谱图确定结构。必要时用一些特殊方法验证。证。 例例1：某未知物，分子式为：某未知物，分子式为C7H9N, 13C-NMR如下，推断结如下，推断结构式。构式。7(s)146.86(s)138.85(d)129.14(d)119.22(d)112.33(d)115.91(q)21.3解解:

21、（1）不饱和度）不饱和度U=4 （2）1号峰为饱和碳，号峰为饱和碳，27号峰为号峰为SP2杂化碳。杂化碳。 （3）1号峰为四重峰，故是号峰为四重峰，故是CH3。按。按 c值可能为值可能为CH3-Ph或或CH3-C=C。 （4）27号峰从多重峰的组成及号峰从多重峰的组成及 c值看是双取代苯上的碳。值看是双取代苯上的碳。 (5)除以上两个结构单元除以上两个结构单元CH3和和C6H4外，还剩一个外，还剩一个NH2。（6）故可能结构为）故可能结构为CH3-Ph-NH2CH3CH3CH3NH2NH2NH2 (A) (B) (C) (7)因为结构（因为结构（C）的取代苯上的碳只出）的取代苯上的碳只出4个峰

22、，可排除。个峰，可排除。A和和B可用计算碳原子可用计算碳原子 c值，排除了值，排除了 A。化合物为。化合物为B。 2 2 有一未知物有一未知物, ,分子式为分子式为C C8 8H H1818, ,宽带去偶谱见宽带去偶谱见下图下图(a), (a), 偏共偏共振谱见下图振谱见下图(b).(b).试推断结构试推断结构. .p229 某化合物某化合物C C4 4H H8 8O O2 2的宽带去偶的宽带去偶13 C NMR只在只在c=67.12处有一个峰处有一个峰, 试试问这是什么化合物问这是什么化合物?5 5某化合物某化合物C C7 7H H8 8O O, ,其碳谱和氢谱如其碳谱和氢谱如下下, ,试推

23、测其结试推测其结构构( (溶剂为溶剂为CDClCDCl3 3) )6 6 化合物分子化合物分子式为式为C C4 4H H7 7N NO,O,其其碳谱和氢谱如碳谱和氢谱如下下, ,试推测其结试推测其结构构( (溶剂为溶剂为CDClCDCl3 3) ) Homonuclear correlation: (g)COSY, TOCSY, gDQCOSY noe: NOESY, ROESY Heteronuclear correlation: DEPT, APT, HETCOR (phase-sensitive multiplicity-edited) Indirect detection: (g)HM

24、QC, (g)HMBC, (g)HSQC, (g)HSQC-TOCSY, (g)HMQC-TOCSY Resonance-selective: 1-D NOESY (e.g., GOESY), 1-D TOCSY自动完成各种实验二维核磁共振简介二维核磁共振简介 1 二维核磁共振的基本原理二维核磁共振的基本原理 二维核磁共振二维核磁共振(2D NMR)方法是七十年代提出并发展方法是七十年代提出并发展起来的。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，可记为一个频率轴（或磁场）上，可记为S()。 而二维谱信号是二个独立

25、频率（或磁场）变量的函数，而二维谱信号是二个独立频率（或磁场）变量的函数，记为记为S(1,2),共振信号分布在两个频率轴组成的平面上。共振信号分布在两个频率轴组成的平面上。也就是说也就是说2D NMR将将化学位移、偶合常数化学位移、偶合常数等等NMR参数在参数在二维二维平面上展开，于是在一般一维谱中重迭在一个坐标轴平面上展开，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，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。使得图谱解析和寻找核之间的相互作用更为容易。 不同的二维不同的二维NMR方法得到的图谱不同，二

26、个坐标轴所方法得到的图谱不同，二个坐标轴所代表的参数也不同。代表的参数也不同。 二维二维NMR实验的记录有四种图谱类型。但常用平面等实验的记录有四种图谱类型。但常用平面等值线图。值线图。 平面等值线图：又叫平面等高线图。一般平面等值线图：又叫平面等高线图。一般2D NMR常使常使用这种图。它是把堆积图用一个平行于轴用这种图。它是把堆积图用一个平行于轴F1和和F2的平面平的平面平切后所得。切后所得。平切位置对图的信息量有影响平切位置对图的信息量有影响。 同核二维同核二维 名词解释：名词解释： 截面（大树和小树）截面（大树和小树） 如何选取截面如何选取截面 对角峰对角峰 交叉峰交叉峰 强峰强峰 弱峰弱峰COSY - COrrelation SpectroscopYXH1R2OR1OH2H3H4H1H2H3H4XXXXXXXH1H2H3H4H1H2H3H4H4H4H3H3H1H1H2H2(correlates scalarly coupled protons)Grad.1Ht1d1The gradient DQF-COSY sequence: H5eH1aH1aH2aH2aH5eH5aH5aH3eH3eH3aH3a45O123HOHHOHHHHClClH1Hd1t1mixingNOESY - Nuclear Overhauser Enhanced Spectroscop