核磁共振圖譜解析培訓(xùn)手冊

1、Confidential核磁共振圖譜解析培訓(xùn)手冊藥明康德核磁分析實驗室September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd7常用的核磁共振（NMR）實驗1H13C13CDEPT135o ( CHCH3 ,CH2)13CDEPT90o ( CH )1H 1H COSY(化學(xué)鍵上相鄰氫原子的識別)1H 1H TOCSY(結(jié)構(gòu)片斷的識別)1H 1H NOESY(空間上相近的氫原子的識別)1H 13C (HSQC, HMQC)(碳?xì)渲苯酉嚓P(guān)（碳?xì)湓又苯酉噙B）)1H 13C HMBC(碳?xì)溥h(yuǎn)程相關(guān)（碳?xì)湓佣?、三鍵偶合）)下面一一介紹各種實驗的用途，并帶有相應(yīng)的例子加以

2、說明提綱一:氫譜：1.影響氫譜化學(xué)位移的因素1).誘導(dǎo)效應(yīng)(對飽和烷烴)2). Sp雜化的3). 磁各向異性4). 共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)(對不飽和烷烴影響)5). 介質(zhì)因素6). 空間因素7). 氫鍵的影響2. 活潑氫3. 重水交換4. 關(guān)于手性化合物和前手性化合物中CH2上兩個氫的化學(xué)位移5. 芳環(huán)與芳雜環(huán)的偶合常數(shù)6. 3JHH與兩面角的關(guān)系 (Karplus公式) 以手性化合物中氫的自旋偶合關(guān)系為例7. 烯烴自旋-自旋偶合(J-coupling)體系 8.六元環(huán)自旋-自旋偶合(J-coupling)體系9.動力學(xué)現(xiàn)象（變溫實驗)1).活潑氫2).受阻旋轉(zhuǎn)3).互變異構(gòu)4).原子翻轉(zhuǎn)（常見）

3、二. 碳譜 ,DEPT譜三. 氟對氫，碳的耦合 四. 1H 1H COSY五. 1H 13C HSQC 碳?xì)渲苯酉嚓P(guān)驗六. 1H-13C HMBC氫碳遠(yuǎn)程相關(guān)實驗 七. 用NOE方法對異構(gòu)體的鑒別1) 常見的用NOE方法進行異構(gòu)體鑒別的簡單例子2) 五元環(huán)異構(gòu)體的鑒別3)六元環(huán)異構(gòu)體的鑒別4)烯烴的順反八. 用HMBC方法對異構(gòu)體的鑒別一氫譜氫譜是最常見的譜圖. 核磁共振氫譜能提供重 要的結(jié)構(gòu)信息：化學(xué)位移，耦合常數(shù)及峰的裂 分情況，峰面積。峰面積與氫的數(shù)目成正比， 所以能定量的反應(yīng)氫核的信息 .1.影響氫譜化學(xué)位移的因素1）誘導(dǎo)效應(yīng)(對飽和烷烴)與質(zhì)子相連的碳原子上,如果接有電負(fù)性強 的基團

4、,則由于它們的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng),使 質(zhì)子周圍的電子云密度減弱,使屏蔽作用減 弱,質(zhì)子共振吸收移向低場,電負(fù)性越強,化 學(xué)位移值越大.O經(jīng)常碰到的R 與R(RO, Cl, F, Br, -NCOR)，此種結(jié)構(gòu)的CH2的出峰 位置通常在4.55.5ppm。(R=NH2, -COR, -Ar)時此 種結(jié)構(gòu)的CH2的出峰位置通常在3.5-4.0ppm.單鍵,三鍵,雙鍵,苯環(huán)由于磁各向異性都會產(chǎn)生屏蔽 區(qū)和去屏蔽區(qū),所以這些也是影響飽和烷烴化學(xué)位 移的因素.(后面會介紹,詳細(xì)請看儀器分析化學(xué)課本)請結(jié)合以上說明通過下面的列表來查看不同取代基 對飽和烷烴的影響。ConfidentiSeptember 29,

5、 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd9alConfidentieptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd10alSConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd82)SP雜化從sp3（碳碳單鍵）到sp2（碳碳雙鍵）s 電子的成分從25增加到33，鍵電子 更靠近碳原子，因而對相連的氫原子有 去屏蔽作用，即共振位移移向低場. (芳 環(huán)與烯烴比飽和烷烴的化學(xué)位移低場的 原因)3)磁各向異性根據(jù)S-P雜化原理, 炔烴應(yīng)該比烯烴更低場,苯環(huán)與烯 烴相近.但實際并不然.炔氫相對于烯氫

6、是處于較高場,是 因為炔氫處于叁鍵軸外,當(dāng)叁鍵與外磁場平行時, 電子 環(huán)電流繞軸運動產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與外加磁場相反,對質(zhì)子 起強烈的屏蔽作用,這是炔烴的一個很重要的特點.芳環(huán)氫相對烯氫處于較低場，這樣的現(xiàn)象是因為芳環(huán) 電子也有環(huán)電流的純在,產(chǎn)生與外磁場方向相同的磁場, 對芳環(huán)氫有去屏蔽作用.烯烴也有磁各向異性,但苯環(huán)的 磁各向異性較強.三鍵,雙鍵,苯環(huán)由于磁各項異性都會產(chǎn)生屏蔽區(qū)和去 屏蔽區(qū),所以這些也是影響化學(xué)位移的重要因素，經(jīng)常借 此因素來區(qū)分異構(gòu)體。單鍵也有磁各向異性,所以C3CH>C2CH2>CCH3.(詳細(xì) 請參看儀器分析化學(xué)課本)7.28 ppm;H2CCH25.28 p

7、pm；HH1.8 ppm；H2.73.4 ppm;OH2.13.3 ppmR4) 共軛作用和誘導(dǎo)作用(對不飽和烷烴影響)對不飽和烷烴共軛作用和誘導(dǎo)作用要綜合考慮。 共軛作用有p-共軛給電子,-共軛吸電子； 誘導(dǎo)效 應(yīng)主要是吸電子效應(yīng)。值得一提的是鹵素與不飽和烷烴連接時同時有供軛 作用和誘導(dǎo)作用：F的共軛作用大于誘導(dǎo)作用,所以鄰位的氫譜和碳譜 都移向高場；Cl的共軛作用和誘導(dǎo)作用相互抵消所以影響很??；Br到I共軛作用小于誘導(dǎo)作用所以相比較鄰位氫明 顯偏向低場。請記住三類取代基的概念1. 使鄰,間,對位氫的化學(xué)位移值影響不大的集團就是在有機 化學(xué)中使苯環(huán)弱活化和弱鈍化的集團.這類集團有 -CH3,

8、 -CH2-,-CH(CH3)2,-CH=CHR,CCR , -Cl,-Br.2. 在有機化學(xué)中使苯環(huán)活化的鄰, 對位定位基, 主要是有p-共軛作用. 這類有: -OH, -OR, -NH2, -NHR.3. 第三類取代基是有機化學(xué)中使苯環(huán)鈍化的間位定位基. 主 要是純在-共軛, 同時雜原子拉電子性, 使苯電子云密度降 低, 尤其是鄰位.這類集團有: -CHO, -COR, -COOR, -COOH, - CONHR, -NO2, -N=NR 等.下面是不同取代基對烯烴和苯環(huán)的影響.ConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd20

9、Confideeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd21ntialSConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd22ConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd23Confidentialeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd24S5）介質(zhì)因素對于一個化合物而言在不同的氘代溶劑中有時所做 出來的譜圖有很大的差別，這與溶劑分子和溶質(zhì)分子 的特性都有很大的關(guān)系。利用這一特性，有時我們在

10、 看不清譜圖的信息時不妨換一種溶劑來試一試 .PH 值 的 大 小 有時 對 化 合物的譜 圖會有 一 定 的影 響。比如同一化合物特別是一些含氮的化合物在三氟 醋酸體系分離得到的和硅膠板分離等到的產(chǎn)物在譜圖 上會有很大的差別，此時若想證明兩個是同一個化合 物（或經(jīng)常有是鹽酸鹽和不是鹽酸鹽的化合物）可以 混合做核磁。還有些化合物在一種溶劑里不穩(wěn)定,做出來的譜圖 比較雜,這時可以換一種溶劑來做。September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd11H如 NHCl成鹽后氮旁邊的CH2會低場偏移0.5 ppm，同樣在CDCl3或DMSO做溶劑的 譜圖中沒有成鹽之前的

11、氨活潑氫在0.54.0 ppm處，但成鹽后活潑氫會出在1012 ppm處，并且是兩個NH.HCl，這也是鑒定 氨是否成鹽的一種方法。如果有氫與氫的重合現(xiàn)象，特別是在做 二維譜時想看到相關(guān)氫的信號，此時可以 加少量的氘代苯或氘代乙腈，它們會對樣 品分子的不同部位產(chǎn)生不同的屏蔽作用， 可以使原來相互重疊的峰分開.6）空間因素比如受空間上某些大基 團的影響,或者羰 基 ,苯環(huán)等對該位置的氫有屏蔽或去屏蔽的影 響,范德華力的影響等。7）氫鍵的影響特別對活潑氫的影響是很大. 氫鍵的形 成，氫鍵中質(zhì)子信號明顯移向低場.對分子內(nèi) 氫的化學(xué)位移也有影響. 樣品分子間氫鍵和濃 度有關(guān), 樣品的分子內(nèi)氫鍵和濃度無

12、關(guān).樣品分 子還會與溶劑分子成氫鍵.2. 活潑氫活潑氫 :與O、S、N相連的氫是活潑氫. 切記想看活潑氫一 定選擇氘氯仿或DMSO做溶劑.在DMSO中活潑氫的出 峰位置要比CDCl3中偏低場些.活潑氫的由于氫鍵，濃 度，溫度等因素的影響化學(xué)位移值會在一個范圍內(nèi)變 化.有時分子內(nèi)氫鍵的作用會使峰型變得尖銳.后面附注 一些常見活潑氫的核磁譜圖，并結(jié)合前面的講解的來 試著解析下面所有氫譜。ABROH; RNH2; R2NH (R是脂肪鏈基團)0.54.0ArOH; ArSH; ArNH23-6 (CDCl3); 5-11(DMSO)RSO3H; RCOOH;10-14 (DMSO); 7-10 (C

13、DCl3)RCOH(醛氫）8-10 (峰型尖銳)RCONH2; ArCONH2;5-8 (并且兩個氫會分開)RCONHR;ArCONHAr;ArCONHR7-13.9-12RNH2 HCl7.9047.8967.4637.4547.4337.4256.3936.3636.1153.3372.460BA2381 YL005-4-11 DMSO WuXi PharmaTech Co. Ltd.BrNNH21.0001.0621.1352.1359.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54 .03.53.02.52.0ppm7.3387.3287.3107.2987.2927.28

14、47.2787.2767.2677.2587.2497.2417.2297.2217.2037.1984.7554.7344.1694.1481.843B A22 79 YL 005-4-8 CDCl3 WuXi P harmaTech Co. Ltd.NH2OH10.3321.0001.0082.9509.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppmO2N8.0868.0628.0566.9106.9046.8866.8802.4872.4812.475BA9017 YL005-7-19 DMSOWuXi Pharma

15、Tech Co. Ltd.OH0.8642.0002.046121110987654321ppm7.2977.2937.2907.2717.2677.2647.2587.2267.2217.2187.2136.9896.9626.9366.8236.8206.8156.8126.7966.7936.7886.7854.992BA228 1 YL005-4-8 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.OHI1.0190.9841.0000.9810.9149.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppm

16、3.0983.0773.0561.1811.0531.032BA2289 YL005-4-8 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.NH21.0002.1496.1683.53.02.52.01.51.0ppm7.2577.2297.2087.2027.1827.1757.1557.0437.0427.0397.0167.0087.0026.9856.9776.9716.8836.8816.8756.8736.8556.8536.8476.8276.8256.8196.8173.527BA2275 YL005-4-8 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. L

17、td.SHF1.0000.9899.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppmConfidentialWuXi PharmaTech Co. Ltd.BA2282 YL005-4-8 DMSO7.6527.6257.4737.4463.6773.3122.4922.4802.4742.4682.4622.456CF3HOO0.4821.0001.0101.09113121110987654321ppmOH1211109September 29, 20051.0009.9718 2.089 7WuXi PharmaTec

18、h Co., Ltd2.0107.9167.9097.9057.9027.8897.8867.882BA2285 YL005-4-87.8757.6597.6557.631DMSO657.627ConfidentialClppm43.30032.4802.4752.4692.463WuXi PharmaTech Co. Ltd.21372.457Confidential3.6753.6543.6321.7431.7231.7041.6461.6231.6001.5771.5561.4911.4781.4661.4581.4441.4291.415BA8783 YL005-7-15 CDCl3

19、WuXi PharmaTech Co. Ltd.H OOH 4.0001.7855.0392.0684.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0ppmSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd38ConfidentialBA8171 YL005-7-8DMSO109876ClOOHO14131211September 29, 20050.9707.8867.8817.8747.8687.8657.8617.6997.6952.017 7.6921.000 7.6881.0827.6727.6687.6657.6617.5477.5377

20、.5207.5077.494543WuXi PharmaTech Co., Ltd3.3262.4862.481WuXi PharmaTech Co. Ltd.21ppm392.475Confidential3. 重水交換重水交換是在核磁管里加入1-2滴重水,搖勻,再做譜圖會發(fā) 現(xiàn)活潑氫消失.1) ROH; RNH2; R2NH; ArOH; ArSH; ArNH2; RSO3H; RCOOH;RNH2.HCl的活潑氫是比較容易交換;2) RCOH; RCONH2; ArCONH2; RCONHR; ArCONHAr;ArCONHR的活潑氫有時比較難交換,特別是醛氫,這時候在加完重水后可以用電

21、吹風(fēng)加熱一下,稍等片刻再進行檢測.會發(fā)現(xiàn)活潑氫明顯減少或消失.但譜圖會發(fā)現(xiàn)水峰信號增強.在CDCl3中此時HDO峰會在4.8 ppm的位置.下圖是兩個例子September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd40September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd41在核磁管里加入1-2滴重水即可將活潑氫交換掉HDO活潑氫CH3(CH2)15CH2CH2SH2.62.4September 29, 20052.001269.971262.511255.242.21247.76809.76802.35794.93787.48686.69

22、666.65 658.93651.18628.732.01.81.6WuXi PharmaTech Co., Ltd2.221.41.233.381.0ppm423.16447.02Confidential 440.182.6September 29, 20052.001308.291300.741293.482.42.21286.081.81.6WuXi PharmaTech Co., Ltd2.171.41.233.94847.822.0840.41832.94731.69724.64717.55705.73698.00694.82690.24687.14666.88Confidentia

23、lD2O交換的變化1.0433.10485.11478.35ppm471.242.001260.241259.121257.991252.991251.911250.861245.771244.671243.551.6WuXi PharmaTech Co., Ltd2.07808.741.8801.33793.991.41.231.94688.43651.35650.37639.59631.53Confidential2.62.42.22.0September 29, 2005ppm443.01447.291.0440.43433.33Confidential4.關(guān)于手性化合物和前手性化合物中

24、CH2上兩個氫的化學(xué)位移與某碳原子相連的四個基團不等時，該 碳原子則是手性碳原子，若有一對相同 基團時，該碳原子則是前手性碳原子。 與手性碳上相連的碳上的兩個氫或者相 隔2鍵或3鍵等以上碳上的兩個氫都是不 等價的，且兩個氫的偶合常數(shù)在815Hz 范圍（同碳耦合），有的甚至更高。September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd4544.0September 29, 20050.98630.986 4.025O34.015154.00824.000OH3.9923.9843.9753.9673.8763.8593.8553.8503.8433.83922133.

25、8230.978 1.0113.51.0073.7963.7903.7793.7683.7623.7583.7423.6693.6613.6403.6323.5023.4863.4733.03.458Confidential下面是四氫糖醇的結(jié)構(gòu)圖,可以看出手性碳對2,3,4,5位氫的空間上的影響.2.5WuXi PharmaTech Co., Ltd1.188542.02.944 41.5461.000 2.3731.9551.9411.9361.9221.9181.9101.9071.9041.8991.89 51.8841.8671.8531.8481.6641.6581.6501.645

26、1.6381.6321.6281.6191.6101.602pp1.589ConfidentialCH3H2CO 1September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd182CH3在前手性化合物當(dāng)中如：H2COCH3兩個乙基是H3C化學(xué)等價的，而2與3兩個亞甲基中CH2的兩個氫是不等價的，由此化學(xué)位移不同，兩個氫同 碳偶合,又受鄰位CH3的偶合若無譜線重疊，此 CH2可以觀察到十六條譜線。 請看下面的譜圖：4.6744.6564.6383.7183.7113.6953.6873.6713.6643.6403.6223.5983.5753.5673.5513.54

27、43.3663.3481.2481.2251.201BB1089 yl005-8-16 CDCl3WuXi PharmaTech Co.,Ltd.6Br4,561b1a2b2a31a,2a 1b,2bHHHH43OO51.0002.1142.0442.0736.2754.54.03.53.02.52.01.5ppm5.芳環(huán)與芳雜環(huán)的化學(xué)位移偶合常數(shù)下表中的芳雜環(huán)的化學(xué)位移請大家在Chemdraw上模擬. 不同取代基對芳雜環(huán)的共軛作用或誘導(dǎo)作用請大家參考 前面的“不同取代對苯環(huán)影響的列表”即可.后面還有相 應(yīng)的一些芳雜環(huán)化合物的氫譜：結(jié)構(gòu)類型Jab數(shù)值(Hz)結(jié)構(gòu)類型Jab數(shù)值(Hz)45 36

28、 N2J(2-3)=5-6J(3-4)=7-9J(2-4)=1-2J(3-5)=1-22 O53 4J(2-3)=1.7-2.0J(3-4)=3.1-3.8J(2-4)=0.4-1.0 J(2-5)=1-21N2NJ(1-2)=2-3231J(1-2)=7-10J(1-3)=0-354S N2J(4-5)=3-423S45J(2-3)=4.7-5.5J(2-5)=1-2J(3-4)=3.3-4.1J(2-4)=0J(2-4)=1.0-1.5J(2-5)=2.8-3.523H N45J(2-3)=2-3564NN 2J(4-5)=4-6J(3-4)=3-4J(2-5)=1-2J(2-4)=1-2

29、J(2-4)=0-1J(2-5)=1.5-2.5J(4-6)=?8.6108.6078.4928.4848.3798.3748.3718.366NClBA9016 YL005-7-19 CDC l3WuXi PharmaTech Co. Ltd.N1.0171.0161.0008.88.78.68.58.48.38.28.18.0ppm7.6417.6347.2576.3596.3526.345AI2119 YL005-7-29 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.H N1J12=(7.641-7.634)*400=2.8HZNJ23=(6.359-6.352)*400=

30、2.8HZ237.77.6ppm6.46.3ppm1.1772.0181.00011.511.010.510.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.0ppm8.6118.6058.5958.5898.0358.0288.0098.0037.4227.4067.3977.3807.258BA1396 YL005-3-28 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.3N21NClJ12=(8.605-8.589)*300=(7.422-7.406)*300=4.8hz J13=(8.611-8.605)*300=(8.035-8.029)*300=1.8hz2

31、3J23=(8.028-8.003)*300=7.406-7.380)*300=7.8hz11.0001.0121.0258.98.88.78.68.58.48.38.28.18.07.97.87.77.67.57.47.37.27.1ppm7.2135.3364.5353.3322.4892.4772.4712.4652.4592.454BA1385 YL005-3-28 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.H NNNH21.0561.0021.00011.511.010.510.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.5

32、2.01.51.00.50.0 ppm8.9738.9678.8858.8788.3538.3468.339BA1740 YL005-3-31 D MSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.O 2BrOH13NJ23=(8.973-8.967)*300=1.8HZJ12=(8.885-8.878)*300=2.1HZ3120.9810.9851.0009.49.39.29.19.08.98.88.78.68.58.48.38.28.18.07.9ppm7.2587.0497.0366.4886.4765.403BA1567 yl005-3-17 CDCl3WuXi PharmaTe

33、ch Co. Ltd.bHHabSaNH2NJab=(7.049-7.036)*300=(6.488-6.476)*300=3.6hz1.0271.0002.0647.57.06.56.05.55.0ppm6.自旋-自旋偶合(J-coupling)3JHH與兩面角的關(guān)系 (Karplus公式)3J=J0cos2+C=0°-90°or3J=J180cos2+C=90°-180°3J=A+Bcos+Ccos2(A=7B=-1C=5)3JHHHHCC0°90°180°CH3COOHaHbOCOCH3orHaHbCH3COOH1H2

34、H1H2 OCOCH3AB3J=A+Bcos+Ccos23JHHHHC0°90180°A：H1和H2與Ha（Hb）構(gòu)成的兩面角相同，則3J1a(b)與3J2a(b)相同B：H1和H2與Ha（Hb）構(gòu)成的兩面角不同，則3J1a(b)與3J2a(b)不同3.5263.5133.4903.4773.2393.2133.2043.1783.0123.0082.9992.9902.9862.9772.9732.9692.9652.9552.9512.9432.2411.0301.009BA879 3 YL 005-7-15 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.

35、ac2Jbc=10.8hz 3Jab=7hz 3Jac=4.3hzH手性碳HOHNH2H bcbab,c受手性碳的影響分開, Jac和Jab不等和a與b，c的夾角 不等有關(guān)0.9971.0111.0003.0422.9743.53.02.52.01.51.0ppm4.2604.2524.2454.2384.2303.9893.9713.9653.9483.9233.9093.8983.8843.6453.6353.6193.6113.5952.7232.7162.7072.7002.6912.6832.239AI1758 H01368-097-1 CDCl3WuXi PharmaTech Co

36、.,Ltd.1a H1 bHHOH 255NOH 3421a1bJ1 a2= (3.98 9-3.971 )*400 = 7.2hz4J1 b2= (3.92 3-3.909 )*400 = 5.6hzJ1 a1b=(3 .9 89-3.96 5)*40 0= 9.6hz31.0001.1011.2182.0630.9916.0054.44.34.24.14.03.93.83.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.1ppm7.烯烴自旋-自旋偶合(J-coupling)體系鏈狀烯烴化合物中順式的偶合常數(shù)通常在 1114Hz，而反式偶合常數(shù)在1418 Hz,所以通過偶合常數(shù)的關(guān)系我們可以來確定鏈狀烯烴的 順反關(guān)系.環(huán)狀烯烴中三元環(huán),四元環(huán),五元環(huán)烯 烴中偶合常數(shù)較小J= 0.5-7.0Hz;在六元環(huán)以上J=8.5-13 Hz.7.2576.1036.0786.0706.0536.0466.0226.0145.9975.9895.9655.3455.3425.2895.2865.1635.1303.9493.924BA8169 YL005-7-8 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.aHbHB