碳核磁共振譜

1、Slide number第四講：核磁共振碳譜Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy龐文民 2013年12月13C NMR概述有機化合物中的碳原子構成了有機物的骨架。因此觀察和研究碳原子的信號對研究有機物有著非常重要的意義。自旋量子數 I=0 的核是沒有核磁共振信號的。由于自然界豐富的12C I=0，沒有核磁共振信號，而 I =1/2 的13C 核，雖然有核磁共振信號，但其天然豐度僅為1.1% ，故信號很弱，給檢測帶來了困難。所以在早期的核磁共振研究中，一般只研究核磁共振氫譜（1H NMR），直到上個世紀 70 年代脈沖傅立葉變換核磁共

2、振譜儀問世，核磁共振碳譜（13C NMR）的工作才迅速發(fā)展起來，這期間隨著計算機的不斷更新發(fā)展，核磁共振碳譜的測試技術和方法也在不斷的改進和增加，如偏共振去耦，可獲得13C1H 之間的耦合信息，DEPT 技術可識別碳原子級數等，因此從碳譜中可以獲得極為豐富的信息。核磁共振碳譜特點信號強度低。由于13C 天然豐度只有 1.1% ，13C 的旋磁比（C）較1H 的旋磁比（ H）低約 4倍，所以13C 的 NMR 信號比1H 的要低得多，大約是1H 信號的六千分之一。故在13C NMR 的測定中常常要進行長時間的累加才能得到一張信噪比較好的圖譜?；瘜W位移范圍寬。1H 譜的譜線化學位移值 的范圍在 0

3、-10 ppm，少數譜線可再超出約 5，一般不超過 20，而一般13C 譜的譜線在 0-250 ppm，特殊情況下會再超出 50-100。由于化學位移范圍較寬，故對化學環(huán)境有微小差異的核也能區(qū)別，這對鑒定分子結構更為有利。耦合常數大。由于13C 天然豐度只有 1.1% ，與它直接相連的碳原子也是13C 的幾率很小，故在碳譜中一般不考慮天然豐度化合物中的13C-13C 耦合，而碳原子常與氫原子連接，它們可以互相耦合，這種13C-1H 一鍵耦合常數的數值很大，一般在 125-250 Hz。因為13C 天然豐度很低，這種耦合并不影響1H 譜，但在碳譜中是主要的。核磁共振碳譜特點弛豫時間長。13C 的

4、弛豫時間比1H 長得多，有的化合物中的一些碳原子的弛豫時間長達幾分鐘，這使得測定 T1、T2等比較方便。另外，不同種類的碳原子弛豫時間也相差較大，這樣，可以通過測定弛豫時間來得到更多的結構信息。共振方法多。13C NMR 除質子噪聲去耦譜外，還有多種其它的共振方法，可獲得不同的信息。如偏共振去耦譜，可獲得13C-1H 耦合信息；門控去耦譜，可獲得定量信息等。因此，碳譜比氫譜的信息更豐富，解析結論更清楚。圖譜簡單。雖然碳原子與氫原子之間的耦合常數較大，但由于它們的共振頻率相差很大，所以-CH-、-CH2-、-CH3等都構成簡單的 AX、AX2、AX3體系。因此即使是不去耦的碳譜，也可用一級譜解析

5、，比氫譜簡單。13C NMR碳譜圖譜 最常見的碳譜是寬帶全去偶譜(BB)，每一種化學等價的碳原子只有一條譜線。在去偶的同時，有核NOE效應，信號更為增強。但不同碳原子的T1不等，這對峰高影響不一樣；不同核的NOE也不同；因此峰高不能定量地反映碳原子數量。13C NMR化學位移一般來說，碳譜中化學位移（C）是最重要的參數。它直接反映了所觀察核周圍的基團、電子分布的情況，即核所受屏蔽作用的大小。碳譜的化學位移對核所受的化學環(huán)境是很敏感的，它的范圍比氫譜寬得多，一般在 0-250 。對于分子量在 300-500 的化合物，碳譜幾乎可以分辨每一個不同化學環(huán)境的碳原子，而氫譜有時卻嚴重重迭。麥芽糖的氫譜

6、和碳譜。圖中可見，氫譜 3.0-4.0部分重迭嚴重，而碳譜則是彼此分開的特征峰。不同結構與化學環(huán)境的碳原子，它們的 C從高場到低場的順序與和它們相連的氫原子的 H有一定的對應性，但并非完全相同。如飽和碳在較高場、炔碳次之、烯碳和芳碳在較低場，而羰基碳在更低場。13C NMR化學位移分子有不同的構型、構象時，C比 H更為敏感。碳原子是分子的骨架，分子間的碳核的相互作用比較小，不象處在分子邊緣上的氫原子，分子間的氫核相互作用比較大。所以對于碳核，分子內的相互作用顯得更為重要，如分子的立體異構、鏈節(jié)運動、序列分布、不同溫度下分子內的旋轉、構象的變化等，在碳譜的 C值及譜線形狀上常有所反映，這對于研究

7、分子結構及分子運動、動力學和熱力學過程都有重要的意義。和氫譜一樣，碳譜的化學位移 C也是以 TMS 或某種溶劑峰為基準的。13C NMR化學位移化學位移影響化學位移的因素 在前面已講過化學位移主要是受到屏蔽作用的影響，氫譜化學位移的決定因素是抗磁屏蔽項，而在碳譜中，化學位移的決定因素是順磁屏蔽項。雜化 碳譜的化學位移受雜化的影響較大，其次序基本上與1H 的化學位移平行，一般情況是：sp3雜化 CH3- 20-100sp雜化 -CCH 20-130sp2雜化 -CH=CH2 100-200sp2雜化 =CH=O 100-200誘導效應電負性基團會使鄰近13C 核去屏蔽。基團的電負性越強，去屏蔽效

8、應越大。如，鹵代物中 C-F C-Cl C-Br C-I，但碘原子上眾多的電子對碳原子產生屏蔽效應。取代基對 C的影響還隨離電負性基團的距離增大而減小。取代烷烴中 效應較大， 差異可高達幾十， 效應較小，約為 10，效應則與 、 效應符號相反，為負值，即使 c向高場移動數值也小。對于 和 ，由于已超過三個鍵，故取代效應一般都很小，個別情況下會有 1-2 的變化。飽和環(huán)中有雜原子如 O、S、N 等取代時，同樣有 、 、 取代效應，與直鏈烷烴類似。誘導效應苯環(huán)取代因有共軛系統(tǒng)的電子環(huán)流，取代基對鄰位及對位的影響較大，對間位的影響較小。芳環(huán)上有雜原子時，取代效應也和飽和環(huán)不同?？臻g效應13C化學位移

9、還易受分子內幾何因素的影響。相隔幾個鍵的碳由于空間上的接近可能產生強烈的相互影響。通常的解釋是空間上接近的碳上 H 之間的斥力作用使相連碳上的電子密度有所增加，從而增大屏蔽效應，化學位移則移向高場。如甲基環(huán)己烷上直立的甲基 C（7）和環(huán)己烷 C（3）和 C（5）的化學位移比平伏鍵甲基位向的構象異構體的化學位移各向高場移 4 和 6 ppm左右。共軛效應和超共軛效應在羰基碳的鄰位引入雙鍵或含孤對電子的雜原子（如 O、N、F、Cl等），由于形成共軛體系或超共軛體系，羰基碳上電子密度相對增加，屏蔽作用增大而使化學位移偏向高場。因此，不飽和羰基碳以及酸、酯、酰胺、酰鹵的碳的化學位移比飽和羰基碳更偏向高

10、場一些。如下列三個化合物中羰基碳的化學位移為：OOOHO 206.8 ppm 195.8 ppm 179.4 ppm缺電子效應如果碳帶正電荷，即缺少電子，屏蔽作用大大減弱，化學位移處于低場。例如：叔丁基正碳離子(CH3)3C+的達到 327.8。這個效應也可用來解釋羰基的13C 化學位移為什么處于較低場，因為存在下述共振：OO電場效應在含氮化合物中，如含 -NH2的化合物，質子化作用后生成 NH3+，此正離子的電場使化學鍵上電子移向 或碳，從而使它們的電子密度增加，屏蔽作用增大，與未質子化中性胺相比較，其 或碳原子的化學位移向高場偏移約 0.5-5。這個效應對含氮化合物的碳譜指認很有用。CH3

11、-NH2NHNNH228.3(-1.8)38.2(-2.0)36.9(-0.2)47.6(-1.2)19.0(-5.0)取代程度一般來說，碳上取代基數目的增加，它的化學位移向低場的偏移也相應增加。 C CH4 CH3-C CH3 (CH3)2C CH2 (CH3)3C CH (CH3)4C C -2.7 5.4 15.4 24.3 27.3鄰近基團的各向異性效應 磁各向異性的基團對核屏蔽的影響，可造成一定的差異。這種差異一般不大，而且很難與其它屏蔽的貢獻分清。但有時這種各向異性的影響是很明顯的。如異丙基與手性碳原子相連時，異丙基上兩個甲基由于受到較大的各向異性效應的影響，碳的化學位移差別較大,

12、而當異丙基與非手性碳原子相連時，兩個甲基碳受各向異性效應的影響較小，其化學位移的差別也較小。大環(huán)環(huán)烷（CH2)16的 C為 26.7。而當環(huán)烷中有苯環(huán)時，其影響可使各碳的C受到不同的屏蔽或去屏蔽，在苯環(huán)平面上方屏蔽區(qū)的碳， C可高達 26.2。20.017.7構型構型對化學位移也有不同程度影響。如烯烴的順反異構體中，烯碳的化學位移相差1-2。順式在較高場；與烯碳相連的飽和碳的化學位移相差更多些，約為 3 -5，順式也在較高場。124.211.4HHHH16.8125.4介質效應不同的溶劑、介質，不同的濃度以及不同的 pH 值都會引起碳譜的化學位移值的改變。變化范圍一般為幾到十左右。由不同溶劑引

13、起的化學位移值的變化，也稱為溶劑位移效應。這通常是樣品中的 H 與極性溶劑通過氫鍵締合產生去屏蔽效應的結果。一般來說，溶劑對13C化學位移的影響比對1H 化學位移的影響大。易離解的化合物在溶液稀釋時會使化學位移有少許的變化。當化合物中含有COOH、OH、NH2、SH 等基團時，pH 的改變會使化學位移發(fā)生明顯變化。如，羧基碳原子在 pH 增大時受到屏蔽作用而使化學位移移向高場。溫度效應溫度的變化可使化學位移發(fā)生變化。當分子中存在構型、構象變化，內運動或有交換過程時，溫度的變化直接影響著動態(tài)過程的平衡，從而使譜線的數目、分辨率、線形發(fā)生明顯的變化。如吡唑分子中存在著下列互變異構：順磁離子效應順磁

14、物質對碳譜譜線的位移和線寬有強烈的影響。一些位移試劑如鑭系元素銪（Eu）、鐠（Pr）、釔（Yb）等的鹽類，包括氯化物、硝酸鹽、過氯酸鹽等，以及它們的 -二酮的絡合物，也都可以作為13C 的位移試劑，使碳譜譜線產生位移。烯烴及取代烯烴的化學位移C 100150 ppm對于取代烯烴： (C=) (-HC=) (H2C=)共軛效應：形成共軛雙鍵時，中間的碳原子因鍵級減小，共振移向高場。140.2112.8137.2116.6炔碳的化學位移炔碳的13C化學位移介于烷碳和烯碳之間，大約在6590 ppm取代炔碳與末端炔碳比較，前者化學位移位于低場，并且信號呈低強度與炔碳連接的SP3碳和相應的烷烴比較，約

15、向高場位移515 ppm67.482.817.413.722.731.7C-1C-2C-3C-4C-5C-6HC CCH2CH367.084.7H3CC CCH373.6HC CCH2CH2CH2CH367.482.817.429.921.212.9H3CC CCH2CH2CH31.773.776.919.621.612.1苯環(huán)碳的化學位移苯的C 128.5 ppm若苯環(huán)上的氫被其它基團取代，被取代的C-1碳原子 值有明顯變化，最大幅度可達35 ppm。鄰、對位碳原子 值也有較大的變化，其變化幅度可達16.5 ppm。間位碳原子 值幾乎不改變共振效應：苯環(huán)的吸電子取代基使鄰、對位碳原子向低場位

16、移；苯環(huán)的推電子取代基使鄰、對位碳原子向高場位移X吸電子取代基：推電子取代基:XXXCN119.2112.5132.0129.2132.8XXXXNH2147.7116.1129.8119.0羰基化合物的碳化學位移OOOOOOXOXOX 醛、酮 C 195 ppm；酰氯、酰胺、酯、酸酐C I2JI13C-X的偶合及偶合常數19F, 31P, D1JCX2JCXCH3CF3271CF2H2235CF3COOH28443.7C6H5F24521.0(CH3CH2)3P5.410.0(CH3CH2)4P+Br-494.3(C6H5)3P+CH3I-88 (CH3 52)10.9CH3CH2P(O)(

17、OC2H5)21437.1 (6.9)CDCl331.5CD3COCD319.5(CD3)2SO22.0C6D625.513C-X的偶合及偶合常數氮的豐度元素為14N，I =1.它的四極矩影響嚴重、弛豫很快，故譜線很寬，NMR 譜圖分辨不好，與14N 的耦合常數也表現(xiàn)不出來。15N 豐度雖小，只有 0.37% ，但因 I =1/2，故 NMR 氮譜常用15N譜。15N 與13C 的耦合，因核的豐度低，一般也不易觀察到。當樣品進行13C 富集時，JC-C就會出現(xiàn)，1JC-C在 30-180 Hz的范圍。 JC-C的數值也隨碳的雜化、s電子成分增大而增大。烷烴及取代烷烴的1JC-C約為 3010

18、Hz，芳、烯、炔依次增大?？梢源致缘匕褍蓚€耦合碳的 s性質的乘積與1JC-C看成簡單的線性關系。2JC-C，3JC-C一般較小。13C 與其他元素、金屬或非金屬的耦合常數，大小差別極大，所以在碳譜的測定中，首先要了解樣品中是否含有 I不為 0、弛豫又不特別快的元素，如某些金屬原子，這樣才能了解測試中的一些特殊現(xiàn)象。硅、硒與碳的1J 約在 50-50 Hz；金屬元素與碳的1J 值有的為幾十 Hz，有的為幾百、甚至上千 Hz。耦合常數的應用一般來說，碳譜中耦合常數的應用不如氫譜中廣泛，但仍有其理論上和如用于量子化學計算自旋體系時，能量算符中一項是由化學位移、共振頻率決定的，另一項則由耦合常數決定。

19、在解波函數時，必須有這些數值。由于 J 值也可以從實驗圖譜中直接得出，故可以用它們來檢驗計算和理論的可靠性。另外，利用全耦合譜或質子噪聲去耦譜中碳原子與其它原子的耦合情況，根據譜線裂分情況及耦合常數的大小，可以幫助標識譜線。某化合物 C18H18N3O3F3含下列結構片段，13C 質子噪聲去耦譜如上圖 所示，請標識 C（1）和 C（2）所對應的譜線。NONRCF312J = 43.6 HzJ = 273.1 Hz質子噪聲去耦譜（proton noise decoupling）質子噪聲去耦譜也稱作寬帶去耦譜（ broadband decoupling），是最常見的碳譜。它的實驗方法是在測定碳譜時

20、，以一相當寬的頻率（包括樣品中所有氫核的共振頻率）照射樣品，由此去除13C 和1H之間的全部耦合，使每種碳原子僅出一條共振譜線。由于核 Overhause效應（NOE）的作用，在對氫核去耦的過程中會使碳譜譜線增強。而不同種類的碳原子的 NOE 是不同的，因此在去耦時譜線將有不同程度的增強。由于不同種類的碳原子的縱向弛豫時間（T1）也是不同的，因此當重復掃描時，脈沖間隔時間不能使分子中所有的碳核的磁化強度矢量恢復至平衡狀態(tài)時（ CH3CHCH2; 羰基碳、雙鍵季碳的T1很大，故吸收信號非常弱。反轉門控去耦譜（inverse gated decoupling）在脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀中有發(fā)射門

21、（用以控制射頻脈沖的發(fā)射時間）和接受門（用以控制接受器的工作時間）。門控去耦是指用發(fā)射門及接受門來控制去耦的實驗方法。反轉門控去耦是用加長脈沖間隔，增加延遲時間，盡可能抑制 NOE，使譜線強度能夠代表碳數的多少的方法，由此方法測得的碳譜稱為反門控去耦譜，亦稱為定量碳譜。偏共振去偶譜 偏共振去偶譜可用來決定各個信號的分裂程度;實驗方法：將去偶器的頻率設定在偏離質子共振頻率的一定范圍內，即將去偶器的頻率設定在比作為內標準的四甲基硅信號高出1個ppm處并用單一頻率的電磁波對1H核進行照射，由此測得的既有NOE效應，又保留了1H-13C剩余偶合的圖譜;13C信號由于連接1H核的數目不同而產生不同的分裂

22、。CH3(q), CH2(t), CH(d), C(s);JR 為數十Hz,故各信號交叉掩蓋的現(xiàn)象大大減少。偏共振去偶譜O145678910質子非去偶譜控制質子的去偶器，當接收FID時不照射質子，這樣可測得13C的質子非去偶譜；當不接收FID時，打開去偶器，對質子進行照射，則因照射質子而產生NOE效應使信號強度增大。O145678910無NOE去偶譜與質子非去偶法相反，在接收FID時打開去偶器，其它時間則將去偶器關閉，這樣測得的吸收信號是沒有NOE信號的去偶譜碳核數目與信號強度成正比由于沒有NOE效應，所以靈敏度很低O145678910選擇性質子去偶譜對碳信號歸屬的常用方法在質子信號歸屬清楚的

23、前提下，用弱的能量選擇性地照射某一特定質子時，只與該特定質子相連的碳信號將作為單峰出現(xiàn)，峰的強度也相應增大最重要的是去偶器的能量設定，能量過強導致所有的信號都變成單峰；能量過弱則任何信號都不會變成單峰選擇性質子去偶譜O145678910DEPT（Distortionless Enhancement by Polarization Transfer）譜前面講過質子噪聲去耦譜可以使碳譜簡化，但是它損失了13C 和1H 之間的耦合信息，因此無法確定譜線所屬的碳原子的級數。在碳譜發(fā)展的早期，常采用偏共振技術來解決這一問題，偏共振技術既保留了13C 和1H 之間的耦合裂分，又由于耦合裂距較小而使得譜圖較

24、為簡化。但對于一些較復雜的有機分子或生物高分子等，多重峰仍將彼此交迭，再加上有些核的次級效應以及碳譜的信號較低，更是難以分辨各種碳的級數。DEPT譜法是INEPT法的一種改良方法通過改變照射1H的第三脈沖寬度()，使作45，90 ，135 變化并測定其13C NMR譜DEPT 譜P(CH)=BQ(CH2)=A-CR(CH3)=A+C-BP(CH)=BQ(CH2)=A-CR(CH3)=A+C-BO145678910OOOOHOH12357111618NOCl縱向弛豫時間T1測定及其意義-ionone的T1測定脈沖系列和不同脈沖時間間隔 ()O145678910縱向弛豫時間T1測定及其意義0: 信

25、號強度為0時的值T1= 0/0.69T1(C) T1(CH3) T1(CH)2 T1(CH2) T1值小的碳信號強， T1大的碳信號小T1值取決于1H的數目和分子運動速度： 連接1H的數目越多的碳， T1值越小；分子運動速度越快， T1值越大。 碳譜的解析步驟區(qū)分譜圖中的溶劑峰和雜質峰。同氫譜中一樣，測定液體核磁共振碳譜也須采用氘代溶劑，除氘代水（D2O）等少數不含碳的氘代溶劑外，溶劑中的碳原子在碳譜中均有相應的共振吸收峰，并且由于氘代的緣故在質子噪聲去耦譜中往往呈現(xiàn)為多重峰，裂分數符合 2nI +1，由于氘的自旋量子數 I=1，故裂分數為 2n +1 規(guī)律。碳譜中雜質峰的判斷可參照氫譜解析時

26、雜質峰的判別。一般雜質峰均為較弱的峰。當雜質峰較強而難以確定時，可用反轉門控去耦的方法測定定量碳譜，在定量碳譜中各峰面積（ 峰強度）與分子結構中各碳原子數成正比，明顯不符合比例關系的峰一般為雜質峰。分析化合物結構的對稱性。 在質子噪聲去耦譜中每條譜線都表示一種類型的碳原子，故當譜線數目與分子式中碳原子數目相等時，說明分子沒有對稱性，而當譜線數目小于分子式中碳原子數目時，則說明分子中有某種對稱性，在推測和鑒定化合物分子結構時應加以注意。但是，當化合物較為復雜，碳原子數目較多時，則應考慮不同類型碳原子的化學位移值的偶然重合。碳譜的解析步驟按化學位移值分區(qū)確定碳原子類型。碳譜按化學位移值一般可分為下

27、列三個區(qū)，根據這三個區(qū)域可大致歸屬譜圖中各譜線的碳原子類型。飽和碳原子區(qū)（150） 該區(qū)域的基團中碳原子的 值一般 160。其中酸、酯和酸酐的羰基碳原子在 160-180 出峰，酮和醛在 200 以上出峰。碳原子級數的確定。測定化合物的DEPT譜并參照該化合物的質子噪聲去耦譜，對DEPT-45、DEPT-90 和 DEPT-135 譜進行分析，由此確定各譜線所屬的碳原子級數。根據碳原子的級數，便可計算出與碳相連的氫原子數。若此數目小于分子式中的氫原子數，則表明化合物中含有活潑氫，其數目為二者之差。碳譜的解析步驟對碳譜各譜線進行歸屬。根據以上步驟，已可確定碳譜中的溶劑峰和雜質峰、分子有無對稱性、

28、各譜線所屬的碳原子的類型以及各譜線所屬的碳原子的級數，由此可大致地推測出化合物的結構或按分子結構歸屬各條譜線。若分子中含有較為接近的基團或骨架時，則按上述步驟也很難將所有譜線一一歸屬，這時可參照氫譜或采用碳譜近似計算的方法。目前核磁共振技術已有了飛速發(fā)展，二維核磁共振技術已被廣泛的應用，利用二維13C-1H 相關譜可清楚地解析絕大部分有機化合物碳譜中的每一條譜線。Two isomeric hydrocarbons, A and B, of C5H10 were separated by GC and gave the following 13C data: A: 13 (q), 17 (q), 26 (q), 118 (d), and 132 (s) ppm B: 13 (q), 22 (q), 31 (t), 108 (t), and 147 (s) ppmA compound gives a molecular ion in its EI spectrum at m/z 80. This value is unchanged when the compound is introduced into the