C核磁共振與二維核磁共振化院本科培訓(xùn)課件

C核磁共振與二維核磁共振化院本科為了提高信號(hào)強(qiáng)度，常采用下述方法：（a）提高儀器靈敏度。（b）提高儀器外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和射頻場(chǎng)功率。但是射頻場(chǎng)過(guò)大容易發(fā)生飽和。這兩條都受到限制。（c）增大樣品濃度，增大樣品體積，以增大樣品中核的數(shù)目。（d）采用雙共振技術(shù)，利用NOE效應(yīng)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。（e）多次掃描累加，這是最常用的有效方法。在多次累加時(shí)，信號(hào)S正比于掃描次數(shù)，而噪音N反比于掃描次數(shù)，所以S/N（信噪比，即信號(hào)強(qiáng)度)正比于。若掃描累加100次，S/N增大10倍。2C核磁共振與二維核磁共振化院本科1H和其他I≠0的核(如2H、19F、31P)與13C之間有偶合作用，13C-NMR譜中碳原子的譜峰也會(huì)發(fā)生分裂，I=1/2的1H、19F、31P它們形成的CXn系統(tǒng)是滿足一級(jí)譜的，也符合n+1規(guī)律。對(duì)于其他核，符合2nI+1規(guī)律。在只考慮1JCH偶合時(shí)，各個(gè)碳在偶合譜中的峰數(shù)和相對(duì)強(qiáng)度如下表。體系峰數(shù)峰數(shù)代號(hào)多重峰相對(duì)強(qiáng)度季碳1s2d1：1>CH23t1：2：1-CH34q1：3：3：1表5-1CHn體系的峰數(shù)及強(qiáng)度比3C核磁共振與二維核磁共振化院本科.213C-NMR測(cè)定方法在13C-NMR譜中，因碳與其相連的質(zhì)子偶合常數(shù)很大，1JCH大約在100~200Hz，而且2JC-CH和3JC-C-CH等也有一定程度的偶合，以致偶合譜的譜線交迭，使圖譜復(fù)雜化。故常采用一些特殊的測(cè)定方法.

核磁雙共振及二維核磁共振就是最重要的方法。核磁雙共振又分為若干種不同的方法，如質(zhì)子寬帶去偶、偏共振去偶等等。在13C-NMR測(cè)定中常規(guī)的測(cè)試就是質(zhì)子寬帶去偶。4C核磁共振與二維核磁共振化院本科雙共振又分為同核雙共振(如1H-1H)和異核雙共振(如13C-1H)。通常采用符號(hào)A{X}表示，A表示被觀察的核，X表示被另一射頻照射干擾的核。因?yàn)樵谔烊回S度的化合物中，可以不考慮13C-13C偶合，故雙共振都是異核雙共振。因此質(zhì)子去偶的雙共振表示為13C{1H}。5C核磁共振與二維核磁共振化院本科質(zhì)子寬帶去偶用一個(gè)強(qiáng)的有一定帶寬的去偶射頻使全部質(zhì)子去偶，使得1H對(duì)13C的偶合全部去掉。CH3、CH2、CH、季C皆是單峰。

其他核如D對(duì)碳的偶合此時(shí)一般還存在。峰的重?cái)?shù)由核的個(gè)數(shù)和自旋量子數(shù)Ix確定,用2nIx+1計(jì)算。如ID=1,基團(tuán)CDn有2n+1個(gè)峰,CDCl3作溶劑的碳譜中總有3個(gè)大峰;6C核磁共振與二維核磁共振化院本科7C核磁共振與二維核磁共振化院本科5.2.2偏共振去偶采用一個(gè)較弱的干擾照射場(chǎng)，這個(gè)射頻不會(huì)使任一質(zhì)子去偶，而與各種質(zhì)子的共振頻率偏離，使碳原子上的質(zhì)子在一定程度上去偶。偶合常數(shù)比原來(lái)的JCH小，稱(chēng)為剩余偶合常數(shù)JR。但是峰的裂分?jǐn)?shù)目不變，仍保持原來(lái)的數(shù)目，而裂距減小了。JR與照射頻率偏置程度有關(guān)8C核磁共振與二維核磁共振化院本科9C核磁共振與二維核磁共振化院本科10C核磁共振與二維核磁共振化院本科極化轉(zhuǎn)移技術(shù)

極化轉(zhuǎn)移技術(shù)可以克服偏共振實(shí)驗(yàn)中共振譜線發(fā)生重疊和指配復(fù)雜分子的譜時(shí)的一些困難，可以準(zhǔn)確指配CH、CH2、CH3和季碳，而測(cè)量時(shí)間比偏共振譜短。但極化轉(zhuǎn)移技術(shù)要求儀器有多脈沖器，射頻脈沖有45o、90o、135o等相位移控制裝置。一般八十年代以后的儀器皆可以做此實(shí)驗(yàn)。11C核磁共振與二維核磁共振化院本科極化轉(zhuǎn)移技術(shù)靈敏核非靈敏核檢測(cè)（非靈敏核）J脈沖序列1脈沖序列2

極化轉(zhuǎn)移(PT)是一種非常實(shí)技術(shù)，它用二種特殊的脈沖序列分別作用于非靈敏核和靈敏核兩種不同的自旋體系上。通過(guò)兩體系間極化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)移，從而提高非靈敏核的觀測(cè)靈敏度，基本的技巧是從高靈敏度的富核處“借”到了極化強(qiáng)度。12C核磁共振與二維核磁共振化院本科在具有兩種核自旋的系統(tǒng)中，可把高靈敏核（1H核）的自族極化傳遞到低靈敏核(13C)上去。這樣由1H核到與之偶合著的13C核的完全極化傳遞(Polarizationtransfer)可將13C核的αβ態(tài)的粒子數(shù)差提高4倍極化轉(zhuǎn)移是由偶合著的C－H鍵完成的．因此季碳沒(méi)有極化轉(zhuǎn)移的條件，所以不出現(xiàn)信號(hào)，可對(duì)照對(duì)照常規(guī)13C寬帶質(zhì)子去偶譜季碳信號(hào)加以指認(rèn)13C核磁共振與二維核磁共振化院本科Mercury-plus&Inova:CH3、CH2、CH無(wú)季碳（對(duì)照碳譜即可）DEPT14C核磁共振與二維核磁共振化院本科

的13C譜和DEPT譜，15C核磁共振與二維核磁共振化院本科5.313C-NMR參數(shù)主要有化學(xué)位移、偶合常數(shù)J和譜線強(qiáng)度三個(gè)參數(shù)。最重要的是化學(xué)位移。5.3.1化學(xué)位移及影響因素13C-NMR譜化學(xué)位移的分布范圍約為400ppm，因此對(duì)分子構(gòu)型、構(gòu)象的微小差異也很敏感。一般情況下，對(duì)于寬帶去偶的常規(guī)譜，幾乎化合物的每個(gè)不同的種類(lèi)的碳均能分離開(kāi)。16C核磁共振與二維核磁共振化院本科（1）化學(xué)位移的內(nèi)標(biāo)物用四甲基硅(TMS)的信號(hào)的C作為零，把出現(xiàn)在TMS低場(chǎng)一側(cè)(左邊)的信號(hào)的C值規(guī)定為正值，在TMS右側(cè)即高場(chǎng)的信號(hào)規(guī)定為負(fù)值。一般水溶性樣品常用二氧六環(huán)或DSS作內(nèi)標(biāo)，DSS各碳的位移值如下：DSS：NaSO3一CH2一CH2一CH2一SiMe3

C:7.2521.1517.70也可以用溶劑作內(nèi)標(biāo)。常用的溶劑的C見(jiàn)表5-2。17C核磁共振與二維核磁共振化院本科表5-2常用的溶劑的C(PPm)(TMS為內(nèi)標(biāo))溶劑C(PPm)質(zhì)子化合物氘代化合物CH3CN1.7（CH3）1.3（CH3）環(huán)己烷27.526.1CH3-CO-CH330.4（CH3）29.2（CH3）CH3-SO-CH340.539.6CH3OH49.949.0CH2Cl254.053.6二氧六環(huán)67.466.5CHCl377.276.9CCl496.0-苯128.5128.0CH3COOH178.3（COOH）-CS2192.8-18C核磁共振與二維核磁共振化院本科（3）影響化學(xué)位移的因素C受分子間影響較小。而碳處在分子骨架上，所以分子間效應(yīng)對(duì)碳影響較小，但分子內(nèi)部相互作用顯得重要。(a)雜化狀態(tài):雜化狀態(tài)是影響C的重要因素，一般說(shuō)C與該碳上的H次序基本上平行。SP3CH3<CH2<CH<季C在較高場(chǎng)0~50PPmSPCCH在中間50~80PPMSP2-CH=CH2在較低場(chǎng)100~150PPm>C=O在最低場(chǎng)150~220PPm19C核磁共振與二維核磁共振化院本科(b)誘導(dǎo)效應(yīng)有電負(fù)性取代基、雜原子以及烷基連接的碳，都能使其C信號(hào)向低場(chǎng)位移，位移的大小隨取代基電負(fù)性的增大而增加，這叫誘導(dǎo)效應(yīng)。下表列舉了一些取代基對(duì)正烷烴的誘導(dǎo)效應(yīng)?？梢钥闯稣T導(dǎo)效應(yīng)對(duì)-C影響較大，但對(duì)-C和-C影響較小，而且它們的誘導(dǎo)位移隨取代基的變化無(wú)明顯變化。20C核磁共振與二維核磁共振化院本科

13C-NMR的解析及應(yīng)用13C-NMR用于化合物結(jié)構(gòu)分析，反應(yīng)機(jī)理研究?？梢源_定碳原子個(gè)數(shù)，碳原子上氫原子的個(gè)數(shù)，碳原子的化學(xué)環(huán)境及可能的聯(lián)結(jié)基團(tuán)。13C-NMR譜圖解析通常按下列步驟進(jìn)行:（1）充分了解已知的信息，如分子量、分子式、元素分析數(shù)據(jù)和其他波譜分析數(shù)據(jù)。若已知分子式則先算出不飽和度。（2）檢查譜圖是否合格，基線是否平坦，出峰是否正常，認(rèn)清測(cè)試條件和方法。（3）找出溶劑峰。21C核磁共振與二維核磁共振化院本科（4）確定譜線數(shù)目，推斷碳原子數(shù)。當(dāng)分子中無(wú)對(duì)稱(chēng)因素時(shí)，寬帶去偶譜的譜線數(shù)等于碳原子數(shù)；當(dāng)分子中有對(duì)稱(chēng)因素時(shí)，譜線數(shù)少于碳原子數(shù)。由于寬帶去偶譜中峰強(qiáng)度與碳原子數(shù)不成正比，所以當(dāng)分子中有對(duì)稱(chēng)因素時(shí)要用反轉(zhuǎn)門(mén)去偶(非NOE方式)測(cè)定碳原子數(shù)。（5）由DEPT,2DNMR等方法確定各種碳的類(lèi)型:季碳、叔碳、>CH2，-CH3,>C=O等。(6)分析各個(gè)碳的c，參考其他信息，推斷碳原子上所連的官能團(tuán)及雙鍵，三鍵存在的情況。一般譜圖從高場(chǎng)到低場(chǎng)可分為四大區(qū):

0~40ppm為飽和區(qū)；40~90ppm碳上有N、O等取代；90~160ppm為芳碳及烯碳區(qū)；>160ppm為羰基碳及疊烯碳。22C核磁共振與二維核磁共振化院本科（7）推測(cè)可能的結(jié)構(gòu)式。用類(lèi)似化合物的c的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)作對(duì)照，按取代基參數(shù)估算c，結(jié)合其他分析，找出合理結(jié)構(gòu)式。（8）當(dāng)分子比較復(fù)雜，碳鏈骨架連接順序難以確定時(shí)，可應(yīng)用以下講到的2DNMR，確定各個(gè)碳之間的關(guān)系及連接順序。（9）對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)譜圖確定結(jié)構(gòu)。必要時(shí)用一些特殊方法驗(yàn)證。23C核磁共振與二維核磁共振化院本科例1：某未知物，分子式為C7H9N,13C-NMR如下，推斷結(jié)構(gòu)式。24C核磁共振與二維核磁共振化院本科解:（1）不飽和度U=4（2）1號(hào)峰為飽和碳，2~7號(hào)峰為SP2雜化碳。（3）1號(hào)峰為四重峰，故是CH3。按c值可能為CH3-Ph或CH3-C=C。（4）2~7號(hào)峰從多重峰的組成及c值看是雙取代苯上的碳。

(5)除以上兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元CH3和C6H4外，還剩一個(gè)NH2。（6）故可能結(jié)構(gòu)為CH3-Ph-NH2(A)(B)(C)(7)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)（C）的取代苯上的碳只出4個(gè)峰，可排除。A和B可用計(jì)算碳原子c值，排除了A?；衔餅锽。25C核磁共振與二維核磁共振化院本科2有一未知物,分子式為C8H18,寬帶去偶譜見(jiàn)下圖(a),偏共振譜見(jiàn)下圖(b).試推斷結(jié)構(gòu).26C核磁共振與二維核磁共振化院本科p229

某化合物C4H8O2的寬帶去偶13CNMR只在δc=67.12處有一個(gè)峰,試問(wèn)這是什么化合物?

28C核磁共振與二維核磁共振化院本科29C核磁共振與二維核磁共振化院本科

5某化合物C7H8O,

其碳譜和氫譜如

下,試推測(cè)其結(jié)

構(gòu)(溶劑為CDCl3)

30C核磁共振與二維核磁共振化院本科31C核磁共振與二維核磁共振化院本科

6化合物分子

式為C4H7NO,其

碳譜和氫譜如

下,試推測(cè)其結(jié)

構(gòu)(溶劑為CDCl3)

32C核磁共振與二維核磁共振化院本科Homonuclearcorrelation:(g)COSY,TOCSY,gDQCOSYnoe:NOESY,ROESYHeteronuclearcorrelation:DEPT,APT,HETCOR(phase-sensitivemultiplicity-edited)Indirectdetection:(g)HMQC,(g)HMBC,(g)HSQC,(g)HSQC-TOCSY,(g)HMQC-TOCSYResonance-selective:1-DNOESY(e.g.,GOESY),1-DTOCSY自動(dòng)完成各種實(shí)驗(yàn)33C核磁共振與二維核磁共振化院本科二維核磁共振簡(jiǎn)介1二維核磁共振的基本原理二維核磁共振(2DNMR)方法是七十年代提出并發(fā)展起來(lái)的。NMR一維譜的信號(hào)是一個(gè)頻率的函數(shù)，共振峰分布在一個(gè)頻率軸（或磁場(chǎng)）上，可記為S(ω)。而二維譜信號(hào)是二個(gè)獨(dú)立頻率（或磁場(chǎng)）變量的函數(shù)，記為S(ω1,ω2),共振信號(hào)分布在兩個(gè)頻率軸組成的平面上。也就是說(shuō)2DNMR將化學(xué)位移、偶合常數(shù)等NMR參數(shù)在二維平面上展開(kāi)，于是在一般一維譜中重迭在一個(gè)坐標(biāo)軸上的信號(hào)，被分散到由二個(gè)獨(dú)立的頻率軸構(gòu)成的平面上，使得圖譜解析和尋找核之間的相互作用更為容易。不同的二維NMR方法得到的圖譜不同，二個(gè)坐標(biāo)軸所代表的參數(shù)也不同。34C核磁共振與二維核磁共振化院本科二維NMR實(shí)驗(yàn)的記錄有四種圖譜類(lèi)型。但常用平面等值線圖。平面等值線圖：又叫平面等高線圖。一般2DNMR常使用這種圖。它是把堆積圖用一個(gè)平行于軸F1和F2的平面平切后所得。平切位置對(duì)圖的信息量有影響。35C核磁共振與二維核磁共振化院本科同核二維名詞解釋?zhuān)航孛妫ù髽?shù)和小樹(shù)）如何選取截面對(duì)角峰交叉峰強(qiáng)峰弱峰36C核磁共振與二維核磁共振化院本科COSY-COrrelationSpectroscopYH1H2H3H4H1H2H3H4H4H4H3H3H1H1H2H2(correlatesscalarlycoupledprotons)Grad.1Ht1d1ThegradientDQF-COSYsequence:

37C核磁共振與二維核磁共振化院本科H5eH1aH1aH2aH2aH5eH5aH5aH3eH3eH3aH3a1Hd1t1mixingNOESY-NuclearOverhauserEnhancedSpectroscopYnoe=f(1/r6)