核磁共振碳谱解析
波谱原理第五章核磁共振碳谱分析法
三、 13C-NMR测定方法
13C-NMR谱中,1J 约100-200Hz,偶合谱的谱线交 CH
迭,谱图复杂。常采用一些特殊的测定方法:
1、质子宽带去偶(噪音去偶)
在扫描的同时,用一个强的可使全部质子共振的去偶射 频的频率区进行照射,使得1H 对13C的偶合全部去掉。
每种碳原子都出一个单峰,互不重叠。
σi值越大, 屏蔽作用越强,δC位于高场端,δC越小 。 以TMS为内标物质。规定TMS的13C信号的δC为零,位于 其左侧的δC为正值,其右侧的δ C为负值。 此外,CS2(δC 192.5)和溶剂峰均可作内标。
δC(TMS) = 192.5 + δC ( CS2)
16
1、化学位移与屏蔽原理 γ C νC = 2π B0 (1-σi )
9
3、质子选择去偶
用一个很小功率的射频以某一特定质子的共振频率进 行照射,观察碳谱。 结果只与被照射质子直接相连的碳发生谱线简并,且由 于NOE效应,峰的强度增强。 连有其它质子的碳,只引起偏共振去偶的作用,谱线压 缩而不发生简并。 是归属碳的吸收峰的重要方法之一
10
C2 C3 CH3 1 C4 2 3
>C=O: 电子跃迁类型为n→π*跃迁, ΔE值较小,δC低场; 炔碳: sp杂化的碳,顺磁屏蔽降低,较sp2杂化碳处于高场。
21
(2)、碳原子的电子云密度
核外电子云密度增大,屏蔽作用增强,化学位移向高场移动。
(CH3)3C+
(CH3)3CH 24
(CH3)3CLi 10.7
δ(ppm)
330
22
对于13C核σdia不是主要的。最大贡献约15ppm 。
18
(2)、 σpara (局部顺磁屏蔽)
第五讲_核磁共振碳谱
17.7
20.0
29
8、构型
• 构型对化学位移也有不同程度影响。如烯 烃的顺反异构体中,烯碳的化学位移相差 1-2ppm。顺式在较高场;与烯碳相连的饱 和碳的化学位移相差更多些,约为 3-5ppm, 11.4 顺式也在较高场。 H
124.2 125.4
H
H
H
16.8
30
9、介质效应(测定条件)
• 不同的溶剂、介质,不同的浓度以及不同的
16
6、DEPT谱
确定碳分子级数
常规的13C NMR谱是指宽带质子去偶谱。在去 偶的条件下,失去了全部C-H偶合的信息,质子 偶合引起的多重谱线合并,每种碳原子只给出一 条谱线。虽然用偏共振去偶技术可以分辨CH3、 CH2、CH及季C的归属,但由于偏共振去偶谱中偶 合常数分布不均匀,多重谱线变形和重叠,在复 杂分子的研究中仍然受到限制。
(CH3)2N
1
3 2 4
5
CHO 的偏共振去偶谱 6
12
3、门控去偶
交替脉冲去偶,保留峰的多重性,增加峰强 度,既有偶合信号,又有NOE效应的谱图。
反转门控去偶
既无偶合信号,又无有NOE效应的谱图。
抑制NOE的门控去耦谱提供了碳原子的定量信息 (谱线高度正比于碳原子的数目)。
14
4、选择质子去偶
(1) 提高仪器灵敏度; (2) 提高仪器外加磁场强度和射频场功率; (3) 增大样品浓度; (4) 采用双共振技术,利用NOE效应增强信号强 度;
(5) 多次扫描累加,这是最常用的方法。
氘锁与溶剂
扫描时间长
磁场稳定
如 不 稳 定
? 溶剂峰 氘锁
当发生微小场频变化,信号产生微小漂移, 通过氘锁通道的电子线路来补偿微小的漂移, 维持信号稳定。
第五章 核磁共振碳谱
值范围大得多,超过200。每个 C 谱的 δ 值范围大得多,超过 。
值的明显变化, 原子结构上的微小变化都可引起 δ 值的明显变化,因 此在常规宽带质子去偶谱中, 此在常规宽带质子去偶谱中,每一种化学等价的核可 望显示一条独立的谱线。 望显示一条独立的谱线。
三.给出不连氢的碳的吸收峰 原子构成, 有机化合物分子骨架主要由 C 原子构成,因而
4.立体效应 .
13C的化学位移对分子的立体构型十分敏感。对于范 的化学位移对分子的立体构型十分敏感。 的化学位移对分子的立体构型十分敏感
德华效应,当两个 原子靠近时 原子靠近时, 德华效应,当两个H原子靠近时,由于电子云的相互 排斥, 原子移动, 排斥,使电子云沿着 H-C 键向 C 原子移动,C 的屏蔽 作用增加, 向高场移动 向高场移动。 作用增加,δ向高场移动。
3.共轭效应 . 共轭效应会引起电子云 分布的变化, 分布的变化,导致不同位 置C的共振吸收峰发生偏 的共振吸收峰发生偏 移。例如: 例如: 再如: 再如:
C3 H . 1 78 3
N2 O . 1 83 4 .
1 34 2 1 95 2. 1 47 3
1 93 2
.
1 56 2
.
. 1 85 2
2.诱导效应 . 诱导效应使碳的核外电子云密度降低,具有去屏 诱导效应使碳的核外电子云密度降低, 蔽作用。 蔽作用。 化合物 CH4 CH3I CH3Br CH3Cl δC/ppm -2.6 -20.6 10.2 25.1 化合物 CH3F CH2Cl2 CHCl3 CCl4 δC/ppm 75.4 52 77 96
中的自旋-自旋偶合 三.13CNMR中的自旋 自旋偶合 中的自旋 1.13C-13C偶合 . 偶合 因为13C的天然丰度很低,只有1.1%,两个13C核相 的天然丰度很低,只有 , 核相 的天然丰度很低 邻的几率更低,因而13C-13C偶合可以忽略不计。 偶合可以忽略不计。 邻的几率更低, 偶合可以忽略不计 2.13C-1H偶合 . 偶合
第五章 核磁共振碳谱(white)
=100~210 ppm
碳的类型(SP3)
化学位移(ppm)
C-I
0~40
C-Br
25~65
C-Cl
35~80
—CH3
8~30
—CH2
15~55
—CH—
第五章 核磁共2振0碳~谱60
23
碳的类型 三C—(炔) =C—(烯) C=O C-O C6H6(苯) C-N
化学位移 (ppm) 65~85 100~150 170~210 40~80 110~160 30~65
计算机的问世及谱仪的第不五章断核磁改共振进碳谱,可得很好的碳谱。3
第一节 核磁共振碳谱13C NMR的特点
1. 灵敏度低 2. 分辨能力高 3. 给出不连氢的碳的吸收峰 4. 不能用积分高度来计算碳的数目
★ 化学位移范围宽: 0~ 300 ppm, 1H 谱的 20~30 倍
★ 分辨率高:谱线之间分得很开,容易识别
质子选择性去偶是偏共振去偶的特例。当测一个化合物的13C NMR谱,而又准确知道这个化合物的1H NMR 各峰的δ值及归属 时,就可测选择性去偶谱,以确定碳谱谱线的归属。
选择某特定的质子作为去耦对象,用去耦频率照射该特定的质
子,使被照射的质子对13C的耦合去掉,13C成为单峰,并因
NOE而使谱线强度增大。第五章 核磁共振碳谱
场位移
★ 温度:温度的改变可使δc有几个ppm的位移。当分子有构型、 构象变化或有交换过程时,谱线的数目、分辨率、线型都将随 温度变化而发生明显变化。
如,吡唑:
第五章 核磁共振碳谱
35
” 吡咯氮“
” 吡啶氮“ 吡唑的变温13C NMR谱
- 40°时两条谱线,分别对应于C-3、5和C-4。温度降低,C-4 谱线基本不变,C-3、5谱线因分子两种状态互相转换速度变慢, 呈现两条尖锐的谱线。
第五讲 核磁共振碳谱
2 0 4 .1 O O H
22
七、有机化合物13C化学位移(资料已发)
23
§5.3 C-F之间的自旋-自旋偶合
F F
13C
NMR (CDCl3, 75 MHz) d 3.6, 115.0 (d, JC-F = 21.2 Hz),
124.3, 128.5, 129.8 (d, JC-F = 7.6 Hz), 136.8, 161.9 (d, JC-F = 244.4 Hz).
d
11
3)g-旁式效应
各种基团的取代均使g-碳原子的共振稍移向高场。
4)超共轭效应 周期表中第二周期的杂原子(N,O,F)的取代, 使g-碳原子的高场位移比烷基取代更为明显。
12
5)重原子效应 重原子效应有时也称作重卤素(heavy halogen) 效应。碳原子上面的氢被电负性基团取代以后,d
24
O
F F
NMR (CDCl3, 75 MHz) d 25.8, 43.4, 74.7, 115.6 (d, JC-F = 20.6 Hz), 127.9 (d, JC-F = 8.8 Hz), 137.7, 161.7 (d, JC-F = 245.9 Hz), 208.3.
13C
25
OH
F
33
五、确定碳原子级数:DEPT 六、推出结构单元并进一步组合成若干可能的
结构式
七、结合氢谱对碳谱进行指认
34
石油醚碳谱峰:14,22,29附近,视样品中 石油醚的含量,三个峰都存在或只出其中的一个
或两个。
35
§5.5 谱图解析举例
例一:某未知化合物分子式为C6H10O2, 有如下核磁共振碳谱数据,试推导其结构。
127.93 (q, JC-F = 270.60 Hz), 127.98, 128.31, 128.97, 129.54 (q, JC-F = 37.5 Hz), 131.19 (q, JC-F = 1.28 Hz), 131.6, 136.0, 136.1, 139.6, 139.9, 144.3, 146.1.
核磁共振碳谱讲解
可按烷烃计算
共轭效应:形成共轭双键时,中间碳原子键级减小,共振 移向高场
烯碳的C值可用经验公式进行计算:Ci = 123.3 + nijAi + Z 式中123.3是乙烯的C值,nij为相对于烯碳Ci的 j 位取代基的 数目,j = 、、、’、’、’; 、、 表示同侧的
Bionanotextile
影响13C化学位移的因素
13C NMR谱化学位移的分布范围约为400 ppm,因此对分 子构型和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 个不同种类的碳均能分离开
碳杂化轨道 诱导效应 空间效应 超共轭效应 重原子效应 测定条件:溶解样品的溶剂、溶液的浓度、测定时的温
Bionanotextile
6.1 核磁共振碳谱的特点
灵敏度低:为1H 的1/6700,13C的天然丰度只占1.108%,
所以含碳化合物的13C NMR信号很弱,需借助FT-NMR。但 PFT-NMR扭曲了信号强度,不能用积分高度来计算碳的数目 分辨能力高:谱线之间分得很开,容易识别 化学位移范围大:0 ~ 300 ppm,1H NMR谱的20 ~ 30 倍 自然丰度低:不可能同时有两个13C出现在一个分子中, 不必考虑13C与13C的偶合,只需考虑1H-13C偶合 无法区别碳上连接的1H核数目 掌握碳原子(特别是无H连接时)的信息,确定碳原子级数 容易实现双共振实验 准确测定驰豫时间T1,可作为化合物特构鉴定的波谱参数, 帮助指认碳原子
Bionanotextile
(c ) 空间效应
核磁共振碳谱详解
核磁共振碳谱(13C-NMR)Produced by Jiwu Wen•核磁共振碳谱的特点:1. 化学位移范围宽。
碳谱(13C-NMR)的化学位移δC通常在0~220 ppm之间(对于碳正可达330 ppm)。
离子δC比较:1H-NMR的化学位移δ通常在0~10 ppm之间。
Example:2. 13C-NMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰。
核磁共振碳谱(13C-NMR)可以给出季碳,羰基碳,氰基碳,以及不含氢原子的烯碳和炔碳的特征吸收峰。
3. 13C-NMR的偶合情况复杂,偶合常数大。
核磁共振碳谱(13C-NMR)中偶合情况比较复杂,除了1H-1H偶合,还有1H-13C以及1H,13C与其它自旋核之间的偶合。
1H-13C的偶合常数通常在125-250 Hz。
因此在谱图测定过程中,通常采用一些去偶技术。
4. 13C-NMR的灵敏度低。
•核磁共振碳谱的去偶技术 1. 质子宽带去偶(也称为质子噪声去偶)。
质子宽带去偶是一种双共振去偶技术,实验方法是:用一相当宽的频率(包括样品中所有氢核的共振频率)照射样品,消除13C-1H 之间的偶合,使每种碳原子只给出一条谱线。
2. 偏共振去偶(也称不完全去偶)。
这种去偶技术的实验方法是:采用一个频率范围很小、比质子宽带去偶功率弱很多的射频场(B 2),其频率略高于待测样品中所有氢核的共振吸收频率,使1H 与13C 之间在一定程度上去偶,不仅消除2J ~4J 的弱偶合,而且使1J 减小到J r (表观偶合常数)。
J r 和1J 之间的关系如下:r 12J J B /2∆νλπ=根据n+1规律,在偏共振去偶谱中,伯碳裂分为四重峰(用q表示),仲碳为三重峰(t),叔碳为两重峰(d),季碳以及不与氢相连的碳为单峰(s)。
Example:2-丁醇的宽带去偶谱2-丁醇的偏共振去偶谱2-丁酮的质子宽带去偶谱和偏共振去偶谱3. 质子选择性去偶。
4. 门控去偶和反转门控去偶。
主要用于定量分析。
图谱解析 核磁共振图谱-碳谱
SKLF
4-2.8 离共振去耦
在保持图谱在看上去相对简单的同时,离共振去耦通 常能都提供多重峰信息。 耦合常数被降低,多重峰重叠的情况很少发生。 离共振去耦谱图仍然保留C和相连的H之间的耦合作用, 但有效的去除了和距离较远的H原子之间的耦合。 辅助电磁波发射移所发射的频率既不处于低场也不处 于高场。 退藕装置处于低功率以防止完全去耦。
OH
C7H8O
OCH3
39
SKLF
C8H8O
O C CH3
O CH CH2
40
SKLF
2. 确定信号峰的数目,即分子内非等价C原子的个数
3. 确定分裂线的数目: 去共振耦合谱图可得各C原子上连接的H原子数
4. 将化学位移分类解析,查表推断相连基团。
28
SKLF
(环)烷烃
化学位移
单取代烷烃
取代烷烃 炔烃
羧酸 醛
双取代烷烃 烯烃 芳烃、杂芳环
1H
11
10
9876源自5432
1
伯碳
16sklf图图4427271丙醇的离共振去耦的丙醇的离共振去耦的131317sklf442929图图4428222822二甲基丁烷二甲基丁烷质子去耦合质子去耦合131318sklf图图442929环己醇的质子去耦合环己醇的质子去耦合131319sklf图图44210210环己烯的质子去耦合环己烯的质子去耦合131320sklf图图44211211环己酮的质子去耦合环己酮的质子去耦合131321sklf442
9
SKLF
最大增强效果
NOE max 1 γirr = ( ) 2 γobs 1 267 .5 = ( ) = 1.998 2 67.28
total predicted int ensity (max) = 1 + NOE max NOE max
核磁共振碳谱详解
第一节 13C NMR的特点
1. 化学位移范围宽
δ 0 ~ 220ppm
( 1HNMR 0 ~ 10ppm)
Hale Waihona Puke CI4 –292ppm 正碳离子大于 300ppm
胆固醇 C27H46O (26条峰)
2.13C NMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰 >CO(酮、羧酸、酯和酰胺等), 碳碳叁键, CN, >C=C<, 季碳
脉冲过程的瞬间磁化矢量
MYˊ = M0 ·sinω1 tp
常规记谱900脉冲, M0 正好从Z轴转向xy平 面, 接收到的FID信号最大.
MYˊ 在xy平面上的衰减( T2过程 )
若照射频率ν1和核共振频率ν0相等, 共振时
的频率输出信号F(t), 指数衰减, 如d所示.
若照射频率ν1和核共振频率ν0不等, 偏离共
ATP的不足之处是:
1. J数值的变化对此法不利;
2. 对CH和CH3的分辨也有困难。
DEPT (distortionless enhancement by polarization transfer)
不失真地极化转移增强
DEPT脉冲序列的显著特征是质子的脉冲角度()是可 改变的。
DEPT 45,除季碳(不出峰)外,所有碳核都出正峰; DEPT 90,只出现CH峰;DEPT 135,CH3和CH为正峰, 而CH2为负峰。
表观偶合常数J r = 1JC-H Δ/ B2/2 ,
减少了复峰的交错。
苯酚的C-13 NMR谱 (质子偶合谱,宽带去偶谱,偏共振去偶谱)
注意 偏共振去偶有时会产生二级效应,
使某些谱峰复杂化。
质子选择性去偶 (Proton Selective Decoupling)
核磁共振碳谱解析
烯碳:示例
Ci = 123.3 + nijAi + Z
炔碳的C值
炔基碳为sp杂化,化学位移介于sp3与sp2杂化碳之间,为65 ~ 90 ppm,其中含氢炔碳 (CH) 的共振信号在很窄范围(67 ~ 70 ppm),有碳取代的炔碳(CR)在相对较低场(74 ~ 85 ppm), 两者相差约为15 ppm。不对称的中间炔如2-炔和3-炔,二个
77 21 11
取代基的电负性
若苯氢被-NH或-OH取代后,这些基团的孤对电子离域到苯 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
苯氢被拉电子基团-CN或-NO2取代后,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
128.5
a 147.7 b 116.1 c 129.8 d 119.0
20.3 ppm
H3C
H
14.0 ppm
H3C
COOH
HOOC
COOH
HOOC
H
空间效应:示例
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
= 0º
C = 195.7
= 28º
C = 199.0
= 50º
C = 205.5
超共轭效应
当第二周期的杂原子N、O和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
苯环碳谱峰数
Y
无对称性:
6个峰
X
X
Y
单取代:
4个峰
R
对位取代:
4个峰
X
邻位相同取代基: 3个峰
间位三相同取代基: 2个峰
X
第三章第六节 波普学核磁共振碳谱 2
选择某特定的质子作为去耦对象,用去耦频率照射该特 定的质子,使被照射的质子对13C的耦合去掉,13C成为单峰, 以确定信号归属。(略)
3、门控去耦p134
4、反转门去耦p135
三、 13C NMR化学位移及影响因素
(一)影响C的因素 1、碳原子的杂化轨道 一般规律:sp3杂化的碳共振吸收在=0-100范围 内,sp2杂化的碳在=100-210范围内,
C(K)=123.3+∑Aki(Ri)+∑ A’ki(R’i) + ∑ S(修正
值)
-C—C-C-C=C-C-C-C-
k k
’ ’ ’
式中Aki(Ri)表示在碳链中第i位置引入取代基Ri对烯碳 k的化学位移的增值。 R’i为双键另一边的取代基位置。 各种取代基Aki和A’ki参数及修正值S见表4.11
宽带去耦的缺点是只能帮助确定化合物中碳的种数, 但不能像1HNMR图谱一样用峰的强度衡量各种碳的个 数。图中四个峰各代表一种碳。
除了宽带去耦还有四种去耦方法: 1、不完全去耦(偏共振去耦) 在进行H去耦时,将去耦频率放在偏离H共振中心频率 几百到几千赫兹处,这样在谱中出现几十赫兹以下的J C-H, 而长距离耦合则消失了,从而避免谱峰交叉现象,便于识 谱。利用不完全去耦技术可以在保留NOE使信号增强的同 时,仍然看到CH3四重峰,CH2三重峰,CH二重峰,不与H 直接键合的季碳等单峰。 2、选择去耦
-210范围内。
1、烷烃13C化学位移
计算经验式:
i=-2.6+9.1n+9.4n-2.5n 分别为i碳原子、和 位所连接碳原子的个数。
例 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
1 2 3 4 5 式中, i为i碳原子的化学位移, n、n和n
核磁共振碳谱详解
核磁共振碳谱(13C-NMR)Produced by Jiwu Wen•核磁共振碳谱的特点:1. 化学位移范围宽。
碳谱(13C-NMR)的化学位移δC通常在0~220 ppm之间(对于碳正可达330 ppm)。
离子δC比较:1H-NMR的化学位移δ通常在0~10 ppm之间。
Example:2. 13C-NMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰。
核磁共振碳谱(13C-NMR)可以给出季碳,羰基碳,氰基碳,以及不含氢原子的烯碳和炔碳的特征吸收峰。
3. 13C-NMR的偶合情况复杂,偶合常数大。
核磁共振碳谱(13C-NMR)中偶合情况比较复杂,除了1H-1H偶合,还有1H-13C以及1H,13C与其它自旋核之间的偶合。
1H-13C的偶合常数通常在125-250 Hz。
因此在谱图测定过程中,通常采用一些去偶技术。
4. 13C-NMR的灵敏度低。
•核磁共振碳谱的去偶技术 1. 质子宽带去偶(也称为质子噪声去偶)。
质子宽带去偶是一种双共振去偶技术,实验方法是:用一相当宽的频率(包括样品中所有氢核的共振频率)照射样品,消除13C-1H 之间的偶合,使每种碳原子只给出一条谱线。
2. 偏共振去偶(也称不完全去偶)。
这种去偶技术的实验方法是:采用一个频率范围很小、比质子宽带去偶功率弱很多的射频场(B 2),其频率略高于待测样品中所有氢核的共振吸收频率,使1H 与13C 之间在一定程度上去偶,不仅消除2J ~4J 的弱偶合,而且使1J 减小到J r (表观偶合常数)。
J r 和1J 之间的关系如下:r 12J J B /2∆νλπ=根据n+1规律,在偏共振去偶谱中,伯碳裂分为四重峰(用q表示),仲碳为三重峰(t),叔碳为两重峰(d),季碳以及不与氢相连的碳为单峰(s)。
Example:2-丁醇的宽带去偶谱2-丁醇的偏共振去偶谱2-丁酮的质子宽带去偶谱和偏共振去偶谱3. 质子选择性去偶。
4. 门控去偶和反转门控去偶。
主要用于定量分析。
怎么解析碳谱
怎么解析碳谱碳谱是一种分析物质结构的方法,利用了同位素碳13和碳12的不同比例来推断化合物的结构。
碳谱在有机化学领域中非常重要,可以帮助研究人员识别和确定有机分子的结构。
本文将介绍碳谱的解析方法和基本原理,以及一些常见的谱线和它们所代表的结构。
1. 碳原子和碳谱的基本原理碳谱是基于核磁共振(NMR)技术的,利用同位素碳13和碳12的不同比例来识别和确定分子中的碳原子的环境和连接方式。
在自然界中,碳原子最常见的同位素是碳12,而稀有同位素碳13的含量仅约为1%。
因此,利用碳谱来分析组成碳12和碳13的化合物,可以通过谱峰的强度和位置来区分不同的结构和类型。
2. 通过解析谱峰来推断结构碳谱可以通过观察不同化合物的峰形和谱线特征来推断结构。
其中,主要有四种谱线:甲基(methyl)、甲烷(methylene)、亚甲(methine)和芳香(aromatic)。
- 甲基峰一般在20-30 ppm的化学位移范围内,是因为甲基中没有其他质子或惰性原子与碳原子相连。
它的峰形类似于单个尖锐的峰。
- 甲烷峰在30-40 ppm,因为甲烷中有一个氢原子与碳原子相连,它的峰形类似于一对上下对称的峰。
- 亚甲峰在40-60 ppm,其中一个碳原子与两个氢原子相连,它的峰形类似于单个峰。
- 芳香峰在120-200 ppm间,通常是分离的,呈现单条或多条肩峰的峰形。
3. 确定化学位移来推断结构化学位移是指在不同环境下的碳原子的吸收频率。
通过测量不同环境下的碳原子的化学位移,可以推断分子中不同碳原子的环境和连接方式。
例如,苯环中的碳原子各不相同,对应的峰形也会不同。
最外层的邻位(ortho)碳原子和对位(para)碳原子的化学位移大约在130-140 ppm之间。
而邻位和对位之间的甲基碳原子的化学位移通常在20-30 ppm之间。
4. 结语总之,碳谱是物质结构分析的重要工具。
通过测量不同的化合物的谱线和化学位移,可以定量分析和推断原子的环境和结构。
[整理版]核磁共振氢、碳普解析的步骤
三. 核磁共振氢谱核磁共振技术发展较早,20世纪70年代以前,主要是核磁共振氢谱的研究和应用。
70年代以后,随着傅里叶变换波谱仪的诞生,13C—NMR的研究迅速开展。
由于1H—NMR的灵敏度高,而且积累的研究资料丰富,因此在结构解析方面1H—NMR的重要性仍强于13C—NMR。
解析图谱的步骤1.先观察图谱是否符合要求;①四甲基硅烷的信号是否正常;②杂音大不大;③基线是否平;④积分曲线中没有吸收信号的地方是否平整。
如果有问题,解析时要引起注意,最好重新测试图谱。
2.区分杂质峰、溶剂峰、旋转边峰(spinning side bands)、13C卫星峰(13C satellite peaks) (1)杂质峰:杂质含量相对样品比例很小,因此杂质峰的峰面积很小,且杂质峰与样品峰之间没有简单整数比的关系,容易区别。
(2)溶剂峰:氘代试剂不可能达到100%的同位素纯度(大部分试剂的氘代率为99-99.8%),因此谱图中往往呈现相应的溶剂峰,如CDCL3中的溶剂峰的δ值约为7.27 ppm处。
(3)旋转边峰:在测试样品时,样品管在1H-NMR仪中快速旋转,当仪器调节未达到良好工作状态时,会出现旋转边带,即以强谱线为中心,呈现出一对对称的弱峰,称为旋转边峰。
(4)13C卫星峰:13C具有磁距,可以与1H偶合产生裂分,称之为13C卫星峰,但由13C 的天然丰度只为1.1%,只有氢的强峰才能观察到,一般不会对氢的谱图造成干扰。
3.根据积分曲线,观察各信号的相对高度,计算样品化合物分子式中的氢原子数目。
可利用可靠的甲基信号或孤立的次甲基信号为标准计算各信号峰的质子数目。
4.先解析图中CH3O、CH3N、、CH3C=O、CH3C=C、CH3-C等孤立的甲基质子信号,然后再解析偶合的甲基质子信号。
5.解析羧基、醛基、分子内氢键等低磁场的质子信号。
6.解析芳香核上的质子信号。
7.比较滴加重水前后测定的图谱,观察有无信号峰消失的现象,了解分子结构中所连活泼氢官能团。
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主含氢要内容
6.1 碳核磁共振谱简介 6.2 13C的化学位移 6.3 偶合谱 6.4 碳核磁共振谱中的实验技术 6.5 碳核磁共振谱的解析及其应用
在有机物中,有些官能团不含氢, 例如C=O, C=C=C和N=C=O, 官能团的信息不能从1H NMR谱 中得到,只能从13C NMR谱中得到
a 112.5 b 132.0 c 129.0 d 132.8
取代基的电负性
在不饱和羰基化合物和具有孤对电子的取代基 系统中,这些基团便羰基碳正电荷分散,使其 共振向高场位移
-CHO -COCH3 –COOH –CONH2 -COCl -COBr
c=O 201 204
177
172 170 167
c=O 201.5
r-32p: 2p电子和核距离立方倒数的平均值
QAA: 所考虑核的2p轨道电子的电子密度 QAB: 所考虑核与其相连的核的键之键级 负号表示顺磁屏蔽,|p|越大,去屏蔽越强,其共振位置越在低场 13C谱化学位移的决定因素是顺磁屏蔽
影响13C化学位移的因素
13C NMR谱化学位移的分布范围约为400 ppm,因此对分 子构型和构象的微小差异也很敏感
77 21 11
取代基的电负性
若苯氢被-NH或-OH取代后,这些基团的孤对电子离域到苯 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
苯氢被拉电子基团-CN或-NO2取代后,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
128.5
a 147.7 b 116.1 c 129.8 d 119.0
192.4
190.7
取代基的电负性
89 ppm
HO
OH
CH
H2 102 ppm C
OO
N
C
H
O
COH
sp3 carbons can resonate close to ‘sp2’ region if they carry a number of electronegative substituents
36 18 14
SH
2.5 1.6 1.0
27 27 13
NH2
2.6 1.5 0.9
Ph
2.6 1.6 0.9
44 27 11 39 25 15
Br
3.4 1.9 1.0
36 26 13
Cl
3.5 1.8 1.0
47 26 12
OH
3.6 1.6 0.9
64 26 10
NO2
4.4 2.1 1.0
St = C·FHH(HH)·Cos
H H 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
空间效应
影响因素:
a) 取代烷基的密集性:取代烷基越大、分枝越多,
C也越大
例:伯碳 仲碳 叔碳 季碳
一般情况下,对于宽带去偶的常规谱,几乎化合物的每 个不同种类的碳均能分离开
碳杂化轨道 诱导效应 空间效应 超共轭效应 重原子效应 测定条件:溶解样品的溶剂、溶液的浓度、测定时的温
度等
碳杂化轨道
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
sp3 CH3 < CH2 < CH < 季C 在较高场 0 ~ 50 ppm
6.1 核磁共振碳谱的特点
灵敏度低:为1H 的1/6700,13C的天然丰度只占1.108%,
所以含碳化合物的13C NMR信号很弱,需借助FT-NMR。但 PFT-NMR扭曲了信号强度,不能用积分高度来计算碳的数目 分辨能力高:谱线之间分得很开,容易识别 化学位移范围大:0 ~ 300 ppm,1H NMR谱的20 ~ 30 倍 自然丰度低:不可能同时有两个13C出现在一个分子中, 不必考虑13C与13C的偶合,只需考虑1H-13C偶合 无法区别碳上连接的1H核数目 掌握碳原子(特别是无H连接时)的信息,确定碳原子级数 容易实现双共振实验 准确测定驰豫时间T1,可作为化合物特构鉴定的波谱参数, 帮助指认碳原子
(c ) 空间效应
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:
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,称诱导效应
Chemical shifts (ppm) of XCH2CH2CH3
1H
13C
-CH2 -CH2 -CH3 -CH2 -CH2 -CH3
Et
1.3 1.3 0.9
34 22 14
COOH 2.3 1.7 1.0
sp2 -CH=CH2
在较低场 100 ~ 150 ppm
>C=O
在最低场 150 ~ 220 ppm
sp CCH
在中间 50 ~ 80 ppm
O CH2 C 127 ~ 134 41 171
14 CH3
CH2
61 O
114 36 138 36 126-142
3.2.2 链状烷烃及取其代衍生基物的电负性
小,它与电子云密度、激发能量和键级等 因素有关
a表示相邻基团磁各项异性的影响 s表示溶剂和介质的影响
顺磁屏蔽
抗磁屏蔽,Lamb公式:
d
e2 3mC2
i
ri1
顺磁屏蔽,Karplus与Pople公式:
p
e2h2 3m2C2
(E)1
r 3
2p[QAA
B
QAB ]
(E)-1: 平均电子激发能的倒数
氢谱与碳谱
6.2 13C的化学位移
化学位移:
1) TMS为参考标准,C = 0 ppm
2) 以各种溶剂的溶剂峰作为参数标准
碳的类型 化学位移(ppm) 碳的类型 化学位移(ppm)
-C-I
0 ~ 40
C-
65 ~ 85
-C-Br
25 ~ 65
=C-
100 ~ 150
-C-Cl
35 ~ 80
C=O
170 ~ 210
-CH3 -CH2-CH-
8 ~ 30 15 ~ 55 20 ~ 60
C-O
Cபைடு நூலகம்H6 C-N
40 ~ 80 110 ~ 160 30 ~ 65
13C的化学位移:屏蔽常数
= d + p + a + s d项反映由核周围局部电子引起的抗磁屏
蔽的大小
p项主要反映与p电子有关的顺磁屏蔽的大