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13C核磁共振與二維核磁共振,13C的天然豐度只占1.108%，所以含碳化合物的13C-NMR信號很弱，致使13C-NMR的應用受到了極大的限制。六十年代后期，脈沖付立葉變換(PFT)譜儀的出現，才使13C-NMR成為可實用的測試手段。,13C核磁共振基本原理,13C核的實受磁場B滿足υ=B，就發(fā)生核磁共振。,,?是核的13C旋磁比。,?C?,,核磁共振的信號強度∝[NB02?3I(I+1)]/T,N一共振核的數目?一旋磁化I一自旋量子數T一絕對溫度,共振信號與旋磁比的立方成正比。而?C?γH/4，13C的天然豐度也只有1.1%。所以核的測定靈敏度是很低的，大約是核的1/6000.,為了提高信號強度，常采用下述方法：,（a）提高儀器靈敏度。,（b）提高儀器外加磁場強度和射頻場功率。但是射頻場過大容易發(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目。,（d）采用雙共振技術，利用NOE效應增強信號強度。,（e）多次掃描累加，這是最常用的有效方法。在多次累加時，信號S正比于掃描次數，而噪音N正比于，所以S/N（信噪比，即信號強度)正比于。若掃描累加100次，S/N增大10倍。,13C的測定靈敏度很低，信號弱，必須累加多次。為了解決這個問題，只有采用脈沖付立葉變換NMR儀。,脈沖付立葉變換NMR儀采用脈沖發(fā)射，可以同時使各種不同的核發(fā)生躍遷，使它們同時被激發(fā)。在接收機中可以得到一張隨時間逐步衰減的信號，稱為FID一自由感應衰減信號(FreeInducedDecay)，它是各種核的FID信號的疊加，同時包括了各種核的信息。,所以近代儀器都配有計算機，把FID信號通過付立葉轉換變成通常的NMR譜。FID信號f(t)NMR譜f(?)。,,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)是滿足一級譜的，也符合n+1規(guī)律。對于其他核，符合2nI+1規(guī)律。在只考慮1JCH偶合時，各個碳在偶合譜中的峰數和相對強度如下表。,,,表5-1CHn體系的峰數及強度比,對于其他任意原子構成的CXn系統(tǒng)，計算裂分峰的通式為(2nIx+I)。,當X為1H,19F,時,I=1/2，故(2nIx+l)=n+l。,當X為重氫時，因為ID=l，所以2nIx+l=2n+l。即在CDCl3中，碳為三重峰。在CD3-CO-CD3中，甲基碳原子為2?3+1=7重峰。峰強度比仍符合二項式展開項系數之比。,在碳譜中最重要的參數是峰的個數及其化學位移。,5.213C-NMR測定方法,在13C-NMR譜中，因碳與其相連的質子偶合常數很大，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，使圖譜復雜化。故常采用一些特殊的測定方法.,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，如質子寬帶去偶、偏共振去偶等等。,在13C-NMR測定中常規(guī)的測試就是質子寬帶去偶。,雙共振又分為同核雙共振(如1H-1H)和異核雙共振(如13C-13C-H)。,通常采用符號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。,因為在天然豐度的化合物中，可以不考慮13C-13C偶合，故雙共振都是異核雙共振。因此質子去偶的雙共振表示為13C{1H}。,質子寬帶去偶,用一個強的有一定帶寬的去偶射頻使全部質子去偶，使得1H對13C的偶合全部去掉。CH3、CH2、CH、季C皆是單峰。,,,其他核如D、19F、31P對碳的偶合此時一般還存在。峰的重數由核的個數和自旋量子數Ix確定,用2nIx+1計算。,,如ID=1,IF=1/2,IP=1/2基團CDn有2n+1個峰,CDCl3作溶劑的碳譜中總有3個大峰;基團CFn和CPn有n+1個峰,如基團CF3為4重峰.,,,,在分子中沒有對稱因素和不含氘、F、P等元素時，每個碳原子都出一個峰，互不重疊。,而且由于多重偶合峰合并成單峰提高了信噪比，使信號增強。一般去偶時的NOE效應常使譜線增強1~2倍。,5.2.2偏共振去偶,采用一個較弱的干擾照射場，這個射頻不會使任一質子去偶，而與各種質子的共振頻率偏離，便碳原子上的質子在一定程度上去偶。,偶合常數比原來的JCH小，稱為剩余偶合常數JR。但是峰的裂分數目不變，仍保持原來的數目，而裂距減小了。,JR與照射頻率偏置程度有關,門控去偶,質子寬帶去偶圖譜得不到C-H的偶合信息，質子偏共振去偶僅能看到一個鍵C-H偶合的剩余偶合裂分，看不到遠程偶合。,為了得到真正的一鍵或遠程偶合則需要對質子不去偶。但一般偶合譜費時太長，需要累加很多次。為此采用帶NOE的不去偶技術，叫門去偶法，也叫交替脈沖法。,接收的FID信號是具有偶合同時有NOE增強的信號。,反轉門控去偶法,它的目的是得到寬帶去偶譜，但消除NOE，保持碳數與信號強度成正比例的方法?？捎糜谔己说亩?。而一般的寬帶去偶信號強度與碳原子個數不成比例,不能用于碳核的定量。,極化轉移技術,極化轉移技術可以克服偏共振實驗中共振譜線發(fā)生重疊和指配復雜分子的譜時的一些困難，可以準確指配CH、CH2、CH3和季碳，而測量時間比偏共振譜短。,但極化轉移技術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驗。,,的13C譜和DEPT譜，,13C-NMR參數,主要有化學位移?、偶合常數J和譜線強度三個參數。最重要的是化學位移。,化學位移?及影響因素,13C-NMR譜化學位移的分布范圍約為400ppm，因此對分子構型、構象的微小差異也很敏感。一般情況下，對于寬帶去偶的常規(guī)譜，幾乎化合物的每個不同的種類的碳均能分離開。,（1）化學位移的內標物,用四甲基硅(TMS)的信號的?C作為零，把出現在TMS低場一側(左邊)的信號的?C值規(guī)定為正值，在TMS右側即高場的信號規(guī)定為負值。,一般水溶性樣品常用二氧六環(huán)或DSS作內標，DSS各碳的位移值如下：DSS：NaSO3一CH2一CH2一CH2一SiMe3?C:7.2521.1517.70,也可以用溶劑作內標。常用的溶劑的?C見表5-2。,表5-2常用的溶劑的?C(PPm)(TMS為內標),（2）化學位移與屏蔽,13C-NMR要滿足關系式：,,C的屏蔽系數是四項因數的加和:,?=?抗磁+?順磁++?介質,,核外電子云密度大，?抗磁大，在高場共振，δ小。,但在13C-NMR中?順磁項影響大于?抗磁。其他原子的存在，使所討論的原子核外電子運動受阻，電子云顯非球形，產生一個與外加磁場一致的小磁場，叫順磁。S電子對?順磁無貢獻，p,d電子有貢獻。,σNB鄰近核B各向異性，取決于B的性質和幾何位置。,?介質表示溶劑和介質的影響。,（3）影響化學位移的因素,?C受分子間影響較小。而碳處在分子骨架上，所以分子間效應對碳影響較小，但分子內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?C與該碳上的?H次序基本上平行。,SP3CH3C=O在最低場150~220PPm,(b)誘導效應,有電負性取代基、雜原子以及烷基連接的碳，都能使其?C信號向低場位移，位移的大小隨取代基電負性的增大而增加，這叫誘導效應。,下表列舉了一些取代基對正烷烴的誘導效應。可以看出誘導效應對?-C影響較大，但對?-C和?-C影響較小，而且它們的誘導位移隨取代基的變化無明顯變化。,正烷烴未端氫被電負性取代基取代后的誘導位移??C,(c)空間效應,化學位移對分子的幾何形狀非常敏感，相隔幾個鍵的碳，如果它們空間非常靠近，則互相發(fā)生強烈的影響，這種短程的非成鍵的相互作用叫空間效應。,Grant提出了一個空間效應的簡單公式，由空間效應引起的位移增量??St不僅決定于質子和質子間的距離?HH，而且取決于H…H軸和被干擾的C-H鍵之間的夾角?：??St=CFHH(?HH)COS?,?HH,FHH表示質子之間的排斥力是?HH的函數。C為常數，??St的符號取決于?,可正可負。,例苯乙酮中若乙?；徑屑谆〈?，則苯環(huán)和羰基的共平面發(fā)生扭曲，羰基碳的化學位移與扭曲角?有關。,?=0?=28?=50?C=195.7?C=199.0?C=205.5,(d)超共軛效應及其他,當第二周期的雜原子N、O、F處在被觀察的碳的?位并且為對位交叉時，則觀察到雜原子使?碳的?C不是移向低場而是向高場位移2-6ppm。這可以用超共軛效應解釋，由于超共軛提高了?-C的電荷密度。,超共軛示意圖,在苯環(huán)的氫被取代基取代后，苯環(huán)上碳原子的?C變化是有規(guī)律的。,若苯氫被拉電子基團-CN、-NO2取代后，則使苯環(huán)上?電子離域到這些吸電子基團上，減少了鄰對位碳的電荷密度，屏蔽減小。,若苯氫被-NH、-OH取代后，則這些基團的孤對電子將離域到苯環(huán)的?電子體系上，增加了鄰位和對位碳上的電荷密度，屏蔽增加；,?128.5?a147.7,?b116.1?a112.5,?b132.0?c129.8,?d119.0?c129.0,?d132.8,在不飽和羰基化合物和具有孤對電子的取代基系統(tǒng)中，這些基團使羰基碳正電荷分散，使其共振向高場位移。,-CHO-CO-CH3–COOH–CONH2-COCl-COBr?c=O201204177172170167,?c=O201.5192.4190.7,(e)重原子效應,大多數電負性基團的作用主要是去屏蔽的誘導效應。但對于較重的鹵素，除了誘導效應外，還存在一種所謂"重原子"效應。,隨著原子序數的增加，抗磁屏蔽增大，這是因為重原子的核外電子數增多，便抗磁屏蔽項增加而產生的。,這主要是由于誘導效應引起的去屏蔽作用和重原子效應的屏蔽作用的綜合作用結果。對于碘化物，隨著n的增大，表現出屏蔽作用。,表5-4鹵代甲烷中碳的?c值,(f)分子內氫鍵,鄰羥基苯甲醛及鄰羥基苯乙酮中分子內氫鍵的形成，使羰基碳去屏蔽，?c增大。,?c=O191.5196.9195.7204.1,(g)介質位移,介質對?c有一定的影響，但一般比較小。介質位移主要是:稀釋位移，溶劑位移和pH位移。介質pH值對胺、羧酸鹽、氨基酸等化合物有影響。,(h)位移試劑:,稀土元素如Eu(II)、Pr(II)、Yb(II)的絡合物常用作位移試劑。這些位移試劑加入試樣后，由于稀土元素離子的孤對電子與試樣中的極性基團如-OH、-NH2、-SH、-COOH、>C=O等作用，使樣品的?c產生誘導的、附加的化學位移，可以把譜帶拉開。,偶合常數,只考慮13C-1H偶合，不考慮13C-13C偶合。,（1）理論:,核之間的自旋偶合作用是通過成鍵電子自旋相互作用造成的，與分子取向無關，這是一種標量偶合。實驗發(fā)現核N與核K之間的相互作用能與它們核的自旋量子數I的標量積成正比。,E=JNKINIK,JNK叫偶合常數。偶合常數由分子結構決定，與外磁場大小及外界條件無關。,(a)雜化軌道S成分的多少影響的大小。,(b)電負性基團的取代改變碳核的有效電荷密度，影響大小。,(C)如果氫原子被其他原子(K)取代，影響偶合常數。,(2)1JCH:一般在120~320HZ。,(a)與雜化軌道S成份有關，經驗證明，,1JCH≈5?(%S)HZ,理論計算有如下關系1JCH=5.7?(%S)-18.4(HZ)S成分增大，1JCH增大。,乙烷、乙烯、乙炔中雜化軌道SP3、SP2、SPS成份25%、33%50%1JCH125、165、250HZ，,(b)1JCH還與鍵角有關,與脂環(huán)烴環(huán)大小有密切關系:,,表5一6環(huán)的大小與,,,(c)1JCH還受取代基的電負性影響。取代基電負性越大，碳核的有效核電荷增加越多，1JCH也增大越多。,CH4CH3ClCH3FCH2F2CHF31JCH125150.0149.1184.5239.1,（3）2JCCH,質子與鄰位碳原子的偶合2JCCH在-5-60HZ。,2JCCH一般數值不大。它與雜化及取代基也有關系。在2JCCH中，兩個碳原子的雜化狀態(tài)都影響它的值。S成分增加2JCCH增大；偶合的碳原子上有電負性取代基，2JCCH增大。,各類碳的化學位移,碳原子在13C-NMR中的?C與很多因素有關，主要是雜化軌道狀態(tài)及化學環(huán)境。,sp3-C在-2.1~43ppm,sp2-C在100~165ppm，sp-C在67~92ppm。,各類碳的化學位移順序與氫譜中各類碳上對應質子的化學位移順序有很好的一致性。若質子在高場，則該質子連接的碳也在高場；反之，若質子在低場，則該質子連接的碳也在低場。,13C-NMR的解析及應用,13C-NMR用于化合物結構分析，反應機理研究?？梢源_定碳原子個數，碳原子上氫原子的個數，碳原子的化學環(huán)境及可能的聯結基團。,13C-NMR譜圖解析通常按下列步驟進行:,（1）充分了解已知的信息，如分子量、分子式、元素分析數據和其他波譜分析數據。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，認清測試條件和方法。,（3）找出溶劑峰。,（4）確定譜線數目，推斷碳原子數。當分子中無對稱因素時，寬帶去偶譜的譜線數等于碳原子數；當分子中有對稱因素時，譜線數少于碳原子數。由于寬帶去偶譜中峰強度與碳原子數不成正比，所以當分子中有對稱因素時要用反轉門去偶(非NOE方式)測定碳原子數。,（5）由DEPT,2DNMR等方法確定各種碳的類型:季碳、叔碳、>CH2，-CH3,>C=O等。,(6)分析各個碳的?c，參考其他信息，推斷碳原子上所連的官能團及雙鍵，三鍵存在的情況。,一般譜圖從高場到低場可分為四大區(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。,（7）推測可能的結構式。用類似化合物的?c的文獻數據作對照，按取代基參數估算?c，結合其他分析，找出合理結構式。,（8）當分子比較復雜，碳鏈骨架連接順序難以確定時，可應用以下講到的2DNMR，確定各個碳之間的關系及連接順序。,（9）對照標準譜圖確定結構。必要時用一些特殊方法驗證。,例1：某未知物，分子式為C7H9N,13C-NMR如下，推斷結構式。,解:（1）不飽和度U=4,（2）1號峰為飽和碳，2~7號峰為SP2雜化碳。,（3）1號峰為四重峰，故是CH3。按?c值可能為CH3-Ph或CH3-C=C。,（4）2~7號峰從多重峰的組成及?c值看是雙取代苯上的碳。,(5)除以上兩個結構單元CH3和C6H4外，還剩一個NH2。,（6）故可能結構為CH3-Ph-NH2,(A)(B)(C),(7)因為結構（C）的取代苯上的碳只出4個峰，可排除。A和B可用計算碳原子?c值，排除了A?；衔餅锽。,例2：,例3：證明乙酰丙酮的互變異構。下面是乙酰丙酮的1H和13C-NMR圖譜。,解：乙酰丙酮的結構為CH3-CO-CH2-CO-CH3。其1H-NMR應出現一個CH3單峰和一個CH2單峰，其強度比為6：2。但實際上有5個峰，證明有不同構型存在。從13C-NMR看，除了二種>C=O外，尚在100ppm左右有一個峰，此峰在偏共振譜中為雙峰，故為-CH型的烯碳。在氫譜中14.70ppm峰說明有氫鍵。所以可以推斷，有互變異構體。在氫譜中各個峰對應的質子如下：,在碳譜中各個峰對應的質子如下：,二維核磁共振簡介,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)展起來的。,NMR一維譜的信號是一個頻率的函數，共振峰分布在一個頻率軸（或磁場）上，可記為S(ω)。,而二維譜信號是二個獨立頻率（或磁場）變量的函數，記為S(ω1,ω2),共振信號分布在兩個頻率軸組成的平面上。也就是說2DNMR將化學位移、偶合常數等NMR參數在二維平面上展開，于是在一般一維譜中重迭在一個坐標軸上的信號，被分散到由二個獨立的頻率軸構成的平面上，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，二個坐標軸所代表的參數也不同。,2DNMR一般有二維J分解譜和二維相關譜兩類。,二維J分解譜是將不同的NMR信號分解在兩個不同的軸上，使重疊在一起的一維譜的化學位移δ和偶合常數J分解在平面兩個坐標上，便于解析。二維J分解譜分為同核或異核J分解譜。,二維相關譜是檢測核的自旋偶合及偶極相互作用等核自旋間的相互作用的，也分為同核位移相關和異核位移相關譜。根據不同核的磁化之間轉移的不同，二維相關譜可分為化學位移相關譜、多量子躍遷譜及化學交換/NOE二維譜等種類。,2D-NMR實驗的記錄有四種圖譜類型。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平行于軸F1和F2的平面平切后所得。平切位置對圖的信息量有影響。,（1）氫、氫同核二維J分解譜,同核二維J分解譜將1HNMR中重迭密集的譜線多重峰結構展開在一個二維平面上，可將偶合常數JHH與化學位移分別在F1、F2二個軸上給出。,A2X3體系的同核二維J分解譜的原譜。在F1軸上可得到J偶合信息，而在F2軸上是化學位移和JHH同時出現。如A2部分的質子為四個峰，X3部分為三重峰。,反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二維J分解譜,2）異核碳、氫二維J分解譜,異核二維J分解譜中被測定的核的化學位移為一維，該種核與另一種核之間偶合的多重峰裂分為另一維。,異核13C,1H－2DJ分解核磁共振譜的F2軸為13C化學位移δC，F1軸為1H與13C的偶合JCH。,由于使用的脈沖序列不同，可以得到幾種圖譜。應用最多的為門控去偶13C,1HJ分解2DNMR。此時F2軸為13C的化學位移δC。F1軸為JCH偶合的多重峰，裂距為1/2JCH。,出峰情況是CH為二重峰，CH2為三重峰，CH3為四重峰，季碳單峰或不出峰。,反式丙烯酸酯的13C,1HJ分解2D譜。F2軸為13C的化學位移。F1軸為JCH偶合的多重峰。,同核化學位移相關譜,二維化學位移相關譜（相關譜英文為CorrelationSpectroscopy,簡寫為COSY）是比二維J分解譜更重要更有用的方法。2DCOSY譜又分為同核和異核相關譜二種。,相關譜的兩維坐標F1和F2都表示化學位移。,（1）氫-氫化學位移相關譜（1H-1HCOSY）,1H-1HCOSY是同一個偶合體系中質子之間的偶合相關譜。1H-1HCOSY譜可以確定質子化學位移以及質子之間的偶合關系和連接順序。,圖上有兩類峰，一類為對角峰（diagonalpeak）,它們處在坐標F1=F2的對角線上。對角峰在F1或F2上的投影得到常規(guī)的偶合譜或去偶譜。,第二類為交叉峰（Crosspeak）它們不在對角線上，即坐標F1≠F2。交叉峰顯示了具有相同偶合常數的不同核之間的偶合。交叉峰有兩組，分別出現在對角線兩側，并以對角線對稱。這兩組對角峰和交叉峰可以組成一個正方形，并且由此來推測這兩組核A(δA,δA)和X（δX,δX）有偶合關系。,圖為2，3-二溴丙酸的AMX體系1H-1HCOSY譜。F1和F2皆為化學位移。兩組對角峰為對角線與兩組交叉峰組成正方形，說明這兩組質子有偶合。2，3-二溴丙酸的碳上3個質子為AMX系統(tǒng)。,異核碳氫化學位移相關譜（13C-1HCOSY譜）,碳氫化學位移相關譜可分為：碳氫相關譜（13C-1HCOSY）；遠程碳氫化學位移相關譜(Long-Range13C-1HCOSY)；異核接力相干轉移譜(13C-1HRELAY譜又叫異核RCT譜)。,它把分子中的一鍵偶合（1JCH）的和信號相關聯，為解析結構提供了基本數據。,（1）13C-1HCOSY譜,又叫HECTOR,F1軸是1H化學位移δH，F2軸是13C的化學位移δC。,得到的是直接相連的碳與氫(1JCH)的偶合關系。從一個已知的1H信號，按照相關關系可以找到與之相連的13C信號；反之亦然。在13C-1HCOSY譜中，季碳沒有信號。,若一個碳上有幾個位移值不同的氫，則在譜圖中該碳的δc處(即相同F2坐標處)而不同的δH處(即不同的F1坐標)處出現幾個信號；若一個碳上幾個氫位移值相等，則只出現一個信號。,2,3-二溴丙酸的常規(guī)13C-1HCOSY譜。,