核磁共振圖譜解析培訓(xùn)手冊第一版

1、1WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005核磁共振圖譜解析培訓(xùn)手冊藥明康德核磁分析實驗室2WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005常用的核磁共振(NMR 實驗1H13C13C -DEPT135o ( CH CH 3 , CH 213C -DEPT90o ( 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B1H -13C HMBC (

2、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)的例子加以說明3WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005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. S -p 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4WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20052. 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CH 2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(Ka

3、rplus 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5WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005二. 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(jìn)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

4、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6WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005一.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.7WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20051.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(tuán),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,

5、化學(xué)位移值越大.8WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005經(jīng)常碰到的與(R =O, Cl, F, Br, -NCOR,此種結(jié)構(gòu)的CH 2的出峰位置通常在4.55.5ppm 。(R=NH 2, -COR, -Ar時此種結(jié)構(gòu)的CH 2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。O R R September 29, 20059WuXi PharmaTech C

6、o., Ltd September 29, 200510WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 200511WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 200512WuXi PharmaTech Co., Ltd13WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20052S -P 雜化從sp 3(碳碳單鍵到sp 2(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14WuXi Ph

7、armaTech Co., Ltd September 29, 20053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

8、素來區(qū)分異構(gòu)體。單鍵也有磁各向異性,所以C 3CH>C 2CH 2>CCH 3.(詳細(xì)請參看儀器分析化學(xué)課本15WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005 7.28 ppm; 5.28 ppm ;1.8 ppm ; 2.73.4 ppm; 2.13.3 ppm H HH HO RCH 2H 2C September 29, 200516WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd1718WuXi PharmaTech Co., Ltd Septemb

9、er 29, 20054 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小;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。19WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005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(tuán)就是在有機化學(xué)中使苯環(huán)弱活化和弱鈍化的集

10、團(tuán).這類集團(tuán)有-CH 3, -CH 2-,-CH(CH 32, -CH=CHR, , -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, -NH 2, -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(tuán)有: -CHO, -COR, -COOR, -COOH, -CONHR, -NO 2, -N=NR 等.下面是不同取代基對烯烴和苯環(huán)的影響.C CR September 29, 200520WuXi PharmaTech Co.

11、, Ltd September 29, 200521WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 200522WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 200523WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 200524WuXi PharmaTech Co., LtdConfidential 25WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20055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

12、的關(guān)系。利用這一特性,有時我們在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。26WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 2005如成鹽后氮旁邊的CH 2會低場偏移0.5 ppm ,同樣在CDCl 3或DMSO 做溶劑的譜圖中沒有成鹽之前的氨活潑氫在0.

13、5-4.0 ppm 處,但成鹽后活潑氫會出在10-12ppm 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.N HHCl27WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 20056空間因素比如受空間上某些大基團(tuán)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)

14、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)氫鍵和濃度無關(guān).樣品分子還會與溶劑分子成氫鍵.28WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005 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CDCl 3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。29WuXi PharmaTech Co., LtdSe

15、ptember 29, 20058-10 (峰型尖銳RCOH(醛氫7-13RCONHR;ArCONHAr;ArCONHR 9-12RNH 2.HCl5-8 (并且兩個氫會分開RCONH 2; ArCONH 2;10-14 (DMSO; 7-10(CDCl 3 RSO 3H; RCOOH; 3-6 (CDCl 3; 5-11(DMSOArOH; ArSH; ArNH 20.5-4.0ROH; RNH 2; R 2NH (R 是脂肪鏈基團(tuán)BA30WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005 2.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0

16、7.58.08.59.0ppm2.4603.3376.1156.3636.3937.4257.4337.4547.4637.8967.9042.1351.1351.0621.000BA2381 YL005-4-11 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.31WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20059.08.58.07.57.0 6.5 6.0 5.5 5.04.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.51.00.50.0ppm1.8434.1484.1694.7344.7557.1987.2037.2217.2297.24

17、17.2497.25 87.2677.2767.2787 .2847.2927.2987.3107.3287.3382.9501.0081.00010.332BA2279 YL005-4-8 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.32WuXi 1211 10987654321ppm2.0462.0000.864BA9017 YL005-7-19 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.33WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20059.08.58.07.57.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.54.0 3.5

18、3.0 2.5 2.0 1.5 1.00.50.0ppm4.9926.7856.7886.7936.7966.8126.8156.8206.8236.9366.9626.9897.2137.2187.2217.2267.25 87.2647.2 677.2717.2907.2937.2970.9140.9811.0000.9841.019BA2281 YL005-4-8 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.34WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 2005 1.01.52.02.53.03.5ppm 0320531810560770

19、986.1682.1491.000BA2289 YL005-4-8 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.35WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 20059.08.58.07.57.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.03.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.00.50.0ppm 0.9891.000BA2275 YL005-4-8 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.36WuXi PharmaTech Co., Ltd September 29, 200513121110987654321pp

20、m 1.0911.0101.0000.482BA2282 YL005-4-8 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.1211109 87654321ppm2.4572.4 632.4692.4752.483.37.6277.63 17.6557.659 7.8757.8827.8867.8897.927.957.997.9169.9712.12.891.BA2285 YL005-4-8 DMSO WuXi PharmaTech Co. Ltd.37WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 200538WuXi PharmaTech Co.,

21、Ltd September 29, 20054.5 4.03.5 3.0 2.52.01.5 1.00.50.0 ppm1.4151.4291.4441.4581.4661.4781.4911.5 561.5771.6001.6 231.6461.7041.7231.7433.6323.65 43.6752 .0685.0391.7854.000BA8783 YL005-7-15 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.39WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 20051413121110987654321ppm 1.0821.0002.

22、0170.970BA8171 YL005-7-8 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.40WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 20053. 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.1ROH; RNH 2; R 2NH; ArOH; ArSH; ArNH 2; RSO 3H; RCOOH;RNH 2.HCl 的活潑氫是比較容易交換;2 RCOH; RCONH 2; ArCONH 2; 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吹風(fēng)

23、加熱一下,稍等片刻再進(jìn)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CDCl 3中此時HDO 峰會在4.8 ppm 的位置.下圖是兩個例子Confidential41WuXiPharmaTech Co., Ltd September 29, 2005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 Confidential 42WuXiPharmaTech Co., LtdSeptember 29, 20051.01.21.41.61.82.02.22.42.6ppm440.18447.02628.73651.18658.93666.65686.69787.48794

24、.93802.35809.761247.761255.241262.511269.973.1633.382.222.00 Confidential 43WuXiPharmaTech Co., LtdSeptember 29, 20051.01.21.41.61.82.02.22.42.6ppm471.24478.35485.11666.88687.14690.24694.82698.00705.73717.55724.64731.69832.94840.41847.821286.081293.481300.741308.293.133.9472.00 44WuXi PharmaTech Co.

25、, LtdSeptember 29, 20051.01.21.41.61.82.02.22.42.6ppm433.33440.43447.29631.53639.59650.37651.35688.43793.99801.33808.741243.551244.671245.771250.861251.911252.991257.991259.121260.243.0131.942.072.0045WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 20054.關(guān)于手性化合物和前手性化合物中CH 2上兩個氫的化學(xué)位移與某碳原子相連的四個基團(tuán)不等時,該碳原子則是手性碳原子

26、,若有一對相同基團(tuán)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8-15Hz 范圍(同碳耦合,有的甚至更高。46WuXi PharmaTech Co., LtdSeptember 29, 2005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.1.52.02.53.03.54.0p p m1.5891.6021.6101.6191.6281.6321.6381.6451.6501.6581.6641.8481.8531.8671.8841.8951.8991.9041.9071.9101.9181.9221.9361.9411.9552.3733.4583.4733.4863.5023.6323.6403.6613.6693.7423.7583.7623.7683.7793.7903.7963.8233.8393.8433.8503.8553.8593.8763.9673.9753.9843.99