CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)培訓(xùn)課件

1、CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí) 13C核磁共振譜的信號(hào)是1957年由P. C. Lauterbur首先觀察到的。碳是組成有機(jī)物分子骨架的元素，人們清楚認(rèn)識(shí)到13C NMR對(duì)于化學(xué)研究的重要性。由于13C的信號(hào)很弱，加之1H核的偶合干擾，使13C NMR信號(hào)變得很復(fù)雜，難以測得有實(shí)用價(jià)值的譜圖。20世紀(jì)70年代后期，質(zhì)子去偶和傅里葉變換技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，才使13C NMR的測定變成簡單易得。20多年來，核磁共振技術(shù)取得巨大發(fā)展，目前，13C NMR已廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)測定、反應(yīng)機(jī)理研究、異構(gòu)體判別、生物大分子研究等方面，成為化學(xué)、

2、生物化學(xué)、藥物化學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和生產(chǎn)部門不可缺少的分析測試手段，對(duì)有關(guān)學(xué)科的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。4.1核磁共振碳譜的特點(diǎn)2CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí) 13C核磁共振譜的信號(hào)是1957年由P. C.4.2核磁共振碳譜的測定方法1靈敏度低 13C核的天然豐度很低，只有1.108%，而1H的天然豐度為99.98。13C核的旋磁比C也很小，只有H核翔的1/4。信號(hào)靈敏度與核的旋磁比C的立方成正比，因此，相同數(shù)目的1H核和13C核，在同樣的外磁場中，相同的溫度下測定時(shí)，其信噪比為11.59 10-4，即13C NMR的靈敏度大約只有1H NMR的1/6000。所以，在連續(xù)

3、波譜儀上是很難得到13C NMR譜的，這也是13C NMR在很長時(shí)間內(nèi)未能得到廣泛應(yīng)用的主要原因。2分辮能力高 1H NMR的化學(xué)位移通常在0-15ppm，而13C NMR的常用范圍為0-300ppm，約為1H譜的20倍。同時(shí)13C自身的自旋-自旋裂分實(shí)際上不存在，雖然，13C-1H之間有偶合，但可以用質(zhì)子去偶技術(shù)進(jìn)行控制。因此13C譜的分辨能力比1H譜高得多，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的化合物、每種化學(xué)環(huán)境不同的碳原子通?？梢缘玫教卣鞯淖V線。3CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4.2核磁共振碳譜的測定方法1靈敏度低 13C3能給出不連氫碳的吸收峰4不能用積分高度來計(jì)算碳的數(shù)目 在1H NMR中不能直

4、接觀察到C=O、C=C、CC、C=N、季碳等不連氫基團(tuán)的吸收信號(hào)，只能通過相應(yīng)基團(tuán)的化學(xué)位移值、分子式不飽和度等來判斷這些基團(tuán)是否存在。而13C NMR譜可直接給出這些基團(tuán)的特征吸收峰。由于碳原子是構(gòu)成有機(jī)化合物的基本元素，因此從13C NMR譜可以得到有關(guān)分子骨架結(jié)構(gòu)的信息。 13C NMR的常規(guī)譜是質(zhì)子全去偶譜。對(duì)于大多數(shù)碳，尤其是質(zhì)子化碳，它們的信號(hào)強(qiáng)度都會(huì)由于去偶的同時(shí)產(chǎn)生的NOE效應(yīng)而大大增強(qiáng)，如甲酸的去偶譜與偶合譜相比，信號(hào)強(qiáng)度凈增近2倍。季碳因不與質(zhì)子相連，它不能得到完全的NOE效應(yīng)，故碳譜中季碳的信號(hào)強(qiáng)度都比較弱。由于碳核所處的環(huán)境和弛豫機(jī)制不同，NOE效應(yīng)對(duì)不同碳原子的信號(hào)強(qiáng)

5、度影響差異很大，因此不等價(jià)碳原子的數(shù)目不能通過常規(guī)共振譜的譜線強(qiáng)度來確定。4CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)3能給出不連氫碳的吸收峰4不能用積分高度來計(jì)算碳的數(shù)目 5弛豫時(shí)間1可作為化合物結(jié)構(gòu)鑒定的波譜參數(shù) 在化合物中，處于不同環(huán)境的13C核，它們的弛豫時(shí)間1數(shù)值相差較大，可達(dá)23個(gè)數(shù)量級(jí)，通過1可以指認(rèn)結(jié)構(gòu)歸屬，窺測體系運(yùn)動(dòng)狀況等。4.2.1脈沖傅里葉變換法原理同1H NMR。5CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)5弛豫時(shí)間1可作為化合物結(jié)構(gòu)鑒定的波譜參數(shù) 4.2.2核磁共振碳譜中幾種去偶技術(shù) 在有機(jī)化合物的13C NMR中，13C-13C之間的偶合由于13C的天然豐度很低，

6、可以不予考慮。但13C-1H核之間的偶合常數(shù)很大，如1JCH高達(dá)120-320Hz,13C的譜線會(huì)被與之偶合的氫按n+1規(guī)律裂分成多重峰，這種峰的裂分對(duì)信號(hào)的歸屬是有用的，但當(dāng)譜圖復(fù)雜時(shí)，加上2JCCH、3JCCCH也有一定的表現(xiàn)，使各種譜峰交叉重疊，譜圖難以解析。為了提高靈敏度和簡化譜圖，人們研究了多種質(zhì)子去偶測定方法，以最大限度地獲取，13C NMR信息。1質(zhì)子寬帶去偶法2偏共振去偶法3門控去偶法4反轉(zhuǎn)門控去偶法5選擇質(zhì)子去偶6CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4.2.2核磁共振碳譜中幾種去偶技術(shù) 在有機(jī)化合譜圖去偶作用對(duì)比7CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)譜圖去偶作用對(duì)

7、比7CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)13C NMR spectrum with the protons coupled1234561234568CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)13C NMR spectrum with the pro13C NMR spectrum with the protons decoupled by the broadband decoupler1234561234569CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)13C NMR spectrum with the pro譜圖去偶作用對(duì)比10CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)譜圖去偶作用對(duì)比1

8、0CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知6.INEPT譜和DEPT譜 常規(guī)的13C NMR譜是指寬帶質(zhì)子去偶譜。在去偶的條件下，失去了全部CH偶合的信息，質(zhì)子偶合引起的多重譜線合并，每種碳原子只給出一條譜線。雖然用偏共振去偶技術(shù)可以分辨CH3、CH2、CH及季C的歸屬，但由于偏共振去偶譜中偶合常數(shù)分布不均勻，多重譜線變形和重疊，在復(fù)雜分子的研究中仍然受到限制。隨著現(xiàn)代脈沖技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的能確定碳原子級(jí)數(shù)的新方法，如J調(diào)制法、APT法、INEPT法和DEPT法等，其中INEPT法和DEPT法已被廣泛應(yīng)用。1) INEPT法 由于核磁共振本身信號(hào)靈敏度很低，尤其是低天然豐度的核（如13

9、C、15N等）更為突出。INEPT法是在具有兩種核自旋的系統(tǒng)中，以CH為例，通過脈沖技術(shù)，把高靈敏1H核的自旋極化傳遞到低靈敏的13C核上去，這樣由1H到與其偶合的13C的完全極化傳遞可使，13C信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)4倍。11CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)6.INEPT譜和DEPT譜 常規(guī)的13C NMINEPT譜中不出現(xiàn)季碳的信號(hào)CH3、CH2、CH為正值只出現(xiàn)CH的正峰CH3和CH為正峰，而CH2為負(fù)峰12CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)INEPT譜中不出現(xiàn)季碳的信號(hào)CH3、CH2、CH為正值只出2)DEPT法DEPT135譜，CH3和CH為正峰，而CH2的峰為負(fù)DEPT90

10、譜，只出現(xiàn)CH的正峰DEP45譜，CH3、CH2和CH的峰均為正峰常規(guī)寬帶質(zhì)子去偶13C譜DEPT譜中也不出現(xiàn)季碳的信號(hào)13CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)2)DEPT法DEPT135譜，CH3和CH為正峰，而C 化學(xué)位移范圍：0250ppm；核對(duì)周圍化學(xué)環(huán)境敏感，重疊少氫譜與碳譜有較多共同點(diǎn)；碳譜化學(xué)位移規(guī)律：(1) 高場低場碳譜：飽和烴碳原子、炔烴碳原子、烯烴碳原子、羧基碳原子氫譜：飽和烴氫、炔氫、烯氫、醛基氫；(2) 與電負(fù)性基團(tuán)，化學(xué)位移向低場移動(dòng)；4.313C的化學(xué)位移4.3.1屏蔽常數(shù) 不同環(huán)境的碳，受到的屏蔽作用不同，值不同，其共振頻率C也不同。14CNMR核磁共振碳譜

11、化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí) 化學(xué)位移范圍：0250ppm；核對(duì)周圍化學(xué)環(huán)境敏感4.3.2影響13C化學(xué)位移的因素1碳雜化軌道 碳原子的雜化軌道狀態(tài)（sp3、sp2、sp）很大程度上決定13C化學(xué)位移。sp3雜化碳的共振信號(hào)在高場，sp2雜化碳的共振信號(hào)在低場，sp雜化碳的共振信號(hào)介于前二者之間。以TMS為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于烴類化合物來說，sp3碳的值范圍在060ppm；sp2雜化碳的值范圍在100150ppm，sp雜化碳的值范圍在6095ppm。2誘導(dǎo)效應(yīng) 當(dāng)電負(fù)性大的元素或基團(tuán)與碳相連時(shí)，誘導(dǎo)效應(yīng)使碳的核外電子云密度降低，故具有去屏蔽作用。隨著取代基電負(fù)性增強(qiáng)，或取代基數(shù)目增大，去屏蔽作用也增強(qiáng)， 值愈

12、向低場位移。15CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4.3.2影響13C化學(xué)位移的因素1碳雜化軌道 3共軛效應(yīng) 共軛作用會(huì)引起電子云分布的變化，導(dǎo)致不同位置碳的共振吸收峰向高場或低場移動(dòng)。比乙醛（199.6ppm）處較高場值比苯 (128.5ppm）大 4立體效應(yīng) 13C化學(xué)位移對(duì)分子的立體構(gòu)型十分敏感。只要碳核間空間比較接近，即使間隔幾個(gè)化學(xué)鍵，彼此還會(huì)有強(qiáng)烈的影響。如在Van der Waals效應(yīng)中，通常1H是處于化合物的邊緣或外圍，當(dāng)2個(gè)氫原子靠近時(shí)，由于電子云的相互排斥，使1H核周圍的電子云密度下降，這些電子云將沿著CH鍵移向碳原子，使碳的屏蔽作用增加，化學(xué)位移向高場移動(dòng)。取代

13、基處于直立鍵比處平伏鍵時(shí)位碳的占值小約5ppm。16CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)3共軛效應(yīng) 共軛作用會(huì)引起電子云分布的變化，導(dǎo) 分子中存在空間位阻，常會(huì)影響共軛效應(yīng)的效果，導(dǎo)致化學(xué)位移的變化，如鄰位烷基取代的苯乙酮，隨著烷基取代基數(shù)目增加，烷基的空間位阻使羰基與苯環(huán)的共軛效應(yīng)減弱，羰基碳值向低場位移。5測定條件 測定條件對(duì)13C的化學(xué)位移有一定的影響，如溶解樣品的溶劑、溶液的濃度、測定時(shí)的溫度等。17CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí) 分子中存在空間位阻，常會(huì)影響共軛效應(yīng)的效果，導(dǎo)Chemical Shift Table4.3.3各類化合物的13C化學(xué)位移18CNMR核磁

14、共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)Chemical Shift Table4.3.3各類化合1飽和碳的化學(xué)位移值飽和烷烴：飽和烷烴的碳為sp3雜化，其化學(xué)位移值一般在2.555ppm。與1H NMR相似，也可進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，這里不做詳細(xì)介紹。19CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)1飽和碳的化學(xué)位移值飽和烷烴：飽和烷烴的碳為sp3雜化，其2烯碳的化學(xué)位移值烯碳為sp2雜化，其化學(xué)位移為100165ppm。20CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)2烯碳的化學(xué)位移值烯碳為sp2雜化，其化學(xué)位移為1001CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)培訓(xùn)課件4芳環(huán)碳和雜芳環(huán)碳的C值 芳環(huán)碳的化學(xué)位

15、移值一般在120160ppm范圍內(nèi)，峰往往出現(xiàn)在較低場，這點(diǎn)與脂肪族季碳峰在較低場是類似的。22CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4芳環(huán)碳和雜芳環(huán)碳的C值 芳環(huán)碳的化學(xué)位移值 稠環(huán)芳烴和雜環(huán)芳烴中芳環(huán)碳的化學(xué)位移值也在苯及衍生物的C值范圍內(nèi)。與1H NMR相似，也可進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，這里不做詳細(xì)介紹。23CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí) 稠環(huán)芳烴和雜環(huán)芳烴中芳環(huán)碳的化學(xué)位移值也在苯及5羰基碳的C值 羰基在1H NMR譜中沒有相應(yīng)的信號(hào)，而在13C NMR譜中卻有特征的吸收峰。羰基化合物中，由于CO中鍵易極化使羰基碳上的電子云密度變小，化學(xué)位移值比烯碳更趨于低場，一般為160220

16、ppm。除醛基外，其他羰基碳的質(zhì)子偏共振去偶譜中表現(xiàn)為單峰，而且沒有NOE效應(yīng)，峰的強(qiáng)度較小，因此在碳譜中羰基是容易辨認(rèn)的。24CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)5羰基碳的C值 羰基在1H NMR譜中沒有相13C-13C偶合的幾率很?。?3C天然豐度1.1%）；13C- 1H偶合；偶合常數(shù)1JCH：100-250 Hz；峰裂分；譜圖復(fù)雜；4.413C NMR的自旋偶合及偶合常數(shù)4.4.113C1H的自旋偶合去偶！25CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)13C-13C偶合的幾率很?。?3C天然豐度1.1%）；4.4.4.213CX的自旋偶合1.13C19F的偶合常數(shù) 19F對(duì)13C

17、的偶合也符合n1規(guī)律，其偶合常數(shù)1JCF的數(shù)值很大，并為負(fù)值，1JCF為150360Hz（在譜圖上以絕對(duì)值存在）、2JCF為2060Hz、3JCF為420Hz、4JCF為05Hz。2.13C31P的偶合常數(shù) 13C與31P的偶合也符合n+1規(guī)律，其偶合常數(shù)與磷的價(jià)數(shù)有關(guān)，一般五價(jià)磷與碳的1JCP為50180Hz，2JCP、3JCP在515Hz，三價(jià)磷的1JCP 50Hz，2JCP、3JCP為320Hz。26CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4.4.213CX的自旋偶合1.13C19F的偶合常數(shù)3.13CD的偶合常數(shù) 在13C NMR中常使用氘代溶劑，因此常遇到碳與氘的自旋偶合。13CD

18、的偶合常數(shù)比13C1H的偶合常數(shù)小得多，1JCH/1JCD與兩種核旋磁比的比值相近，即1JCD只有1JCH的1/6左右。 氘的自旋量子數(shù)為1，所以CD3、CD2、CD的共振峰按2nI+1規(guī)律分別顯示七、五、三重峰，峰的裂距即為其偶合常數(shù)。氘代溶劑的1JCD值約為18一34Hz。4.13C金屬原子的偶合常數(shù) 13C與金屬原子核的偶合有時(shí)產(chǎn)生很大的偶合常數(shù)，如1JC-Hg可大于100Hz，在進(jìn)行有機(jī)金屬化合物的NMR研究時(shí)應(yīng)給予注意。5.13C15N的偶合常數(shù) 由于15N的天然豐度很小，只有14N的0.37，因此13C與15N直接相連的概率很低，偶合常數(shù)也很小。一般13C與15N的偶合常數(shù)在115

19、Hz。27CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)3.13CD的偶合常數(shù) 在13C NMR中常使4.5.1核磁共振碳譜譜圖解析程序4.5核磁共振碳譜解析及應(yīng)用 13C NMR譜的解析并沒有一個(gè)成熟、統(tǒng)一的程序，應(yīng)該根據(jù)具體情況，結(jié)合其他物理方法和化學(xué)方法測定的數(shù)據(jù)，綜合分析才能得到正確的結(jié)論。 通常解析按以下步驟進(jìn)行：(1)確定分子式并根據(jù)分子式計(jì)算不飽和度。(2)從13C NMR的質(zhì)子寬帶去偶譜，了解分子中含C的數(shù)目、類型和分子的對(duì)稱性。如果13C的譜線數(shù)目與分子式的C數(shù)相同，表明分子中不存在環(huán)境相同的含C基團(tuán)，如果13C的譜線數(shù)小于分子式中的C數(shù)，說明分子式中存在某種對(duì)稱因素，如果譜線數(shù)

20、大于分子中C數(shù)，則說明樣品中可能有雜質(zhì)或有異構(gòu)體共存。(3)分析譜線的化學(xué)位移，可以識(shí)別sp3、sp2、sp雜化碳和季碳，如果從高場到低場進(jìn)行判斷，0-40ppm為飽和烴碳，40-90ppm為與O、N相連的飽和碳，100-150ppm為芳環(huán)碳和烯碳，大于150ppm為羰基碳及疊烯碳。28CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4.5.1核磁共振碳譜譜圖解析程序4.5核磁共振碳譜解析(4)分析偏共振去偶譜和DEPT譜，了解與各種不同化學(xué)環(huán)境的碳直接相連的質(zhì)子數(shù)，確定分子中有多少個(gè)CH3、CH2、CH和季碳及其可能的連接方式。比較各基團(tuán)含H總數(shù)和分子式中H的數(shù)目，判斷是否存在一OH、一NH2、一

21、C(X)H、一NH一等含活潑氫的基團(tuán)。(5)如果樣品中不含F(xiàn)、P等原子，寬帶質(zhì)子去偶譜圖中的每一條譜線對(duì)應(yīng)于一種化學(xué)環(huán)境的碳，對(duì)比偏共振去偶譜，全部偶合作用產(chǎn)生的峰的裂分應(yīng)全部去除。如果還有譜線的裂分不能去除，應(yīng)考慮分子中是否含F(xiàn)或P等元素。 (6)從分子式和可能的結(jié)構(gòu)單元，推出可能的結(jié)構(gòu)式。利用化學(xué)位移規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，估算各碳的化學(xué)位移，與實(shí)測值比較。(7)綜合考慮1H NMR、IR、MS和UV的分析結(jié)果，必要時(shí)進(jìn)行其他的雙共振技術(shù)及1測定，排除不合理者，得到正確的結(jié)構(gòu)式。29CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)(4)分析偏共振去偶譜和DEPT譜，了解與各種不同化學(xué)環(huán)境的4.5.2核

22、磁共振碳譜解析示例【例4.7】未知物的分子式為C6H12O2，13C NMR質(zhì)子偏共振去偶譜和寬帶質(zhì)子去偶譜圖如圖所示，求其結(jié)構(gòu)式。30CNMR核磁共振碳譜化學(xué)位移總覽表醫(yī)學(xué)知識(shí)4.5.2核磁共振碳譜解析示例【例4.7】未知物的分子式為解：不飽和度U=1+6-12/2=1，表明化合物含有一個(gè)C=O或C=C雙鍵。13 C NMR譜中占209.7ppm（單峰）表明分子中含有一個(gè)酮羰基。譜圖中100150ppm沒有吸收峰，說明不存在其他sp2雜化碳。69.5ppm、64.5ppm、31.5ppm、29.4ppm為sp3雜化碳，其中占29.4ppm峰的強(qiáng)度大，相當(dāng)于2個(gè)化學(xué)環(huán)境相同的等價(jià)碳，因此化合物含有5個(gè)飽和C原子和一個(gè)酮羰基，與分子式的碳數(shù)相符。(5)但氧原子數(shù)與分子式不符，少一個(gè)氧原子，分子中可能存在一個(gè)-OH或一個(gè)-OCH3。(6)從譜圖上31.5ppm和29.4ppm是2組四重峰的重疊，表明分子中存在3個(gè)甲基，其中31.5ppm是一個(gè)孤立甲基，29.4ppm是2個(gè)等價(jià)的甲基，3個(gè)甲基都在較高場，不可能與氧原子直接