第五章 13C核磁共振課件

1、第五章第五章 核磁共振核磁共振13C譜譜5.1 核磁共振基本原理核磁共振基本原理5.2 13C5.3 自旋偶合與自旋裂分自旋偶合與自旋裂分5.4 13C-核磁共振譜的特點核磁共振譜的特點5.5 13C-核磁共振譜的類型核磁共振譜的類型5.6 13C-核磁共振譜重要參數(shù)核磁共振譜重要參數(shù)5.7 13C-核磁共振譜圖解析核磁共振譜圖解析 核磁共振是用波長很長、能量很低的電核磁共振是用波長很長、能量很低的電磁波照射分子（磁波照射分子（102 cm），引起），引起磁性核磁性核在外在外磁場中發(fā)生能級的共振躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜。磁場中發(fā)生能級的共振躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜。5.1 核磁共振基本原理核磁共振基本

2、原理 并不是所有的核都會發(fā)生核磁共振，只并不是所有的核都會發(fā)生核磁共振，只有具有有具有磁性磁性的原子核才會發(fā)生核磁共振。的原子核才會發(fā)生核磁共振。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)同時為偶數(shù)的原子核，時為偶數(shù)的原子核，12C、16OI = 0I 0質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同時為偶數(shù)的原子核，時為偶數(shù)的原子核， 1H、13C、 15N 下列原子核可以進行核磁共振實驗的是下列原子核可以進行核磁共振實驗的是 A、12C B、 16O C、13C D、 32S 碳譜是研究碳譜是研究13C核的核磁共振現(xiàn)象的譜圖。核的核磁共振現(xiàn)象的譜圖。B0低場高場屏蔽效應 ，共振信號移向高場屏蔽效應，共振信號移向

3、低場去由于化學環(huán)境不同而導致的位移稱做由于化學環(huán)境不同而導致的位移稱做- 化學位移化學位移化學位移（化學位移（chemical shift)乙醇的乙醇的13C核磁共振譜中有核磁共振譜中有2個峰個峰 CH3CH2OH0102030405060PPM13C核磁共振譜重要參數(shù)核磁共振譜重要參數(shù)1、峰的個數(shù)：、峰的個數(shù)：2、化學位移：、化學位移：13C譜中最重要的參數(shù)譜中最重要的參數(shù)3、偶合常數(shù)：、偶合常數(shù)：4、峰的面積：、峰的面積：每一種化學等價的碳原子只有一條譜線每一種化學等價的碳原子只有一條譜線由于有由于有NOENOE作用使得譜線增強，信號更易得到作用使得譜線增強，信號更易得到但由于但由于NOE

4、NOE作用不同：作用不同：峰高不能定量反應碳原子的數(shù)量峰高不能定量反應碳原子的數(shù)量只能反映碳原子種類的個數(shù)只能反映碳原子種類的個數(shù) （即有幾種不同種類的碳原子）（即有幾種不同種類的碳原子）5.2 影響化學位移的因素影響化學位移的因素雜化雜化：碳譜的化學位移受雜化的影響較大，碳譜的化學位移受雜化的影響較大，其順序與其順序與1H 的化學位移平行，一般情況是：的化學位移平行，一般情況是：sp3雜化雜化 CH3- 0-50sp雜化雜化 -C CH 50-80sp2雜化雜化 -CH=CH2 100-150sp2雜化雜化 C=O 150-220例：所標注碳原子的化學位移由大到小例：所標注碳原子的化學位移由

5、大到小排列為排列為ACBOD11 . 誘導效應誘導效應 （1）隨取代基電負性隨取代基電負性 , CH3F CH3O CH3S CH4 原子電負性大小數(shù)值：原子電負性大小數(shù)值： H C S N O F 2.1 2.5 2.5 3.0 3.5 4.0（2 2）與取代基的距離越大，誘導效應越弱）與取代基的距離越大，誘導效應越弱化學式化學式R-CH2BrR-CH2-CH2-BrR-CH2-CH2-CH2-Br（3 3）多取代基對化學位移的影響）多取代基對化學位移的影響化學化學式式CH3ClCH2Cl2CHCl3HCCH3CH3OCCH3CH3H1.下列化合物中下列化合物中Ca , Cb化學位移哪個大化

6、學位移哪個大ab 2.下列化合物中，下列化合物中，13C化學位移最小的是化學位移最小的是 A、CH3F B、CH3I C、CH3Br D、CH3Cl E、 CH2F2 F、 R-CH2-CH2-I3. 共軛效應和超共軛效應共軛效應和超共軛效應 在羰基碳的鄰位引入雙鍵或含孤對電子的雜在羰基碳的鄰位引入雙鍵或含孤對電子的雜原子（如原子（如 O O、N N、F F、ClCl等），由于形成共軛體等），由于形成共軛體系或超共軛體系，羰基碳上電子密度相對增加系或超共軛體系，羰基碳上電子密度相對增加，屏蔽作用增大而使化學位移偏向高場。，屏蔽作用增大而使化學位移偏向高場。OOAB127.8136.4197.7

7、28.9CCCHOCH3HH4. 氫鍵效應氫鍵效應 羰基化合物形成氫鍵后，使氧原子的孤對電子羰基化合物形成氫鍵后，使氧原子的孤對電子移向氫原子，因此羰基碳原子更加缺電子，故向移向氫原子，因此羰基碳原子更加缺電子，故向低場移動：低場移動：OHOOOOHHOO例：下列哪個化合物中羰基的例：下列哪個化合物中羰基的 C值隨濃度變值隨濃度變化而變化，請解釋該現(xiàn)象?；兓?，請解釋該現(xiàn)象。BA19常見一些基團的常見一些基團的13C化學位移化學位移 值值: 脂肪脂肪C: 50 連雜原子連雜原子C: C-O, C-N 50-100， 如：如： -OCH3 : 50-60 01020304050607080PP

8、M24.776.624.756.5H3CCHCH3OOA020406080100120140160180200220PPM炔炔C： 60-90芳香碳，烯碳芳香碳，烯碳: 120-14022 C=O: 160-220 酮：酮： 195220 醛：醛： 185205 醌：醌： 180-190 羧酸：羧酸： 160180 酯及內(nèi)酯：酯及內(nèi)酯： 165180 酰胺及內(nèi)酰胺酰胺及內(nèi)酰胺: 160170 5.3 自旋偶合與自旋裂分自旋偶合與自旋裂分CCIHbHbHaHaHa1、 碳譜中的偶合現(xiàn)象碳譜中的偶合現(xiàn)象 13C-13C的偶合的偶合： 因因13C的天然豐度僅為的天然豐度僅為1%可以忽略；可以忽略；

9、13C-1H的偶合：的偶合：13C譜線被譜線被1H分裂；分裂； 13C 1H 的直接偶合的直接偶合即一鍵偶合是即一鍵偶合是13C譜中譜中 最重要的偶合，造成碳譜譜線復雜；最重要的偶合，造成碳譜譜線復雜；氘代溶劑中，氘代溶劑中， 13C-2H之間也存在偶合裂分之間也存在偶合裂分 13C 1H 的直接偶合的直接偶合 1H與與 13C 相鄰時，相鄰時， 1H對對 13C也會發(fā)生自旋偶合也會發(fā)生自旋偶合分分裂。并且裂。并且13C峰裂分情況峰裂分情況符合符合偶合分裂通式為：偶合分裂通式為：2nI + 1 即即： 2nI+1=2n1/2+1= “n+1”規(guī)則；規(guī)則； 例如，在例如，在丙酮的丙酮的13C-N

10、MR譜中，甲基碳被氫譜中，甲基碳被氫分裂為分裂為.；H3CCH3O 碳碳 氘氘(2H)偶合偶合偶合分裂通式為：偶合分裂通式為：2nI + 1 氘的氘的 I = 1，氘對碳的偶合裂分規(guī)律：，氘對碳的偶合裂分規(guī)律： 2nI + 12 n 1 + 1 = 2n + 1 當碳與一個氘相連時，根據(jù)該通式可得到碳峰被當碳與一個氘相連時，根據(jù)該通式可得到碳峰被分裂為分裂為2nI + 12 1 1 + 1 = 3。CDCl3 的的13C-NMR 譜在譜在 77 ppm 處出現(xiàn)三重峰處出現(xiàn)三重峰2n + 12 1 + 1 = 3氘代丙酮的氘代丙酮的13C譜中，甲基碳被氘分裂為譜中，甲基碳被氘分裂為2n + 12

11、 3 + 1 = 7D3CCD3O 1. 化學位移范圍寬化學位移范圍寬: 1H 譜譜 范圍在范圍在 0-10 ppm; 13C 譜譜 范圍在范圍在 0-250 ppm 由于化學位移范圍較寬，故對化學環(huán)境有由于化學位移范圍較寬，故對化學環(huán)境有微小差異的核也能區(qū)別，這對鑒定分子結(jié)構(gòu)更微小差異的核也能區(qū)別，這對鑒定分子結(jié)構(gòu)更為有利。為有利。 5.4 13C-核磁共振譜核磁共振譜特點特點0123456PPM020406080100120140PPM碳碳譜譜與與氫氫譜譜的的對對比比20.814020312. 信號強度低信號強度低: 12C，自然界豐富，自然界豐富，I=0，沒有核磁共振信號；沒有核磁共振信

12、號； 13C， I =1/2 ，但天然豐度僅為，但天然豐度僅為1.1% ，相對靈敏相對靈敏 度為度為1H的的1/6000；給檢測帶來了困難。給檢測帶來了困難。 脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀問世脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀問世 及多種及多種13C共振方法的出現(xiàn)，碳譜的工作才迅速發(fā)展起來。共振方法的出現(xiàn)，碳譜的工作才迅速發(fā)展起來。325.5 13C-NMR譜的類型譜的類型1、質(zhì)子非去偶譜、質(zhì)子非去偶譜33 2、質(zhì)子寬帶去偶譜、質(zhì)子寬帶去偶譜(BBD) 特點特點: 圖譜簡化圖譜簡化, 所有信號均呈單峰所有信號均呈單峰. 譜譜圖圖去去偶偶作作用用對對比比364、DEPT譜：譜： 識別識別CH3、CH2、C

13、H、C.脈沖寬度：脈沖寬度： =135CH3, CH , CH2 （常用常用） =90 CH , =45CH3, CH2 , CH , 季碳不出峰季碳不出峰3701234PPM23CH3CH2Cl（1）峰的數(shù)目：）峰的數(shù)目： 標志分子中有多少種標志分子中有多少種1H；（2）峰的面積比：）峰的面積比： 各類各類1H的個數(shù)比；的個數(shù)比；（3）峰的化學位移）峰的化學位移： 1H在化合物中位置；在化合物中位置；（4）峰的偶合裂分數(shù)：相鄰碳原子上）峰的偶合裂分數(shù)：相鄰碳原子上1H數(shù)目；數(shù)目；1、化學位移：、化學位移：C 在化合物中的位置在化合物中的位置2、峰的個數(shù)：、峰的個數(shù)：分子中有多少種分子中有多少

14、種C三、三、 NMR譜圖解析譜圖解析譜圖解析的一般程序譜圖解析的一般程序由分子式計算不飽和度。由分子式計算不飽和度。譜線數(shù)與原子數(shù)比較，判斷分子對稱性譜線數(shù)與原子數(shù)比較，判斷分子對稱性標出各譜線的化學位移標出各譜線的化學位移 c，確定譜線的歸屬。，確定譜線的歸屬。在譜線歸屬明確的基礎上，列出所有的結(jié)構(gòu)單在譜線歸屬明確的基礎上，列出所有的結(jié)構(gòu)單元，并合理地組合成一個或幾個可能的結(jié)構(gòu)式元，并合理地組合成一個或幾個可能的結(jié)構(gòu)式確定結(jié)構(gòu)式。確定結(jié)構(gòu)式。 7.194.792.001234567PPM積分面積比：5：2：11.某化合物的分子式為某化合物的分子式為C7H8O，其氫譜，其氫譜碳譜如下，碳譜如下

15、，試解析其結(jié)構(gòu)試解析其結(jié)構(gòu)127.7129.0141.2127.268.1020406080100120140PPMOH2一化合物，分子式為一化合物，分子式為C6H8，高度對，高度對稱，在噪音去偶譜上只有兩個信號，在稱，在噪音去偶譜上只有兩個信號，在偏共振去耦譜上只有一個三重峰（偏共振去耦譜上只有一個三重峰（t）及）及一個二重峰一個二重峰(d)，試寫出其結(jié)構(gòu)。，試寫出其結(jié)構(gòu)。45H3CH3CNH2NH2BC020406080100120140160PPM119.1129.5113.3148.3116.0139.224.3NH2BdcbafeCH3g3.4 下圖是下圖是己烷的同分異構(gòu)體己烷的同分

16、異構(gòu)體中某一個的質(zhì)子去偶中某一個的質(zhì)子去偶 13C 譜請給出這個化合物的結(jié)構(gòu)式，并對譜圖中的吸收譜請給出這個化合物的結(jié)構(gòu)式，并對譜圖中的吸收峰作相應的指認。峰作相應的指認。0510152025303540PPMCHH2CH2CCH3H3CCH35、由碳譜、由碳譜,判斷判斷1-甲基甲基-1氯環(huán)己烷反應產(chǎn)氯環(huán)己烷反應產(chǎn)物物CH3ClKOHC2H5OHCH3ORCH2020406080100120140PPM020406080100120140PPM6、下面化合物的寬帶去偶碳譜中有幾、下面化合物的寬帶去偶碳譜中有幾條譜線條譜線?并指出它們大概的化學位移值并指出它們大概的化學位移值CCOCH2CH3H

17、3CH2COOO024681012PPM11111020406080100120140160180PPM7、化合物、化合物C5H5NO的的1H和和13C譜如下，譜如下， 試解析其結(jié)構(gòu)試解析其結(jié)構(gòu)NHCHO8、化合物、化合物C14H18O3的的1H和和13C譜如下，已知譜如下，已知A峰通過氘交換可消失，試解析其結(jié)構(gòu)峰通過氘交換可消失，試解析其結(jié)構(gòu)024681012PPMABCDEFGA:B:C:D:E:F:G:H=1:2:2:2:2:2:1:6H020406080100120140160180200220PPMCOCH2CH2COOHH2CHCH3CH3C1H 1H COSY1H-1H COSY

18、譜中的相關峰表示與該峰相交的兩個譜中的相關峰表示與該峰相交的兩個峰之間有峰之間有自旋自旋偶合自旋自旋偶合存在存在;通常通常在化學結(jié)構(gòu)上，兩個峰之間有在化學結(jié)構(gòu)上，兩個峰之間有自旋自旋偶自旋自旋偶合合表示產(chǎn)生該兩個峰的原子之間相隔的化學鍵數(shù)表示產(chǎn)生該兩個峰的原子之間相隔的化學鍵數(shù)在三鍵以下在三鍵以下;相關峰的強弱與偶合常數(shù)相關峰的強弱與偶合常數(shù)J值的大小有關，值的大小有關，J值越值越大相關峰越強大相關峰越強.COSYCOCH2CH2COOHH2CHCH3CH3Cabab1H 13C HSQC 碳氫直接相關實驗碳氫直接相關實驗 1H-13C HSQC 實驗是異核二維譜，沒有對角線峰實驗是異核二維譜

19、，沒有對角線峰每個相關峰表示相交的氫、碳峰所對應的氫、碳每個相關峰表示相交的氫、碳峰所對應的氫、碳原子是直接（一鍵）相連的。原子是直接（一鍵）相連的。 HSQC實驗可以使氫譜和碳譜中的譜峰指認信息實驗可以使氫譜和碳譜中的譜峰指認信息相互利用、相互印證。相互利用、相互印證。 異核（異核（1H-13C）二維譜）二維譜HSQCCOCH2CH2COOHH2CHCH3CH3Caaabbb1H-13C HMBC氫碳遠程相關實驗氫碳遠程相關實驗 HMBC是異核二維譜，沒有對角線峰。每個相關是異核二維譜，沒有對角線峰。每個相關峰表示相交的氫、碳峰所對應的氫碳原子是以兩峰表示相交的氫、碳峰所對應的氫碳原子是以兩

20、鍵、叁鍵或四鍵相連的。鍵、叁鍵或四鍵相連的。 HMBC 譜上是否出峰與氫、碳原子相隔幾鍵沒譜上是否出峰與氫、碳原子相隔幾鍵沒有直接關系，只與實驗參數(shù)設置中有直接關系，只與實驗參數(shù)設置中所設的所設的J值值有直有直接關系。氫碳兩鍵、三鍵或四鍵的接關系。氫碳兩鍵、三鍵或四鍵的J值范圍有很大值范圍有很大部份是重疊的。部份是重疊的。 HMBCCOCH2CH2COOHH2CHCH3CH3Cbacabca常用的核磁共振（常用的核磁共振（NMR）實驗）實驗 1H 13C 13CDEPT135o ( CH CH3 , CH2 ) 13CDEPT90o ( CH ) 1H 1H COSY (化學建上相鄰氫原子的識

21、別化學建上相鄰氫原子的識別) 1H 1H TOCSY (結(jié)構(gòu)片斷的識別結(jié)構(gòu)片斷的識別) 1H 1H NOESY (空間上相近的氫原子的識別空間上相近的氫原子的識別) 1H 13C (HSQC) (碳氫直接相關（碳氫原子直接相連）碳氫直接相關（碳氫原子直接相連） 1H 13C HMBC (碳氫遠程相關碳氫遠程相關,碳氫原子二、三、四鍵碳氫原子二、三、四鍵 偶合）偶合）)1H譜譜COCH2CH2COOHH2CHCH3CH3C13C譜譜COCH2CH2COOHH2CHCH3CH3CCOSYCOCH2CH2COOHH2CHCH3CH3CHSQCCOCH2CH2COOHH2CHCH3CH3CHMBCCO

22、CH2CH2COOHH2CHCH3CH3C5.8 核磁共振波譜儀核磁共振波譜儀一、永久磁鐵：一、永久磁鐵：提供外磁場，要提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。分之一。掃場線圈。二、射頻振蕩器：二、射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。射信號。60MHz或或100MHz?，F(xiàn)代核磁共振波譜儀現(xiàn)代核磁共振波譜儀 現(xiàn)代的核磁共振波譜儀是由超導磁體，包含由射頻現(xiàn)代的核磁共振波譜儀是由超導磁體，包含由射頻發(fā)生、功率放大、脈沖形成及控制、信號檢測等各發(fā)生、功率放大、脈沖形成及控制、信號

23、檢測等各種功能電子器件的主機，以及用于設置和控制實驗種功能電子器件的主機，以及用于設置和控制實驗的計算機系統(tǒng)所組成。當今世界科學技術的發(fā)展也的計算機系統(tǒng)所組成。當今世界科學技術的發(fā)展也促進了核磁共振波譜儀的發(fā)展，不僅是譜儀本身已促進了核磁共振波譜儀的發(fā)展，不僅是譜儀本身已近乎于全數(shù)字化，而且已先后研制成靜磁場強度更近乎于全數(shù)字化，而且已先后研制成靜磁場強度更高（或共振頻率更高）的超導磁體。已可提供使用高（或共振頻率更高）的超導磁體。已可提供使用的不僅有的不僅有600MHz高場超導磁體，更有高場超導磁體，更有750 MHz和和800 MHz超導磁體，超導磁體，900 MHz超導磁體也已問世。超導

24、磁體也已問世。核磁共振譜儀技術及實驗方法的迅速發(fā)展大大擴展核磁共振譜儀技術及實驗方法的迅速發(fā)展大大擴展了核磁共振技術方法的應用范圍。了核磁共振技術方法的應用范圍。NMR 譜儀FMAudio反饋600譜儀磁體磁體探頭探頭計算機與計算機與操作者操作者核磁共振靜磁場超導磁體核磁共振靜磁場超導磁體核磁共振：探頭、量規(guī)和樣品管核磁共振：探頭、量規(guī)和樣品管NMR：90脈沖的功率（射頻場強）脈沖的功率（射頻場強）脈沖脈沖 的功率太強或在強功率下作用時間太長將損壞探頭：的功率太強或在強功率下作用時間太長將損壞探頭：74超屏蔽磁體1995年75UltraShield Plus 超超屏蔽磁體2003年新Ascen

25、d系列磁體年磁體體積更小、液氦消耗更少、更穩(wěn)定UltraShield 700/54, 3050 kgUltraShieldPlus 700/54, 2100 kgAscendTM 700/54, 1450 kg UltraShield, UltraShieldPLUS and ASCENDTM 不需要添加液氮 液氦保持時間大于1年 耗電量 1.6 kVA 壓縮機維護間隔 20000 h or 2.3 years新不需要添加液氮的磁體1. 高頻核磁共振譜儀Resolution : Protein NMR 900 MHz. 600 MHz. Bruker超高場磁體投放市場時間 1995800MHz

26、 1998750MHz WB 2001900MHz 2004 900MHz US2 2004900MHz US2 WB 2006800MHz USPLUS 2006850MHz US2 1992750MHz 2006950MHz US2 2009850MHz US2 WB 2009850MHz USPLUS 20091000MHz 81超高場核磁 (750 1000 MHz)133 x 800 850 MHz(incl. 37 compact)30 x 900 950 MHz11 x 750 MHz1 x 1 GHz全球第一臺商品化的全球第一臺商品化的 1 GHz 核磁核磁8383世界第一臺世

27、界第一臺 AVANCE 1000 兆核磁已于兆核磁已于2009年安年安裝在法國里昂的裝在法國里昂的 Centre de RMN Trs Hauts Champs (CRMN)Prof. EmsleyAVANCE 1000 Installed1 GHz (23.5T) UltraStabilized magnet installed at Centre de RMN Trs Haute Champs, Lyon, France新新1.2 GHz NMR Magnet Project with HTS Insert Coil (work in progress)LTS coilsHTS inser

28、t coil1 GHz1.2 GHzX 1.25 (mass)YBCONb3SnNbTiCoil Comparison Cold RF CoilsCryoPreAmpRF Connectors (transmit & receive)CryoCouplerSensors for CryPlatformBrukers CryoProbe2. 超低溫探頭、固體探頭布魯克超低溫探頭 1年成功的歷史 兩次獲得 “R&D100” 國際獎 超過1600套超低溫探頭交付用戶87新新: CryoProbe Prodigy: 液氮超低溫探頭：改變常規(guī)測試的規(guī)則 全新超低溫探頭重新定義中級場強核磁 雜核的 NMR 實驗被加速10倍 相當于將場強提高了300 MHz30