偶合常数J不因外磁场的变化而改变;同时,它受外界条件如溶剂、温度、浓度变化等的影响也很小(相对化学位移)。
由于偶合作用是通过成键电子传递的,因此,J值的大小与两个(组)氢核之间的键数有关。
一般说来,间隔3个单键以上时,J趋近于0。 偶合常数与分子结构的关系
质子与质子(1H,1H)之间的偶合 通过两个键之间的偶合(偕偶) ---同碳质子间的偶合 通过三个键之间的偶合(邻偶) ---邻碳质子间的偶合 大于三键之间的偶合(远程偶合) ---间隔三根以上化学键的偶合 芳环体系
苯的衍生物 Jm = 4J ~2Hz, Jp = 5J 0~1Hz 吡啶衍生物 J2, 4 J3,5 J4, 6 = 4J ~2Hz
J2. 5 J3, 6 = 5J 0~1Hz 呋喃,吡咯类衍生物
4J = J2, 4 = J3, 5 1~2Hz 核磁共振氢谱谱图的分类 P138
(低级偶合:一级谱图 高级偶合: 二级谱图)
自旋系统的分类与命名
常见的自旋系统
低级偶合:一级谱图
系统中两个(组)相互干扰的氢核化学位移差距Δν远大于偶合常数, 即Δν/J ≥ 6
裂分峰数目符合(n+1)规律。裂分峰强度符合二项展开式的系数。 裂距等于偶合常数,可直接读出。 J= Δν×仪器频率
系统的表达:英文字母表上相距较远的字母 高级偶合:二级谱
系统中两个(组)相互干扰的氢核化学位移差距Δν接近于偶合常数, 即Δν/J ≯ 6 1、一般,峰的数目超过n+1规律所得数目 2、各峰间相对强度关系复杂
3、δ 、J都不能直接读出,需计算。
系统的表达:英文字母表上相距较近的字母 自旋系统的分类
二旋系统 >C=CH2, X-CH=CH-Y, C*-CH2- 等。 三旋系统 X-CH=CH2 , -CH2-CH< ,
三取代苯,二取代吡啶等。 四旋系统 X-CH2-CH2-Y ,二取代苯, 一取代吡啶等。
五旋系统 CH3-CH2-X , 一取代苯等。 AB2 系统
AB2系统比较复杂,最多时出现9条峰,其中A 4条峰, 1H; B 4条峰,2H;1条综合峰。
常见官能团的复杂谱图(用自旋耦合图分析) 1、单取代苯环
在苯环氢区域内,有5个H存在时,可判定为单取代。
第一类取代基:-CH3,-CH2-,-Cl,-Br,-CH=CHR,-C≡CR等。对苯环的邻、间、对位氢影响不大,故它们的峰拉不开,总体看来是一个中间高,两边低的大峰 。
第二类取代基:是有机化学中使苯环活化的邻、对位定位基。有-OH,-OR,-NH2,-NHR,-NRR’等。使苯环邻、对位氢的电子云密度增加,而使邻对位移向高场移动。
第三类取代基:是间位定位基,有-CHO,-COR,-COOR,-COOH,-CONHR,-NO2, -N=N-Ar,-SO3H等。使苯环电子云密度降低,移向低场。邻位两个氢最低场。 2、对位二取代苯环
苯环上四个氢构成AA’BB’体系,谱线左右对称。这是取代苯环中最易识别的。现在一般呈现AX
3、邻位二取代苯环
相同基团取代,为AA’BB’体系,左右对称。现在一般呈现一级谱图 不同基团取代,为ABCD体系。谱峰复杂。
4、间位二取代苯环
相同基团取代,为AB2C体系.
不同基团取代,为ABCD体系。谱峰复杂,但由于两取代基团中间隔离的氢无2J偶合,经常显示初略的单峰,可做判断。 5、正构长链烷烃
X-(CH2)n-CH3,端甲基的三重峰畸变,总体表现 在δ 1.25ppm形成一个粗的单峰。 HNMR谱测定技术 1,试样与溶剂
1,样品纯度,用量 95%,10mg 2,核磁样品管
3,氘代溶剂的选择:主要是考虑溶解度,氘代氯仿最常用(适用于大多数非强极性成分,便宜)。强极性(氘代甲醇、重水)。
特定样品氘代溶剂的选择:氘代二甲亚砜(用在一般溶剂难溶的物质,黄酮类成分、酚
羟基);氘代吡啶(皂甙)。
信号不重叠、符合文献传统。(中一) 氘代溶剂的干扰峰
(少量未氘代完全的H和溶剂中水) CDCl3 7.26(s),1.55(s,水)
CD3SOCD3 2.50(5), 3.31(s,水)
C5D5N 8.73(s), 7.58(s),7.21(s), 4.91(s,水)
CD3OD 3.31(5), 4.84(s,水) CD3COCD3 2.05(5), 2.8(s ,水)
D2O 4.7(s)
C6D6 7.2(s)
CD3CN 2.09(5) , 1.94(s ,水) 3,重氢交换法
D2O 交换: -OH, -NH2, -COOH, -SH… 作用:确定活泼H 4,去偶试验
作用:辅助确定H的相互偶合
谱图中化合物的结构信息
(1)峰的数目:标志分子中化学不等价质子的种类,多少种; (2)峰的强度(面积):每类质子的数目(相对),多少个;
(3)峰的位移(? ):每类质子所处的化学环境,化合物中位置; (4)峰的裂分数:相近碳原子上质子数; (5)偶合常数(J):确定化合物构型。 不足之处:仅能确定质子(氢谱)。 1HNMR解析步骤
1,总体检查图谱:
谱图是否正常:底线是否平坦,信噪比是否符合要求;TMS是否正常;区分杂质峰,溶剂峰等。(样品问题,送样问题,作谱问题) 谱峰的整体分布:谱峰的多少,主要谱峰的位置(化合物的粗略信息) 2,已知分子式,则计算不饱和度,大于4时,考虑可能存在苯环。
3,根据积分曲线算出各个信号对应的H的个数。即确定谱图中各峰组对应的H数。(设定一个H的积分,以此推断其他H信号积分)(从积分判断杂质的多少,以去掉杂质峰)。 4,分子对称性的分析
5,对活泼H的判断(重水交换)
6,对每个峰的? 、J进行分析,解释低级偶合系统,尽可能得到结构片段及其相关片段信息。(位移分区,不同类型的质子,注意大于9的低场信号(醛、酸、酚羟基),强单峰(甲氧基、甲基))(注意谱图H信号?的整体分布,大体反映化合物类型)(峰形、位移、偶合常数)。
7,必要时采用更换溶剂、NOE测定、强场NMR简化谱图。
8,解析信息,得出各种片断,组合可能的结构式。根据化学位移计算公式和偶合常数考察结构合理性。
9,对推出的结构进行指认。
10,查出化合物的标准HNMR数据。 第三节 核磁共振碳谱(13C-NMR) 13CNMR灵敏度低的原因:
① 13C的天然丰度低,(13C1.1%,1H99.98%) ② 13C的磁旋比γ小: ③ 没有PFT技术的支持。 13C谱的特点 ① 灵敏度低;分辨力高(200ppm)
分子量在400-500以下的分子若无对称性,原则可看到每个C原子的碳谱峰。 ② 各种去偶技术的应用,可区别C的级数,谱图容易解析。 ③ 可直接观测不带氢的官能团,如C=O,季C等 ④ 常规13C谱不提供积分曲线等定量数据。 ⑤一般不提供耦合常数
13C核的信号分裂
13C-13C自旋偶合的几率只有0.0121%,通常可以忽略。
13C-1H之间的偶合常数很大,且裂分数遵守n+1规律。 1J ≈ 120-250Hz 2J ≈ 0-60Hz
3J ≈ 10Hz
常见13CNMR谱的类型及特征
噪音去偶谱(COM) (一般意义上的碳谱)
选择氢核去偶谱及远程选择氢核去偶谱(SEL,LSPD) 偏共振去偶谱 (OFR)
无畸变极化转移技术(DEPT) (较常用) 1、噪音去偶谱(COM)
全氢去偶或宽带去偶
所有氢核对相关碳核的偶合影响被消除
分子中所有的碳核表现为单峰(无法区分碳的类型)
可判化学不等价碳核的数目及化学位移
季碳峰弱,信号强度不完全与碳的数目成正比。(1,大体可根据峰高对同类型碳核比例作出粗略估计;2,杂质的判别困难)。
2、选择氢核去偶谱及远程选择氢核去
偶谱 (SEL,LSPD)
用弱的能量选择性照射某组特定的氢核,以分别消除它们对相关碳的偶合影响,此时谱图上峰形发生变化的信号只是与之有偶合相关或远程偶合相关的碳信号。 P163 紫罗兰酮
3、偏共振去偶谱 (OFR)
仅表现出与碳直接相连的氢的偶合,可判断碳的类型。 缺点:灵敏度低,信号列分重叠严重
目前已被DEPT取代。
4、无畸变极化转移技术(DEPT)
同类型的碳信号均呈单峰形式分别向上或向下伸出,或者消失 。
DEPT 1350 CH,CH3 , CH2
DEPT 900 CH
DEPT 450 CH3,CH2,CH
碳谱和DEPT均作,进行对比分析,判断C的类型。 13C的化学位移
烷烃类饱和C:0-60ppm -C-O-: 50-80 C≡C: 70-90 -C=C-,苯环C:100-150
-C=O: 150-220
碳原子δ值的分区(大致分为三区)(注意估算δ值) ①饱和碳原子区:<100ppm
饱和碳不直接连氧、氮等杂原子时,一般<55ppm -C-O-: 50-80 炔碳δ: 70-90ppm ②不饱和碳原子区(炔碳除外): δ90-160ppm 如烯烃,芳环,碳氮三键等。 ③羰基区:大于150ppm,常大于165ppm δ>200ppm 醛,酮类化合物; 160-190ppm 酸,酯等化合物。 饱和C 的化学位移的几个特点
1,取代基电负性
2,饱和碳的类型(级数:伯仲叔季) 3,γ旁式效应(空间效应)
各种基团的取代均使γ碳原子稍向高场移动。
4,取代基位移(羟基的酰化位移和甙化位移),对鉴定化合物结构时有重要意义。 不饱和C 的化学位移的几个特点
烯烃δC在100-150ppm ,烯烃的δC基本值为123.5
末端烯烃双键碳(CH2=)的共振比与烷烃相连的双键碳的共振向高场移动10-40ppm CH2=CH-CH3 δC 114.7 135.9
不饱和C 的化学位移的几个特点
烯烃δC在100-150ppm ,烯烃的δC基本值为123.5
末端烯烃双键碳(CH2=)的共振比与烷烃相连的双键碳的共振向高场移动10-40ppm CH2=CH-CH3 δC 114.7 135.9
共轭双烯的中间两个烯碳δC较接近,且较边烯碳的δC大。 CH2=CH-CH=CH-CH3 δC 116 132 130 126
炔烃δC与烯烃比较,位于高场,且δC较窄 70-90ppm
与炔碳相连的饱和碳移向高场
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 δC 13.7 22.7 31.8