淺談一維核磁共振譜圖的解析方法

梁向暉 毛秋平 鐘偉強(qiáng)

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

淺談一維核磁共振譜圖的解析方法

梁向暉 毛秋平 鐘偉強(qiáng)

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510640)

核磁共振波譜儀的廣泛應(yīng)用，使得大量的復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)得以鑒定，推動了整個(gè)有機(jī)化學(xué)向前飛速發(fā)展。如何對核磁共振譜圖進(jìn)行解析對初學(xué)者而言是一個(gè)難點(diǎn)，本文簡述了一維核磁共振譜圖(1D-NMR)的解析方法，并通過一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明，以幫助初學(xué)者盡快地熟悉解析核磁共振譜圖的方法。

核磁共振 解析方法 1D-NMR

1 引言

1939年，物理學(xué)家伊西多·拉比(Isidor Rabi)發(fā)現(xiàn)在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這是人類關(guān)于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認(rèn)識。由于這項(xiàng)研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾獎。1946年美國哈佛大學(xué)的珀塞爾和斯坦福大學(xué)的布洛赫宣布，他們發(fā)現(xiàn)了核磁共振NMR[1]，兩人因此獲得了1952年諾貝爾獎。核磁共振很快成為一種探索、研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的高新技術(shù)。產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象都需要三個(gè)重要的基本條件：a.原子核必須是自旋的，即自旋量子數(shù)I不為零；b.自旋原子核必須置于強(qiáng)大、均勻的外加磁場中，外加磁場的作用是，使原來處于簡并態(tài)的自旋原子核，產(chǎn)生高低磁能級的分裂；c.輻射電磁波，電磁波的能量與自旋原子核高低磁能級差相等或匹配，其作用是使處于低磁能級的自旋原子核向高磁能級躍遷，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象[2]。核磁共振技術(shù)作為分析物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及其變化的重要手段之一，可深入探測物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，并具有準(zhǔn)確、快速和對復(fù)雜樣品不需預(yù)處理就能進(jìn)行分析等特點(diǎn)[3]。它檢測的是組成有機(jī)化合物分子的原子核的性質(zhì)及其周圍化學(xué)環(huán)境的相互作用，從核磁共振波譜得到的反映核性質(zhì)的參數(shù)，以及周圍化學(xué)環(huán)境對這些參數(shù)的影響規(guī)律,包含了極其詳盡的有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用的信息[4]。

核磁共振波譜解析主要是1H-NMR譜和13C-NMR譜的解析，只有當(dāng)根據(jù)1H-NMR譜和13C-NMR譜的信息尚不能確定解析樣品結(jié)構(gòu)的時(shí)候，才進(jìn)行2D-NMR實(shí)驗(yàn)，再通過分析其信息對樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。需要說明一點(diǎn)，解析某個(gè)化合物的二維譜時(shí)，如果對其化學(xué)結(jié)構(gòu)一無所知，能從二維譜中獲取的信息將非常有限，甚至可能一無所獲。因此通常的解譜程序是，在解二維譜以前，借助NMR一維譜和其它各種手段，對化合物的一級結(jié)構(gòu)(即化學(xué)結(jié)構(gòu))已經(jīng)有所了解或猜測，通過二維譜再講一步確認(rèn)，并獲取更深入細(xì)致的結(jié)構(gòu)信息(如化合物的空間結(jié)構(gòu)信息等)。

對于化學(xué)專業(yè)的本科生，核磁共振波譜解析不僅是一門重要基礎(chǔ)課程，更是一種賴以生存的技能。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的化學(xué)研究人員通過一張核磁共振譜圖可以收集到許多信息，進(jìn)而解析出對應(yīng)化合物的正確結(jié)構(gòu)，然而這種譜圖對初學(xué)者來說僅僅是一頁有許多波峰的紙。如何從一張復(fù)雜的譜圖解析出對應(yīng)化合物的結(jié)構(gòu)，往往令初學(xué)者頭疼不已。大多科研工作者通常接觸到的是一維的核磁共振譜圖，下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)譜圖簡述一維核磁共振譜圖的解析方法，以幫助初學(xué)者盡快地熟悉解析核磁共振譜圖的方法。

2 1H-NMR譜解析

通常情況下，僅靠一張1H-NMR譜圖是無法解析出合理的分子結(jié)構(gòu)的，這往往需要結(jié)合分子式，用以推斷或者驗(yàn)證化合物的結(jié)構(gòu)式。

對核磁共振氫譜的解析一般有六個(gè)步驟：

(1)區(qū)分出雜質(zhì)峰、溶劑峰、旋轉(zhuǎn)邊帶。雜質(zhì)含量較低，其峰面積較樣品峰小很多，樣品和雜質(zhì)峰面積之間也無簡單的整數(shù)比關(guān)系。據(jù)此可將雜質(zhì)峰區(qū)別出來。氘代試劑不可能100%氘代，其微量未氘代的溶劑會有相應(yīng)的峰，如CDC13中的微量CHCl3在約7.26×10-6處出峰。

(2)計(jì)算不飽和度。當(dāng)不飽和度大于等于4時(shí)，應(yīng)考慮到該化合物可能存在一個(gè)苯環(huán)(或吡啶環(huán))。

(3)確定譜圖中各組峰所對應(yīng)的氫原子數(shù)目，對氫原子進(jìn)行分配。根據(jù)積分曲線，找出各組峰之間氫原子數(shù)的簡單整數(shù)比，再根據(jù)分子式中氫的數(shù)目，對各組峰的氫原子數(shù)進(jìn)行分配。

(4)對每組峰的化學(xué)位移δ和偶合常數(shù)J都進(jìn)行分析。根據(jù)每組峰氫原子數(shù)目及δ值，可對該基團(tuán)進(jìn)行推斷，并估計(jì)其相鄰基團(tuán)。對每組峰的峰形應(yīng)仔細(xì)地分析。分析時(shí)的關(guān)鍵之處為尋找各組峰中的等間距。每一種間距相應(yīng)于一個(gè)偶合關(guān)系。一般情況下，某一組峰內(nèi)的間距會在另一組峰中反映出來。通過此途徑可找出鄰位碳的氫原子的數(shù)目。當(dāng)從裂分間距計(jì)算J值時(shí)，應(yīng)注意譜圖是多少M(fèi)Hz的儀器做出的，有了儀器的工作頻率才能從化學(xué)位移之差Δε(10-6)計(jì)算出ε(Hz)。當(dāng)譜圖顯示烷基鏈3J偶合裂分時(shí)，其間距(相應(yīng)6～7Hz)也可以作為計(jì)算其他裂分間距所對應(yīng)的赫茲數(shù)的基準(zhǔn)[5]。

(5)根據(jù)對各組峰的化學(xué)位移和偶合常數(shù)的分析，推出若干結(jié)構(gòu)單元，最后組合為幾種可能的結(jié)構(gòu)式。每一可能的結(jié)構(gòu)式不能和譜圖有大的矛盾。

(6)對推出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行指認(rèn)。每個(gè)官能團(tuán)均應(yīng)在譜圖上找到相應(yīng)的峰，各組峰的δ值及偶合裂分(峰形和J值大小)都應(yīng)該和結(jié)構(gòu)式相符。如存在較大矛盾，則說明所設(shè)結(jié)構(gòu)式是不合理的，應(yīng)予以去除。通過指認(rèn)校核所有可能的結(jié)構(gòu)式，進(jìn)而找出最合理的結(jié)構(gòu)式。必須強(qiáng)調(diào)：指認(rèn)是解析結(jié)構(gòu)中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

3 13C-NMR譜解析

在核磁共振發(fā)展的初期，大部分有機(jī)化學(xué)家會優(yōu)先選擇有機(jī)物的13C核，而不是1H核進(jìn)行研究。畢竟，環(huán)狀和鏈狀化合物的碳骨架結(jié)構(gòu)研究才是有機(jī)化學(xué)研究的核心。由于13C核的天然豐度和靈敏度比1H核低得多，導(dǎo)致早期連續(xù)波、慢掃描程序需要大量的樣品和過長的掃描時(shí)間，這嚴(yán)重阻礙了13C-NMR的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代，由于傅里葉變換儀器的使用，使得13C-NMR迅速得到推廣和應(yīng)用。而現(xiàn)在，13C-NMR的靈敏度已經(jīng)大大提高，掃描時(shí)間也已經(jīng)大幅度減少。前面提到，僅靠1H-NMR譜圖是無法解析出合理的分子結(jié)構(gòu)的。但假如13C-NMR和1H-NMR并用就可以獲取化合物完整的結(jié)構(gòu)信息，大大提高解譜的正確性。

對核磁共振碳譜的解析也有六個(gè)步驟：

(1)鑒別譜圖中的真實(shí)譜峰。①溶劑峰，氘代試劑中的碳原子均有相應(yīng)的峰，這和氫譜中的溶劑峰不同(氫譜中的溶劑峰是因氘代不完全而引起，而碳譜卻是因氘氫自旋量子數(shù)為I=1，它對相鄰碳原子的偶合作用，根據(jù)2nI+1規(guī)則，常用的氘代氯仿在碳譜中的溶劑峰呈三重峰，中心譜線位置在77×10-6；②雜質(zhì)峰，可參考?xì)渥V中雜質(zhì)峰的判別；③掃描碳譜時(shí)參數(shù)的選擇會對譜圖產(chǎn)生影響。當(dāng)參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，有可能導(dǎo)致季碳原子不出峰。

(2)分子對稱性的分析，若譜線數(shù)目等于分子式中碳原子數(shù)目，說明分子無對稱性；若譜線數(shù)目小于分子式中碳原子的數(shù)目，這說明分子有一定的對稱性，相同化學(xué)環(huán)境的碳原子在同一位置出峰。

(3)碳原子化學(xué)位移δ值的分區(qū)。碳譜的化學(xué)位移大致可分為3個(gè)區(qū)：①羰基或疊烯區(qū)δ=150×10-6～165×10-6，醛、酮類化合物δ=200×10-6，連雜原子的羰基δ=160～170×10-6。②不飽和碳原子區(qū)(炔碳除外)δ=90～160×10-6，炔碳原子δ=70～100×10-6，這是炔碳原子的獨(dú)有的特征區(qū)。由前兩類碳原子可計(jì)算相應(yīng)的不飽和度，此不飽和度與分子不飽和度之差表示分子中成環(huán)的數(shù)目。③脂肪鏈碳原子區(qū)δ<100×10-6。飽和碳原子若不直接連氧、氮、氟等雜原子，一般δ<55×10-6。

(4)碳原子級數(shù)的確定。由偏共振去耦或脈沖序列，如DEPT(包括DEPT 90°和DEPT 135°)確定。由此可計(jì)算化合物中與碳原子相連的氫原子數(shù)。若此數(shù)目小于分子式中氫原子數(shù)，二者之差值為化合物中活潑氫的原子數(shù)。

(5)結(jié)合上述幾項(xiàng)推出結(jié)構(gòu)單元，并進(jìn)一步組合成若干可能的結(jié)構(gòu)式。

(6)進(jìn)行對碳譜的指認(rèn)，通過指認(rèn)選出最合理的結(jié)構(gòu)式，此即正確的結(jié)構(gòu)式。

下面結(jié)合化學(xué)創(chuàng)新班本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的1H-NMR譜圖和13C-NMR，以此為例，對這個(gè)化合物的解析順序進(jìn)行詳解。

4 解析例子

化合物A(圖1～圖4)：

圖1 化合物A的1H-NMR

圖2 化合物A的13C-NMR

圖3 碳譜、DEPT90及DEPT135譜對比(a).化合物A的13C-NMR；(b).DEPT 90°；(c).DEPT 135°

圖4 化合物A的19F-NMR1H NMR (400 MHz, CDCl3) δH 7.24 (dd, J = 8.3, 5.3 Hz, 2H), 7.00 (t, J = 8.6 Hz, 2H), 4.15 (q, J = 7.1 Hz, 2H), 3.57 (s, 2H), 1.25 (t, J = 7.1 Hz, 3H).13C NMR (100 MHz, CDCl3) δc 171.46, 162.02 (d, JF-C = 245.2 Hz), 130.80 (d, 3JF-C = 8.0 Hz), 129.87 (d, 4JF-C = 3.3 Hz), 115.37 (d, 2JF-C = 21.5 Hz), 60.93, 40.52, 14.15.

化合物A的解析順序：

1H NMR的解析順序：

①標(biāo)峰位，δH=7.24存在一組dd峰；δH=7.00存在一組t峰；δH=4.15存在一組q峰；δH=3.57存在一組s峰；δH=1.25存在一組t峰。

②分別對各組峰積分，峰面積比例為2∶2∶2∶2∶3，結(jié)合化學(xué)位移和峰形分析。δH=1.25是一個(gè)CH3，且為三重峰，所以應(yīng)連著一個(gè)CH2，對應(yīng)找到化學(xué)位移為δH=4.15，的四重峰，所以δH=1.25和δH=4.15的兩組峰表明有一個(gè)乙基，且由于CH2的化學(xué)位移在4.15，所以該乙基與一個(gè)雜原子相連；δH=3.57歸屬于一個(gè)兩端連著不飽和鍵的CH2；δH=7.24和δH=7.00為苯環(huán)上的氫原子的化學(xué)位移。所以從氫譜可以大致判斷該化合物有一個(gè)苯環(huán)，且是對位取代；有一個(gè)乙基以及一個(gè)兩端臨位原子上沒有氫的亞甲基。

13C NMR的解析順序：

③從19F NMR上得知，化合物A存在氟信號，δ=-115.89，氟原子直接連在苯環(huán)上。因此，解析13C NMR要先考慮碳譜裂分的情況。

④標(biāo)峰位。首先可以看到δc=162.02 (d,JF-C= 245.2 Hz)、130.80 (d,3JF-C= 8.0 Hz)、129.87 (d,4JF-C= 3.3 Hz)和δc=115.37 (d,2JF-C= 21.5 Hz)處存在碳譜裂分，從偶合常數(shù)分析，δc =162.02對應(yīng)的碳原子與氟原子一鍵相連；δc=130.80對應(yīng)的碳原子處于氟原子的間位；δc =129.87對應(yīng)的碳原子處于氟原子的對位；而δ=115.37對應(yīng)的碳原子處于氟原子的鄰位；再從DEPT 135°來看，苯環(huán)是對位雙取代的，因?yàn)榉拥泥彙㈤g位是向上朝向的CH，而對位是沒有氫原子的。δc =14.15是歸屬于甲基碳原子，δc =60.93是一端與甲基連接的、一端與雜原子連接的CH2，即CH3CH2X-。同時(shí)，δc =171.46應(yīng)該是連雜原子的羰基。由此推斷，該化合物應(yīng)該是個(gè)酯(其中一片段結(jié)構(gòu)是-COOCH2CH3)。δc=40.52很有可能是處于羰基和苯環(huán)之間的CH2。

⑤將上面的結(jié)構(gòu)片段拼接，化合物A的結(jié)構(gòu)是

⑥每個(gè)官能團(tuán)均應(yīng)在譜圖上找到相應(yīng)的峰，各組峰的δ值及偶合裂分都和結(jié)構(gòu)式相符。

5 結(jié)論

核磁共振波譜技術(shù)近年來發(fā)展迅速，新方法與新技術(shù)層出不窮，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已經(jīng)從最初的物理學(xué)領(lǐng)域逐步滲透到化學(xué)、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域。越來越多研究人員需要掌握基本的一維的核磁共振解譜技能。結(jié)合化學(xué)創(chuàng)新班本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，簡述了一維的核磁共振譜圖的解析順序，以幫助初學(xué)者盡快地熟悉解析核磁共振譜圖的方法。

[1]鐘軍,蔣雪梅.核磁共振波譜在藥物研發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015，1(1)：282-286.

[2]江璦,阿里木江·艾拜都拉.波譜綜合解析指導(dǎo)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008:44-45.

[3]王桂芳，馬廷燦，劉買利.核磁共振波譜在分析化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，70(19):2005-2011.

[4]Christen B,Hornemann S,Damberger F F,et al. Prion protein NMR structure from tammar wallaby(Macro-pus eugenii)shows that the beta2-alpha2 loop is modulated by long-range sequence effects[J].J Mol Biol,2009,389(5):833-845.

[5]孟令芝，龔淑玲，何永炳，等. 有機(jī)波譜分析(3版)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009：114-115.

Discussion on analytical method of one-dimensional nuclear magnetic resonant spectra.

Ling Xianghui,Mao Qiuping, Zhong Weiqiang

(School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

In this paper the analytical method of one-dimensional NMR spectra is described and an example is taken to help the beginners.

nuclear magnetic resonance；analytical method；1D-NMR

華南理工大學(xué)校級教研教改項(xiàng)目(Y9160640);華南理工大學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(Y9160040)

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.019

2017-03-15

梁向暉,女,1972出生,碩士,高級實(shí)驗(yàn)師,主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大型儀器設(shè)備管理,E-mail:liangxh@scut.edu.cn。