基于二維NMR譜解析對碘苯甲酸乙酯結構的實驗教學設計

劉雅琴， 余明新， 何 玲

（浙江大學化學系，杭州 310027）

0 引言

化學分析中，核磁共振波（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）與質譜、紅外光譜、紫外光譜被認為是有機結構分析的四大表征手段。核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程［1］。核磁共振波譜學是光譜學的一個分支，其共振頻率在射頻波段，相應的躍遷是核自旋在核塞曼能級上的躍遷。

隨著科學的進步和分析技術的革新，二維核磁共振譜（Two-Dimensional NMR，2D-NMR）更可靠、客觀地解析有機化合物的結構。當前很多一維譜數據的歸屬依賴于二維NMR實驗。二維譜的特點是將化學位移、耦合常數等核磁共振參數展開在二維平面上，這樣在一維譜中重疊在一個頻率坐標軸上的信號分別在兩個獨立的頻率坐標軸上展開，這樣不僅減少了譜線的擁擠和重疊，而且提供了自旋核之間相互作用的信息［2］。這些對推斷一維NMR圖中難以解析的復雜化合物結構具有重要作用，為化學、化工、藥學、生命科學、醫學和材料科學等領域提供了一種強有力的分析測試手段，發揮著越來越重要的作用［3-10］。為了開拓學生的專業視野，將核磁共振波譜儀引入到研究生的儀器分析實驗課程中。雖然已經有些高校開展了核磁實驗教學工作且相關的實驗教學設計已經被報道［11-12］，但基于2D-NMR技術的實驗教學設計并未見相關報道。二維NMR 技術對于確定化合物的結構及1H和13C-NMR信號峰的歸屬非常有效，因此本實驗以對碘苯甲酸乙酯為分析對象，采用核磁共振氫譜（1H-NMR）、氫-氫相關譜（1H-1H COSY）、核磁共振碳譜（13C-NMR 和DEPT135）、氫-碳異核單量子相關譜（1H-13C HSQC）、氫-碳異核多鍵相關譜（1H-13C HMBC）對其結構進行完整解析。對碘苯甲酸乙酯雖然結構簡單卻很典型，含有伯、仲、叔和季4 種不同類型的碳原子以及雜原子，有利于成為教學講解的模板化合物。這些舉措對于學生們后續的科學研究具有很好的指導意義，有助于培養學生的獨立解譜能力，也讓高校的大型儀器更好地服務于師生的科研和教學支撐工作。

1 實驗原理與儀器構造

NMR 是一種基于特定原子核在外磁場中吸收了與其裂分能級間能量差相對應的射頻場能量而產生共振現象的分析方法。NMR 譜儀主要由磁體、探頭、前置放大器、機柜、工作站組成，如圖1 所示。

圖1 核磁共振波譜儀的基本結構示意圖

（1）磁體。為超導磁體，產生NMR 躍遷所需的磁場。在磁體內腔壁與探頭之間裝有多組勻場線圈，通過調節各組線圈中的電流，使之產生的附加磁場抵消靜磁場的不均勻，保持磁場最大均勻性。

（2）探頭。是核磁共振波譜儀的關鍵部分，對樣品發射射頻脈沖和接收原子核發生共振吸收時的感應信號都是通過NMR 探頭中的線圈進行，還起到支撐樣品的作用。

（3）前置放大器。主要功能是放大樣品發生共振吸收時放射出的微弱信號。它被安置在磁體的旁邊以盡可能早對NMR 信號進行放大來減小在電纜傳輸中的衰減。另外，前置放大器也傳送和接收氘鎖場信號。

（4）機柜。主要有射頻（Radio Frequency，RF）發生器、檢測器和功放等模塊。RF發生器系統內的各個單元分別負責激發樣品的射頻脈沖的產生以及放大、數字化樣品放射出的NMR 信號。當數據被接收和數字化后，信息被傳輸到計算機主機進行進一步的處理和儲存。功放單元激發NMR 樣品需要很大的信號振幅，功放單元放大從前一單元中產生的射頻脈沖信號。從功放輸出直接到高性能前置功放的電纜把射頻RF信號通過探頭傳給樣品。

（5）工作站。是操作控制臺，包括計算機主機、顯示器等輸出設備。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

儀器：1H NMR、13C NMR、DEPT135、1H-1H COSY、1H-13C HSQC 和HMBC 以及ROESY 譜均用Agilent DD2600 型核磁共振波譜儀（美國Agilent 公司）測定，以氘代二甲亞砜為溶劑，1H NMR 的觀測頻率為599. 77 MHz，13C NMR 的觀測頻率為150. 83 MHz，1H-1H COSY實驗譜寬為6648.9 Hz，采樣數據點陣圖t2×t1＝1024 ×256，1H-13C HSQC 實驗中13C譜寬為30165.9 Hz，采樣數據點陣t2×t1＝1024 ×256，1H-13C HMBC實驗中13C 譜寬為36199.1 Hz，1H譜寬為9615.4 Hz，采樣數據點陣t2×t1＝1024 ×256。

試劑：氘代二甲亞砜購自青島騰龍微波科技有限公司，實驗中的對碘苯甲酸乙酯由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，經HPLC 測試純度大于98%。所有試劑均為分析純。

2.2 樣品制備

稱取對碘苯甲酸乙酯樣品約30 mg，加入氘代二甲亞砜0.6 mL，使其完成溶解，轉移到φ5 mm核磁管中待測。

2.3 實驗流程

NMR實驗操作流程如圖2 所示。

圖2 NMR實驗操作流程

3 實驗結果與討論

教學實驗必須具有理論依據明確、操作步驟簡便、結果穩定、再現性高等特點［13］。為了達到上述要求，選取結構簡單且典型的化合物對碘苯甲酸乙酯樣品的一維氫譜（1H譜）、碳譜（13C 譜和DEPT135 譜）、二維相關譜（1H-1H COSY 譜、1H-13C HSQC 譜和HMBC譜）做了深入細致的探討。

3.1 對碘苯甲酸乙酯結構分析

對碘苯甲酸乙酯含有伯、仲、叔和季4 種不同類型的碳原子，是一個有代表性結構的化合物。如圖3 所示，實驗中采集了對碘苯甲酸乙酯的一維氫譜（1H譜）、碳譜（13C譜和DEPT135 譜）、二維相關譜（1H-1H COSY譜、1H-13C HSQC 譜和HMBC 譜），并對譜圖進行了詳細解析。

圖3 對碘苯甲酸乙酯的結構式

3.2 對碘苯甲酸乙酯譜圖解析

（1）對碘苯甲酸乙酯的1H NMR 和1H-1H COSY譜分析。首先，在對碘苯甲酸乙酯的1H NMR譜中，以氘代DMSO為溶劑，顯示有6 組質子信號，共9 個質子，δ2.51 為溶劑DMSO質子信號，δ3.34 為水的信號，如圖4 所示，由高場到低場，積分面積比為3 ∶2 ∶2 ∶2；1H-1H COSY譜可獲得化學鍵上相鄰氫原子的偶合信息，如圖5 所示，高場區有一個自旋系統，δ1. 32 與δ4.31 存在交叉峰，J＝7.2 Hz，構成A3M2五旋系統。觀察分析峰型，δ1. 32 處呈現三重峰，δ4.31 處呈現四重峰，按照2nI+1 規律，結合化學位移可以判斷出這兩組峰位于末端的CH2CH3基團片段。

圖4 對碘苯甲酸乙酯的1H NMR譜圖

（2）對碘苯甲酸乙酯的13C NMR 和DEPT135 譜分析。類似地，對碘苯甲酸乙酯的13C NMR 譜顯示樣品分子有7 組碳原子信號，分子中含有9 個碳，其中2個等性碳原子在同一位置出峰；DEPT135 譜顯示出3組伯碳或叔碳，1 組仲碳和3 組季碳，如圖6 所示。然而，詳盡歸屬NMR 數據需要結合二維NMR 譜，特別是HSQC和HMBC譜。

（3）對碘苯甲酸乙酯的2D NMR 譜圖綜合分析。通過以上對碘苯甲酸乙酯的1H-NMR 和1H-1H COSY譜可知，根據化學位移、峰型及峰面積的特征可判斷δ1. 32 與δ4.31 分別是對應CH3（H-3）和CH2（H-2）基團。由1H-13C HSQC 譜（見圖7）可知，δ1.32（H-3）與C δ（17.20）有碳-氫一鍵相關，可判斷δ（17.20）為C-3，同理可推出δ（64.06）為C-2。1H-13C HMBC譜（見圖8）顯示，δ4.31（H-2）與δ168.40 和δ17.20（C-3）存在遠程相關，結合化學環境可判斷δ168.40 為C-1，因受酯基吸電子作用影響C-1 化學位移處于較低場。1H-13C HMBC譜顯示，δ（168.40）（C-1）與Hδ 4.31（H-2）和δ7.71 存在遠程相關，可判斷δ 7.71 為H-5；HSQC譜可知，δ7.71（H-5）與C δ133.85 有碳-氫一鍵相關，可判斷δ133.85 為C-5；1H-13C HMBC譜顯示，δ7.71（H-5）與δ104.70 和δ168.40（C-1）存在遠程相關，結合化學環境可判斷δ104.70 為C-7，由于碘的重原子效應使其化學位移向高場大幅度移動［14，15］，故相對于其他季碳原子處于最高場。

圖7 對碘苯甲酸乙酯的1H-13C HSQC譜圖

圖8 對碘苯甲酸乙酯的1H-13C HMBC譜圖

再者1H-1H COSY 譜顯示，δ7.71（H-5）與δ7.92存在耦合相關，可判斷δ7.92 為H-6；HSQC 譜可知，δ7.92（H-6）與Cδ140.79 有碳-氫一鍵相關，可判斷δ140.79 為C-6；1H-13C HMBC譜顯示，δ7.92（H-6）與δ132.42 存在遠程相關，結合化學環境可判斷δ132.42為C-4。

3.3 對碘苯甲酸乙酯譜圖歸屬總結

綜上所述，根據對碘苯甲酸乙酯的核磁共振1H-1H COSY譜、1H-13C HSQC 和HMBC、ROESY 譜及其1H譜、13C 譜解析，并對對碘苯甲酸乙酯的HMBC相關譜的關鍵信號進行標示，如圖9 所示?；衔飳Φ獗郊姿嵋阴シ肿又械奶細錃w屬結果列于表1。

表1 對碘苯甲酸乙酯的13C NMR譜、DEPT譜、1H NMR譜、COSY譜、HSQC譜和HMBC譜歸屬

圖9 對碘苯甲酸乙酯的HMBC相關譜的關鍵信號圖

4 結語

為了開拓學生的專業視野，我系將大型儀器核磁共振波譜儀NMR引入到研究生的儀器分析實驗課程中。根據樣品的結構類型，本實驗選擇對碘苯甲酸乙酯實驗進行NMR二維核磁共振波譜分析。本實驗過程中，學生可以自主使用NMR 波譜大型儀器對樣品進行測試分析，根據樣品對碘苯甲酸乙酯分子的二維核磁共振1H-1H COSY譜、1H-13C HSQC譜歸屬了全部碳氫信號；1H-13C HMBC 譜顯示出碳氫遠程相關耦合的異核相關信息，進一步證實了碳氫信號的歸屬，各譜圖歸屬合理，根據以上分析結果確證了對碘苯甲酸乙酯的化學結構。這使他們有效地掌握了相關測試手段，也讓大型儀器全面支撐研究生教學，進一步提高了分析儀器的利用率。