核磁共振实验技术和方法(清华)

http://met.fzu.edu.cn/etconline/08/09/001/01/00001/index.html清华大学教学软件库核磁共振实验方法和技术6.3.1样品的制备在测试样品时，选择合适的溶剂配制样品溶液，样品的溶液应有较低的粘度，否则会降低谱峰的分辨率。若溶液粘度过大，应减少样品的用量或升高测试样品的温度（通常是在室温下测试）。当样品需作变温测试时，应根据低温的需要选择凝固点低的溶剂或按高温的需要选择沸点高的溶剂。对于核磁共振氢谱的测量，应采用氘代试剂以便不产生干扰信号。氘代试剂中的氘核又可作核磁谱仪锁场之用。以用氘代试剂作锁场信号的"内锁"方式作图，所得谱图分辨率较好。特别是在微量样品需作较长时间的累加时，可以边测量边调节仪器分辨率。对低、中极性的样品，最常采用氘代氯仿作溶剂，因其价格远低于其它氘代试剂。极性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。针对一些特殊的样品，可采用相应的氘代试剂：如氘代苯（用于芳香化合物、芳香高聚物）、氘代二甲基亚砜（用于某些在一般溶剂中难溶的物质）、氘代吡啶（用于难溶的酸性或芳香化合物）等。对于核磁共振碳谱的测量，为兼顾氢谱的测量及锁场的需要，一般仍采用相应的氘代试剂。为测定化学位移值，需加入一定的基准物质。基准物质加在样品溶液中称为内标。若出于溶解度或化学反应性等的考虑，基准物质不能加在样品溶液中，可将液态基准物质（或固态基准物质的溶液）封入毛细管再插到样品管中，称之为外标。对碳谱和氢谱，基准物质最常用四甲基硅烷。6.3.2记录常规氢谱的操作记录氢谱是单脉冲实验，即在一个脉冲作用之后，随即开始采样。为使所得谱图有好的信噪比，检测时需进行累加，即重复上述过程。由于氢核的纵间弛豫时间一般较短，重复脉冲的时间间隔不用太长。对于一些化合物，要设置足够的谱宽。羧酸、有缔合的酚、烯醇等的化学位移范围均可超过10ppm。如设置的谱宽不够大，-OH、-COOH的峰会折叠进来，给出错误的δ值。在完成记录氢谱谱图的操作之后，随即对每个峰组进行积分，最后所得的谱图含有各峰组的积分值，因而可计算各类氢核数目之比。若怀疑样品中有活泼氢（杂原子上连的氢）时，可在作完氢谱之后，滴加两滴重水，振荡，然后再记谱，原活泼氢的谱峰会消失，这就确切地证明了活泼氢的存在（参阅6.3.6）。当谱线重叠较严重时，可滴加少量磁各向异性溶剂（如氘代苯），重叠的谱峰有可能分开。也可以考虑用同核去耦实验来简化谱图（请参6.3.5）。6.3.3记录常规碳谱的操作常规碳谱为对氢进行去耦的谱图。各种级数的碳原子（CH3，CH2，CH，C）均只出一条未分裂的谱线。由于各种碳原子的纵间弛豫时间有很大的差别以及核的Overhauser效应，谱线的高度（严格讲是谱线的峰面积）和碳原子的数目不成正比，但也可从谱线高度估计碳原子的数目。记录常规碳谱是单脉冲实验，即在一个脉冲作用之后，随即开始采样。由于碳谱的灵敏度远比氢谱为低，记录碳谱必须进行累加。由于碳原子的纵向弛豫时间长，重复脉冲的时间间隔还不能太短，否则纵向弛豫时间长的碳原子出峰效率差。在特殊的作图条件下，季碳原子的峰有可能漏掉。因此该时间间隔不可太短。有时需要定量碳谱，即谱峰面积（近似看是谱线高度）和碳原子数成正比。减少脉冲倾倒角并加大重复脉冲的时间间隔，可逐渐向定量碳谱转变。但要记录较好的定量碳谱，需采用特定的脉冲序列。在记录碳谱时，需设置足够的谱宽，以防止峰的折叠现象。由于常规碳谱不能反映碳原子的级数，而这对推导未知物结构或进行结构的指认是不利的，因而必须予以补充。早期多采用偏共振去耦，自80年代以后，陆续采用各种脉冲序列，最常用的叫做DEPT。DEPT脉冲序列中有一个脉冲，其偏转角为θ。当θ=90°时，只有CH出峰，当θ=135°时，CH，CH3出正峰，CH2出负峰，这两张谱图的结合，可指认出CH，CH2和CH3。对比全去耦谱图，则可知季碳（它们在DEPT谱中不出峰），于是所有碳原子的级数均可确定。6.3.4记录二维核磁共振谱关于二维核磁共振谱的概念和应用，请参阅后面的6.6。在进行二维核磁共振实验时，必须采用一定的脉冲序列。不同的脉冲序列得到不同的二维核磁共振谱，它们各自有其不同的功效和应用。在每种二维谱脉冲序列中，都有一个时间变量，通常称为t1。例如，t1可能是某两个脉冲之间的时间间隔。在进行二维核磁共振实验时，t1是逐渐变化的，即：（6.18）式中：t0为一个微秒级常数，由仪器决定；为t1的增量；n为正整数，n=0,1,2…。n的多少决定了二维核磁共振谱F1()维的分辨率。F1或维是二维核磁共振谱的垂直方向。常用的n的数值为128或256，特殊时可到512。t1是从t0开始然后逐渐增加的。对每一个t1数值，还可能进行相循环，即进行若干次采样（最多可达16次），然后相加。经相循环（若干次采样相加）可提高信噪比。然而，当样品浓度足够大时，为选出所需的信号，相循环仍是不可少的。如果核磁共振谱仪配有脉冲-场梯度装置，样品浓度又足够大，就不用相循环了。此时对每一个t1，只进行一次采样，因而可大大缩短记录二维核磁共振谱所需的时间。当样品浓度不够大时，在每一个t1，均需进行采样的累加，如采用相循环，这二者就结合进行了。在所设定的n个t1采样都结束以后，需进行两次傅里叶变换，最后得到二维核磁共振谱。这个过程如图6.7所示。下面对图6.7作一说明。在脉冲序列结束之后的采样时间称为t2。图6.7(a)中从左到右为t2增大的方向，曲线簇从下到上为t1增大的方向。在采样结束之后我们得到的是时域信号（a）。我们先暂把t1作为非变量，对t2进行傅里叶变换，我们得到(b)。在(b)中从左到右的曲线是频域谱。从下到上的若干条频谱曲线仍形成一个曲线簇。如果在(b)的右端作一截面，从右端(t1)的方向来看是一正弦曲线，因而可以再进行傅里叶变换，这是第二次傅里叶变换，是对t1进行，于是得到(c)。在(c)中从左到右是频率座标，从下到上也是频率座标，这就是一张二维核磁共振谱了。所以我们知道二维核磁共振谱的两个变量都频率，具体是哪两个频率，由具体是哪种二维核磁共振谱来定。6.3.5多重共振为产生核磁共振，必须应用电磁波（即交变电磁场，对核磁共振起作用的是交变磁场）来照射样品，以供给能级跃迁所需的能量。通常将交变磁场记为B1，以与静磁场B0相区别。在此同时，我们可以用另一电磁波辐照某一官能团的某核种（或辐照所有官能团的某核种），该电磁波标记为B2，这时所记谱图会有一定的变化（峰形、裂距改变和峰面积改变等）。以同核自旋去耦为例，设有-CH2-CH3结构单元，CH3原应显示三重峰，现在若对CH2照射B2（B2具有足够大强度），CH2的两个氢核都在两个能级间快速跃迁，对CH3所产生的局部磁场平均为零，因此CH3只显现单峰。因同时应用B1和B2两个交变磁场，故称为双照射，亦称双共振。一般而论，无论采用几个交变磁场，均可称为多重照射或多重共振。应当指出的是，双照射是最常见的情况。当B2的功率不同及照射位置不同时，双共振有不同的实验现象（也就有不同的用途），分别有不同的名称，本书将最常用的双共振方法列于 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 6.2，并对谱图有改变者加以统一描述。表6.2常用的双共振名称实验现象主要用途同核自旋去耦（氢谱）谱线简化1．确定耦合体系2．简化谱图3．隐藏信号定位异核自旋全去耦异核对所观察核的耦合裂分被去除1．避免因耦合裂分产生的峰组相互（或部分）重叠。2．增强谱线强度偏共振去耦（碳谱）氢核对碳-13谱线的裂距缩短减轻因耦合裂分产生的峰组相互（或部分）重叠。选择性去耦某观察核谱峰变单峰，其余核同偏共振去耦确定某一对异核间的键合关系核Overhauser效应（NOE，包括同核及异核）峰面积增加（在照射核与观测核异号时，峰面积减小）确认某两核在空间的距离相近6.3.6动态核磁共振实验1．动态核磁共振实验动态核磁共振实验是核磁共振波谱学中有一定独立性的分枝。它以核磁共振为工具，研究一些动力学过程，得到动力学和热力学的参数。每种仪器有其相应的"时标"，相当于照相机快门速度。当自然界过程远快于仪器时标时，仪器测量的是一个平均结果；当自然界过程远慢于仪器时标时，仪器测量的结果不反映变化的全过程而只是一个瞬间的写照。时标的量纲为秒，频率的量纲为1/秒，即时标与频率互为倒数关系。从红外到紫外吸收光谱，电磁波频率范围为1012-1015Hz，核磁共振氢谱所用的电磁波频率约为108Hz，比前者低了几个数量级。从时标的角度看，核磁的时标比红外、紫外的时标长（慢）了几个数量级。实际情况还不止于此。高分辨核磁共振氢谱所研究的对象为溶液，经常所遇到的课题为分子内旋转、化学交换反应等。在这样的过程中，某些官能团的化学位移值有一定的变化。对固定的仪器来说，化学位移之差可以频率之差Δ来表示。对这样的动力学过程，实际时标为1/Δ，这已经相应于毫秒的数量级了。因此，很多动力学过程速度变化的范围相应于核磁共振的时标可从快过程到慢过程，即用核磁共振可以对这些过程进行全面的研究。动力学过程有若干种类，现以下述化合物为例来讨论受阻旋转。由于分子内C－N单键具有双键的性质，它不能自由旋转，N上两个甲基不是化学等价的，各自有其δ值，在室温下作图可以观察到两个峰。随着温度升高，阻碍C－N旋转的位叠（相当于化学反应中的活化能）起的作用相对减小，C－N旋转加快，在相对于时标快速旋转的情况下，两个甲基各自的平均效果是一样的，因此，当温度由低到高时，核磁信号有图6.9中从左至右的变化。从图6.9可以看到，在图的左端（相当低的的温度）或图的右端（相当高的温度），核磁信号都是尖锐的，中间部分信号则较钝。当两个宽的峰会合时，它们之间的凹处正好消失，这时的温度称作融合温度Tc。它是动力学核磁实验的一个重要参灵敏，由Tc可求出一些重要的动力学和热力学参数。构象互变，异构化反应，化学交换反应等过程都与上面所讲的受阻旋转类似。2．活泼氢（OH、NH、SH）的图谱前述内容不完全属于结构分析的范畴，但掌握其基本概念对核磁谱图的分析是必要的。当存在着快速交换反应时，如：RCOOH(a)+HOH(b)RCOOH(b)+HOH(a)有相应的计算值的公式：(6.19)式中为观测到活泼氢的平均的化学位移值；Na、Nb分别为(a)、(b)两种活泼氢的摩尔分数；、分别为(a)、(b)两种活泼氢的δ值。从(6.19)式可知，以上述的羧酸水溶液为例，如均为快交换反应，其核磁谱图并不显示纯水或纯羧酸的信号，而是观察到一个综合的、平均的活泼氢信号。当体系存在多种活泼氢时，如样品分子既含羧基，也含胺基或羟基时，其核磁谱图也只显示一个综合的，平均的活泼氢信号。此时(6.19)式演变为：(6.20)式中Ni为第i种活泼氢的摩尔分数；为第i种活泼氢的δ值。-OH、-NH、-SH是常见的活泼氢基团，其交换速度的顺序为OH>NH>SH（巯基在一般条件下不显示快交换反应）。当它们进行快速交换反应时，除有由（6.20）式所示的一个"表观"的化学位移外，由于快速交换反应的存在，活泼氢和相邻的含氢基团的谱线都不再存在它们之间的耦合分裂现象。这两点在解析谱图时是应加以注意的。由于活泼氢可被交换，因此，怀疑样品含活泼氢时，在作完核磁氢谱之后，加几滴重水并振荡，羟基、胺基的氢即被氘取代。再作图时，如发现原图中某些峰消失，即确认了活泼氢的存在。这是一种可靠的鉴定活泼氢的方法。二维核磁共振谱二维核磁共振谱的出现和发展，是核磁共振波谱学的最主要里程碑。核磁共振的最重要用途为鉴定有机化合物结构，二维核磁共振谱的应用，使鉴定结构更客观、可靠，而且大大地提高了所能解决问题的难度和增加了解决问题途径。二维核磁共振谱的种类很多。在此不可能一一介绍。我们在这里仅讨论最重要的几种。所有的二维核磁共振谱均要采用脉冲序列，其原理的分析更需大量篇幅，对以上内容感兴趣的读者，可阅读参考文献[1]。从二维核磁共振又可延伸至三维或更高维核磁共振谱，它们主要用于生物学（蛋白质）的研究。6.6.1同核位移相关谱同核位移相关谱是最重要的一类二维核磁共振谱，使用最为频繁。最常用的同核位移相关谱称为COSY（correlatedspectrosopy）。COSY的图形为正方形，或在纵向略加压缩而成为矩形。该图的上方有一氢谱与之对应，图的侧面也可能有一氢谱与之对应。COSY谱中有一条对角线，常见的为左低右高。对角线上有若干峰组，它们和氢谱的峰组一一对应。这些峰称为对角线峰或自动相关峰，它们不提供耦合信息。对角线外的峰组称为交叉峰或相关峰，它反映两峰组之间的耦合关系。通过任一交叉峰组作垂线，会与(一对角线峰组)及上方氢谱中的一个峰组相交，此峰组是参与耦合的一个峰组。仍通过该交叉峰作水平线，会与一对角线峰组相交，通过后者作垂线，会与氢谱中的另一峰组相交，此峰组则是参与耦合的另一峰组。因此从任一交叉峰即可确定相应的两峰组之间的耦合关系，我们完全不用管（一维）氢谱中的峰形。COSY主要反映相距三根键的氢（邻碳氢）的耦合关系，跨越两根键的氢（同碳氢）或耦合常数较大的长程耦合也可能被反映出来。交叉峰是沿对角线对称分布的，因而只分析对角线一侧的交叉峰即可。COSY的具体例子如图6.13所示。该图的解释请参阅6.7.1.2。有好几种二维核磁共振谱和COSY相近，请阅参考文献[1]。这里只简单介绍一下COSYLR。它显示长程耦合的相关。在通常的（一维）氢谱中，长程耦合常只能表现为谱峰半高宽的稍微增加，表露是不明显的。现以交叉峰的形式出现，自然就明显多了。6.6.2异核位移相关谱异核位移相关谱把氢核和与其直接相连的其它核关联起来。有机化合物以碳原子为骨架，因此异核位移相关谱主要就是H,C-COSY。H,C-COSY的谱图呈矩形。水平方向刻度为碳谱的化学位移，该化合物的碳谱置于此矩形的上方。垂直方向刻度为氢谱的化学位移，该化合物的氢谱置于此矩形的左侧。矩形中出现的峰称为相关峰或交叉峰。每个相关峰把直接相连的碳谱谱线和氢谱峰组关联起来。季碳原子因其上不连氢因而没有相关峰。如一碳原子上连有两个化学位移值不等的氢核，则该碳谱谱线对着两个相关峰。因此，这样的碳一定是CH2。从一般情况来看，H,C-COSY结合氢谱的积分值，每个碳原子的级数（CH3，CH2，CH，C）都能确定。由于碳谱的分辨率高，若有几个氢谱峰组化学位移值相近，有一定的重叠，它们在H,C-COSY中可分开。这对COSY（或进一步明确为H，H-COSY）的分析是大有裨益的。H,C-COSY的例子如图6.14所示。该图的解析请参阅7.6.1.2。H,C-COSY确定直接相连的C，H的相关。也有确定C，H长程耦合的异核位移相关谱。常用之一为COLOC，它显示跨越两、三根键的碳、氢耦合关系。这对于推断包含季碳原子的未知物的结构至关重要，我们将在6.6.1.2中进一步讨论。不论是H,C-COSY还是COLOC，检测的核种是13C，由于13C的磁旋比为1H的1/4，加之同位素天然丰度仅1.1%，因此灵敏度很低。为提高异核位移相关谱的检测灵敏度，可以利用反向模式探头。这时检测的是1H核，但仍得到13C和1H的相关。与H,C-COSY对应的是HMQC或HSQC。与COLOC对应的是HMBC。在这样的二维谱中，水平方向刻度为氢谱的化学位移，垂直方向的刻度为碳谱的化学位移。垂直方向的分辨率比水平方向要低得多，因此当样品有足够的量时，还是采用H,C-COSY，COLOC较好。6.6.3总相关谱总相关谱（TotalCorrelationSpectroscopy,TOCSY）把COSY的作用延伸，从任一氢的峰组可以找到与该氢核在同一耦合体系的所有氢核的相关峰。这对于研究包含几个自旋耦合体系的化合物特别有用，因TOCSY可把几个体系相互区别。TOCSY的外型与COSY相似，但交叉峰的数目大大增加。另可见到HOHAHA(HomonuclearHartmann-HahnSpectroscopy)这一名称的二维核磁共振谱。它的基本原理与TOCSY相近，作用则完全相同。6.6.42DINADEQUATEINADEQUATE是incrediblenaturalabundancedoublequantumtransferexperiment的缩写，它确定碳原子的连接顺序。它测定的是13C－13C之间的耦合。13C的同位素丰度是1.1％，因而两个13C相连的几率就近似为1／10000了，因此这是一个很弱的信号。最先发展起来的是一维的INADEQUATE，它有若干缺点，后来发展为二维的INADEQUATE，即2DINADEQUATE。在这样的二维谱中，横座标刻度（ω2）为碳谱化学位移，在该谱上方有常规碳谱。纵座标为双量子频率ω1，在2DINADEQUATE谱中有一条ω1＝2ω2的准对角线。所有耦合的（相邻的）一对碳-13核会在同一水平线上（ω1相同），左右对称地处于准对角线的两侧，且ω2分别等于它们的δ值处有相关峰。据此可以找出相邻的两碳原子，进而可以连出整个分子的碳原子骨架。采用微量样品管，魔角旋转，特殊软件，2DINADEQUATE的用样量及累加时间可大大减少。以上我们讨论了与鉴定有机物结构最密切相关的四类二维核磁共振谱。其它类别的二维谱均从略。值得一提的是记录NOE效应的一类二维谱，它们常用于蛋白质分子的研究，对确定有机化合物立体结构也有很大帮助，本书因篇幅所限，从略。核磁共振的应用核磁共振的应用面越来越广，发挥着越来越重要的作用。作为我们最关心的、将在后面重点讨论的是用于鉴定有机化合物结构。值得一提的是现已有可移动的核磁共振波谱仪，它可按需要移动到不同位置进行测试。核磁共振在医学上日益受人重视（常称为磁共振成象，MRI），它比CT具有更高的分辨率并可使病人免受X射线照射。小型台式核磁共振谱可用于测定粮食中的水份，含油量……在生物学领域，核磁共振更越来越受到青睐，它使蛋白质分子在水溶液中的构象研究成为可能。这是推动磁共振波谱仪往更高频率发展的重要推动力之一。6.7.1核磁共振用于鉴定有机化合物结构自从70年代后期以来，核磁共振成为鉴定有机化合物结构的最重要工具。这是因为核磁共振可提供多种一维．二维谱，反映了大量的结构信息。再者，所有的核磁共振谱具有很强的规律性，可解析性最强。以上两点是任何其它谱图（质谱、红外、拉曼、紫外等）所无法相比的。6.7.1.1基于常规（一维）核磁共振谱推导有机化合物结构对于结构较简单的有机化合物，利用其氢谱、碳谱、再结合其分子式（甚至仅知低分辨的分子量）便可推导出结构。对于结构相当简单的有机化合物，仅利用氢谱和其分子式，便可能推出其结构。分析氢谱有如下的步骤。(1)区分出杂质峰、溶剂峰、旋转边带。杂质含量较低，其峰面积较样品峰小很多，样品和杂质峰面积之间也无简单的整数比关系。据此可将杂质峰区别出来。氘代试剂不可能100％氘代，其微量氢会有相应的峰，如CDCl3中的微量CHCl3在约7.27ppm处出峰。边带峰的区别请阅6.2.1。(2)计算不饱和度。不饱和度即环加双键数。当不饱和度大于等于4时，应考虑到该化合物可能存在一个苯环（或吡啶环）。(3)确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目，对氢原子进行分配。根据积分曲线，找出各峰组之间氢原子数的简单整数比，再根据分子式中氢的数目，对各峰组的氢原子数进行分配。(4)对每个峰的δ、J都进行分析。根据每个峰组氢原子数目及δ值，可对该基团进行推断，并估计其相邻基团。对每个峰组的峰形应仔细地分析。分析时最关键之处为寻找峰组中的等间距。每一种间距相应于一个耦合关系。一般情况下，某一峰组内的间距会在另一峰组中反映出来。通过此途径可找出邻碳氢原子的数目。当从裂分间距计算J值时，应注意谱图是多少兆周的仪器作出的，有了仪器的工作频率才能从化学位移之差Δδ(ppm)算出Δν(Hz)。当谱图显示烷基链3J耦合裂分时，其间距（相应6－7Hz）也可以作为计算其它裂分间距所对应的赫兹数的基准。(5)根据对各峰组化学位移和耦合常数的分析，推出若干结构单元，最后组合为几种可能的结构式。每一可能的结构式不能和谱图有大的矛盾。(6)对推出的结构进行指认。每个官能团均应在谱图上找到相应的峰组，峰组的δ值及耦合裂分（峰形和J值大小）都应该和结构式相符。如存在较大矛盾，则说明所设结构式是不合理的，应予以去除。通过指认校核所有可能的结构式，进而找出最合理的结构式。必须强调：指认是推结构的一个必不可少的环节。如果未知物的结构稍复杂，在推导其结构时就需应用碳谱。在一般情况下，解析碳谱和解析氢谱应结合进行。从碳谱本身来说，有一套解析步骤和方法。核磁共振碳谱的解析和氢谱有一定的差异。在碳谱中最重要的信息是化学位移δ。常规碳谱主要提供δ的信息。从常规碳谱中只能粗略的估计各类碳原子的数目。如果要得出准确的定量关系，作图时需用很短的脉冲，长的脉冲周期，并采用特定的分时去耦方式。用偏共振去耦，可以确定碳原子的级数，但化合物中碳原子数较多时，采用此法的结果不完全清楚，故现在一般采用脉冲序列如DEPT。碳谱解析步骤如下：(1)鉴别谱图中的真实谱峰①溶剂峰氘代试剂中的碳原子均有相应的峰，这和氢谱中的溶剂峰不同（氢谱中的溶剂峰仅因氘代不完全引起）。幸而由于弛豫时间的因素，氘代试剂的量虽大，但其峰强并不太高。常用的氘代氯仿呈三重峰，中心谱线位置在77.0ppm。②杂质峰可参考氢谱中杂质峰的判别。③作图时参数的选择会对谱图产生影响。当参数选择不当时，有可能遣漏掉季碳原子的谱峰。(2)由分子式计算不饱和度(3)分子对称性的分析若谱线数目等于分子式中碳原子数目，说明分子无对称性；若谱线数目小于分子式中碳原子的数目，这说明分子有一定的对称性，相同化学环境的碳原子在同一位置出峰。(4)碳原子δ值的分区碳谱大致可分为三个区：①羰基或叠烯区δ＞150ppm，一般δ＞165ppm。δ＞200ppm只能属于醛、酮类化合物，靠近160－170ppm的信号则属于连杂原子的羰基。②不饱和碳原子区（炔碳除外）δ＝90－160ppm。由前两类碳原子可计算相应的不饱和度，此不饱和度与分子不饱和度之差表示分子中成环的数目。③脂肪链碳原子区δ＜100ppm。饱和碳原子若不直接连氧、氮、氟等杂原子，一般其δ值小于55ppm。炔碳原子δ＝70－100ppm，其谱线在此区，这是不饱和碳原子的特例。(5)碳原子级数的确定由偏共振去耦或脉冲序列如DEPT确定。由此可计算化合物中与碳原子相连的氢原子数。若此数目小于分子式中氢原子数，二者之差值为化合物中活泼氢的原子数。(6)结合上述几项推出结构单元，并进一步组合成若干可能的结构式。(7)进行对碳谱的指认，通过指认选出最合理的结构式，此即正确的结构式。以上我们分别介绍了氢谱的解析和碳谱的解析。需再次强调的是：在一般情况下，需把这两者的解析结合起来。通过这两者谱图解析，找出若干结构单元，进而组合成若干可能的结构式。通过对氢谱和碳谱的指认，选出最合理的结构式，此即正确的结构式。无论是在推结构时还是在指认时，我们应特别注意氢谱的峰形分析，在大部分情况下，峰形分析比δ值的分析更为可靠。因此当二者有矛盾时，作者建议首先考虑峰形分析的结果。下面为谱图解析举例。未知物分子式为C11H12ON2，其氢谱及碳谱如图6.15(a)、(b)所示。试推出该未知物结构。解：氢谱积分曲线从低场到高场显示各种氢原子数目之比为1:2:2:2:3:2，再结合各峰组的δ值及峰形，氢谱从低场到高场对应的官能团为：醛基，对位取代苯环、－CH2－CH2－、及－C－CH3（自旋去耦实验证明二个CH2相连）。结合全去耦及偏共振去耦碳谱，可看出上述官能团的存在，但碳谱的苯环区多出一个单峰。苯环及醛基有5个不饱和度，而从分子式计算有7个不饱和度，3个饱和碳原子又不可能成环，而分子又含氮，明显地，该未知物存在腈基，它的谱线正好在碳谱的不饱和碳原子区。存在腈基也使7个不饱和度的要求得到满足。碳谱醛基的信号在190.5ppm，明显地低于饱和醛的δ值，因此醛基应与不饱和键相连，对本题来讲，只能是与苯环相连（若与腈基相连则造成结构封闭）。由上所述，该未知物所含的结构单元为：上述结构单元与分子式相比，还余一个N原子。由上述结构单元，只能组成两种可能的结构：（a）（b）从碳谱152ppm的单峰可排除(b)，因CHO或CH2的取代都不可能产生δ高达152ppm的谱线。因此未知物结构为(a)。从指认的合理性可进一步肯定结构(a)的正确性。6.7.1.2基于二维核磁共振谱推导有机化合物结构利用二维核磁共振谱，可以得到比氢谱、碳谱远为丰富的结构信息，因而可解决更复杂的结构问题。采用二维核磁共振谱也包括常规的氢谱，碳谱，因它们总附于二维谱上方及侧面。事实上，在作二维谱之前必须先作一维谱。用二维核磁共振谱推导结构在大多数情况下也需要质谱的数据，至少是低分辨质谱的数据。基于二维核磁共振谱推导未知物结构可归纳为三套方法，简述如下。一、以位移相关谱为核心推导未知物结构这是目前应用最多，也是发展最成熟的方法。本书重点介绍这种方法。1.确定未知物中所含碳氢官能团结合氢谱、碳谱、DEPT，H,C-COSY可以知道未知物中所含的所有碳氢官能团及它们在何处出峰。2.确定未知物中各耦合体系由于COSY可反映所有邻碳氢的耦合关系，因而从COSY的交叉峰可以把耦合关系一个个找出来。即从耦合体系的一起点开始，依次找到邻碳氢，直至最后一个邻碳氢。耦合体系终止于季碳或杂原子。3.确定未知物中季碳原子的连接关系季碳原子上不直接连氢，因此COSY上没有与其对应的交叉峰。要把季碳原子和别的耦合体系连接起来需要COLOC或HMBC。4.确定未知物中的杂原子，并完成它们的连接从碳谱、氢谱有可能确定杂原子的存在形式，如―C≡N，―C=N―，―OH，―OCH3等。从δc，δH的数值，可判断碳氢官能团与杂原子的连接关系。从碳-氢长程相关谱可确定杂原子与碳氢官能团之间的连接，因碳-氢长程耦合可跨过杂原子。5.通过对谱图的指认来核实结构二、以2DINADEQUATE为核心推导未知物结构从2DINADEQUATE可以确定未知物中所有碳原子的连接关系。再按前述原则把杂原子加进去，未知物的结构就完整了。以这种方法所得结构的准确性是很高的。随着谱仪的进步及有关技术，专用探头和软件的应用，它的应用将不断推广。三、以HMQC-TOCSY为核心推导未知物结构HMQC的作用相当于H,C-COSY，但样品的用量可大大减少。作TOCSY实验时，其中有个重要参数是等频混合时间。当它逐渐增长时（也就是说要作几次实验，得出对应不同等频混合时间的谱图），相关峰的数目逐渐增加，从某个碳原子或氢原子出发所找出的有耦合关系的碳、氢原子也就越来越多。用这样的方法，逐步得到未知物的结构。我们下面举例，说明以位移相关谱为核心推导未知物结构的方法。未知物分子式为C14H16O，其氢谱如图6.16所示，碳谱及DEPT如图6.17所示，COSY及H,C-COSY分别已在前面图6.13及6.14示出。试推导其结构。解：图6.17最下方为全去耦碳谱。注意在129ppm处有两条几近重叠的谱线，其δ值分别为128.89和129.12ppm。它们在谱图上仅显示出一条谱线。另两条谱线（126.25和126.59ppm）在谱图上可区分。在碳谱上一共有14条谱线，说明分子无任何对称性。在DEPT90°的谱图（图6.17中间谱图）可看见芳香区共6条谱线，说明有6个芳香区的CH。该谱脂肪区有几个小峰，这是由于耦合常数值不是完全理想的引起。DEPT135°的谱图（图6.17上部）中在那些位置上有很好的峰，因而可以判断它们不是CH，而是两个CH3（13.85,55.26ppm）和两个CH2（24.54，38.30ppm）。与全去耦碳谱相比，该化合物应包含4个季碳原子。最大δ值(157.09ppm)的谱线表明该碳原子应被氧原子取代。氢谱（图6.16）与碳谱完全呼应。这从该氢谱所总结出的下列表格可看出来。δ(ppm)0.9351.7382.7003.8167.0937.1077.2827.5237.651H原子数322311112峰形*1363112212*2*1指几重峰*2两个双峰重叠从分子式可计算出该未知物的不饱和度为7。从碳谱知该未知物无羰基。未知物在芳香区有10个碳原子，不饱和度又为7，因此应为一被取代的萘环。萘环上只有6个CH，说明是二取代。这个例子的氢谱峰形并不复杂，因而可从峰形推测耦合顺序。当未知物结物复杂时（特别是含脂环的分子），这条路就不行了。COSY则无需对峰形进行分析而得到确切的连接顺序。从图6.13我们可以清楚地看到CH3―CH2―CH2―(0.935)(1.738)(2.700)的连接顺序。3.816ppm的尖锐单峰则和其它氢无3J耦合关系，在芳香区我们可以看到如下的耦合关系：―CH―CH――CH―CH―(7.107)(7.651)(7.282)(7.651)综合以上分析，未知物仅有两种可能结构：AB这两种可能结构的进一步取舍，需要有COLOC的数据（现结构为A）。通过H,C-COSY,我们可以完成对碳谱的指认。以上关于氢谱的分析仅考虑了3J，即邻碳氢之间的耦合。4J，5J均未考虑。6.7.2核磁共振用于有机物定量分析前面一小节我们讨论了核磁共振用于有机化合物结构鉴定，是在定性方面的应用。这一小节我们将讨论核磁共振在定量方面的应用，主要是在一个混合物体系中确定各组份之间的相互比例。在核磁共振氢谱中，峰组面积和其对应的氢原子成正比。虽然通常在高场的峰面积比在低场的峰面积（相同氢原子数）稍大一点点，但仍不失为一种很好的定量方法。在核磁共振碳谱中，如采用特定的脉冲序列，减少脉冲倾倒角，增长脉冲之间的间隔，也可以达到较好的定量关系。对一个混合物体系来说，如果其中的每一个组份都能找到一个不与其它组份相重叠的氢谱峰组，我们就可以用氢谱来进行定量工作，因氢谱的灵敏度高，定量性好。如果在氢谱中不能满足上述的要求，我们就采用碳谱来定量，因为碳谱的分辨率高，很不容易发生谱线的重叠。当然，这时需作定量碳谱。需强调的是：核磁共振用于混合物中各组份的定量往往优于其它方法。相比于常用的有机定量方法GC和HPLC来说，核磁共振的定量可用于一些平衡体系中各组份的定量，如体系内共存酮式和烯醇式，顺式和反式。核磁共振能在难持平衡体系的条件下进行各组份的定量。再举一个例子。一种常用的非离子型表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚，其结构式为：在这样的产品中n为正整数。有一个分布，利用核磁共振氢谱的积分值可以方便地求出n的平均数。用别的方法则难以完成。6.7.3固体高分辨核磁共振谱本章前面所讨论的全限于液态样品（且要求低粘度）。在实际工作中，常要求用固态样品作图。一方面有些样品找不到任何溶剂以配制它们的溶液，如某些高聚物、煤；另一方面对某些样品，人们担心配制成溶液后结构会有一定的变化。如果按照通常的作图方法，用固态样品作图会得到很宽的谱线，得不到什么信息。产生这种现象主要有两个原因：第一是自旋核之间的偶极-偶极相互作用；第二是化学位移的各向异性。这两个原因都和分子在磁场中的取向有关。在液体试样中，分子在不断地翻滚，因此以上两种作用都被平均掉了。除上述谱线变宽的问题需解决以外，碳谱本身灵敏度低，受氢核的耦合将使谱线裂分（也就降低了信噪比），这亦需解决。作固体高分辨核磁共振谱的方法为交叉极化／魔角旋转法CP／MAS(CrossPolarization/MagicAngleSpinning)。实际上还包括对氢核去耦。交叉极化法涉及对脉冲作用的分析，不拟讨论，下面仅介绍魔角旋转。前面所提到的偶极-偶极相互作用及化学位移的各向异性，其数值的大小均包含（3cos2θ－1）项，θ是所讨论的两核连线和静磁场B0之间的夹角。如果我们取cos2θ=1／3（θ＝54°44ˊ），（3cos2θ－1）项为零，于是这样就可消除上述两项作用。54°44ˊ这个角度就叫做魔角。绕魔角旋转的速度是非常高的：液体试样旋转的速度是几十赫芝，固体试样绕魔角旋转的速度是几千赫芝，高出两个数量级还多。由于采用魔角旋转，磁铁间隙也需增大。采用CP／MAS方法已得出可供解析的、与液态试样分辩率相近的谱图。6.7.4核磁成象核磁成象是80年代发展起来的先进医疗诊断方法。它提供类似于X射线的CT的图象，但患者免受X射线的剂量且分辨率高，因而倍受青睐。前面所讨论的液态试样及固体试样测定的都是平均的结果。核磁成象测定的对象是氢核，需测出物体内部氢核在空间的分布（常以若干截面图表示出来），这样才可得出诊断信息（如某一部位患有肿瘤）。核磁成象的原理可结合图6.18来说明。设两支试管插在磁极之间(a)。磁力线方向为z轴方向，两根试管的z坐标不相同。为区别两支试管在z方向的不同位置，在静磁场B0之外，附加－个线性梯度磁场，由于后者的作用，两支试管内的样品所受磁场强度稍有差别（共振频率也就稍有差别）。因线性梯度场为已知，从两个共振频率可以知道两管的位置z1和z2(b)。同理，在x方向（图中为从前至后的方向）应用线性梯度磁场，可确定两试管在x轴上的坐标(c)。(b)和(c)的结合，得到（某一固定y值的）xz平面上成的象。图6.19人脑核磁成象纵向截面图NMRChemicalShiftsofCommonLaboratorySolventsasTraceImpuritiesHugoE.Gottlieb,*VadimKotlyar,andAbrahamNudelman*DepartmentofChemistry,Bar-IlanUniversity,Ramat-Gan52900,IsraelReceivedJune27,1997InthecourseoftheroutineuseofNMRasanaidfororganicchemistry,aday-to-dayproblemistheidentifica-tionofsignalsderivingfromcommoncontaminants(water,solvents,stabilizers,oils)inless-than-analyti-cally-puresamples.Thisdatamaybeavailableintheliterature,butthetimeinvolvedinsearchingforitmaybeconsiderable.Anotherissueistheconcentrationdependenceofchemicalshifts(especially1H);resultsobtainedtwoorthreedecadesagousuallyrefertomuchmoreconcentratedsamples,andrunatlowermagneticfields,thantoday’spractice.Wethereforedecidedtocollect1Hand13Cchemicalshiftsofwhatare,inourexperience,themostpopular“extrapeaks”inavarietyofcommonlyusedNMRsolvents,inthehopethatthiswillbeofassistancetothepracticingchemist.ExperimentalSectionNMRspectraweretakeninaBrukerDPX-300instrument(300.1and75.5MHzfor1Hand13C,respectively).Unlessotherwiseindicated,allwererunatroomtemperature(24(1°C).Fortheexperimentsinthelastsectionofthispaper,probetemperaturesweremeasuredwithacalibratedEurotherm840/Tdigitalthermometer,connectedtoathermocouplewhichwasintroducedintoanNMRtubefilledwithmineraloiltoap-proximatelythesamelevelasatypicalsample.Ateachtemperature,theD2Osampleswerelefttoequilibrateforatleast10minbeforethedatawerecollected.Inordertoavoidhavingtoobtainhundredsofspectra,wepreparedsevenstocksolutionscontainingapproximatelyequalamountsofseveralofourentries,choseninsuchawayastopreventintermolecularinteractionsandpossibleambiguitiesinassignment.Solution1:acetone,tert-butylmethylether,di-methylformamide,ethanol,toluene.Solution2:benzene,di-methylsulfoxide,ethylacetate,methanol.Solution3:aceticacid,chloroform,diethylether,2-propanol,tetrahydrofuran.Solution4:acetonitrile,dichloromethane,dioxane,n-hexane,HMPA.Solution5:1,2-dichloroethane,ethylmethylketone,n-pentane,pyridine.Solution6:tert-butylalcohol,BHT,cyclo-hexane,1,2-dimethoxyethane,nitromethane,siliconegrease,triethylamine.Solution7:diglyme,dimethylacetamide,ethyl-eneglycol,“grease”(engineoil).ForD2O.Solution1:acetone,tert-butylmethylether,dimethylformamide,ethanol,2-propanol.Solution2:dimethylsulfoxide,ethylacetate,ethyleneglycol,methanol.Solution3:acetonitrile,diglyme,dioxane,HMPA,pyridine.Solution4:1,2-dimethoxyethane,dimethylacetamide,ethylmethylketone,triethylamine.Solution5:aceticacid,tert-butylalcohol,diethylether,tetrahydrofuran.InD2OandCD3ODnitromethanewasrunseparately,astheprotonsexchangedwithdeuteriuminpresenceoftriethylamine.ResultsProtonSpectra(Table1).Asampleof0.6mLofthesolvent,containing1íLofTMS,1wasfirstrunonitsown.Fromthisspectrumwedeterminedthechemicalshiftsofthesolventresidualpeak2andthewaterpeak.Itshouldbenotedthatthelatterisquitetemperature-dependent(videinfra).Also,anypotentialhydrogen-bondacceptorwilltendtoshiftthewatersignaldown-field;thisisparticularlytruefornonpolarsolvents.Incontrast,ine.g.DMSOthewaterisalreadystronglyhydrogen-bondedtothesolvent,andsoluteshaveonlyanegligibleeffectonitschemicalshift.ThisisalsotrueforD2O;thechemicalshiftoftheresidualHDOisverytemperature-dependent(videinfra)but,maybecounter-intuitively,remarkablysolute(andpH)independent.Wethenadded3íLofoneofourstocksolutionstotheNMRtube.ThechemicalshiftswerereadandarepresentedinTable1.Exceptwhereindicated,thecouplingconstants,andthereforethepeakshapes,areessentiallysolvent-independentandarepresentedonlyonce.ForD2Oasasolvent,theacceptedreferencepeak(ä)0)isthemethylsignalofthesodiumsaltof3-(trimeth-ylsilyl)propanesulfonicacid;onecrystalofthiswasaddedtoeachNMRtube.Thismaterialhasseveraldisadvan-tages,however:itisnotvolatile,soitcannotbereadilyeliminatedifthesamplehastoberecovered.Inaddition,unlessonepurchasesitintherelativelyexpensivedeuteratedform,itaddsthreemoresignalstothespectrum(methylenes1,2,and3appearat2.91,1.76,and0.63ppm,respectively).Wesuggestthatthere-sidualHDOpeakbeusedasasecondaryreference;wefindthatiftheeffectsoftemperaturearetakenintoaccount(videinfra),thisisveryreproducible.ForD2O,weusedadifferentsetofstocksolutions,sincemanyofthelesspolarsubstratesarenotsignificantlywater-soluble(seeTable1).Wealsoransodiumacetateandsodiumformate(chemicalshifts:1.90and8.44ppm,respectively).CarbonSpectra(Table2).Toeachtube,50íLofthestocksolutionand3íLofTMS1wereadded.Thesolventchemicalshifts3wereobtainedfromthespectracontainingthesolutes,andtherangesofchemicalshifts(1)ForrecommendationsonthepublicationofNMRdata,see:IUPACCommissiononMolecularStructureandSpectroscopy.PureAppl.Chem.1972,29,627;1976,45,217.(2)I.e.,thesignaloftheprotonfortheisotopomerwithonelessdeuteriumthantheperdeuteratedmaterial,e.g.,CHCl3inCDCl3orC6D5HinC6D6.ExceptforCHCl3,thesplittingduetoJHDistypicallyobserved(toagoodapproximation,itis1/6.5ofthevalueofthecorrespondingJHH).ForCHD2groups(deuteratedacetone,DMSO,acetonitrile),thissignalisa1:2:3:2:1quintetwithasplittingofca.2Hz.(3)Incontrasttowhatwassaidinnote2,inthe13Cspectrathesolventsignalisduetotheperdeuteratedisotopomer,andtheone-bondcouplingstodeuteriumarealwaysobservable(ca.20-30Hz).Figure1.ChemicalshiftofHDOasafunctionoftempera-ture.7512J.Org.Chem.1997,62,7512-7515S0022-3263(97)01176-6CCC:$14.00©1997AmericanChemicalSocietyshowtheirdegreeofvariability.Occasionally,inordertodistinguishbetweenpeakswhoseassignmentwasambiguous,afurther1-2íLofaspecificsubstratewereaddedandthespectrarunagain.Table1.1HNMRDataprotonmultCDCl3(CD3)2CO(CD3)2SOC6D6CD3CNCD3ODD2Osolventresidualpeak7.262.052.507.161.943.314.79H2Os1.562.84a3.33a0.402.134.87aceticacidCH3s2.101.961.911.551.961.992.08acetoneCH3s2.172.092.091.552.082.152.22acetonitrileCH3s2.102.052.071.551.962.032.06benzeneCHs7.367.367.377.157.377.33tert-butylalcoholCH3s1.281.181.111.051.161.401.24OHcs4.191.552.18tert-butylmethyletherCCH3s1.191.131.111.071.141.151.21OCH3s3.223.133.083.043.133.203.22BHTbArHs6.986.966.877.056.976.