13C核磁共振波譜課件

13C核磁共振波譜13C

NuclearMagneticResonance

Spectrascopy(13CNMR)15.113CNMR的特點1．靈敏度低NMR的信號可用下式表示式中:S/N---信噪比（信號與噪聲的比值）

B0---磁場強度n---共振核數(shù)目γ---磁旋比I---自旋量子數(shù)T---熱力學溫度，單位為K。SN∝nB0γ3I(I+1)T2NMR是低靈敏度技術(shù)，碳譜的靈敏度比氫譜更低。原因:13C天然豐度低，只有12C的1.1%，1H的天然豐度為99.98%。即樣品中所有C只有1.1%是13C。由于分子數(shù)巨大，而原子的分布是隨機的，可認為分子中每個碳原子都有1.1%幾率是13C，這就可測得代表整個分子的13CNMR。3連續(xù)波NMR儀很難得到13CNMR譜.相同數(shù)目的1H核和13C核，同樣外磁場、溫度下測定。其信噪比為1:1.59×10-4，13CNMR靈敏度≈1HNMR的1/5800[1.1%×(1/4)3]13C核磁旋比γ很小，約是1H和的1/4。NMR信號靈敏度與γ3成正比。413C-NMR化學位移范圍大

-300ppm～600ppm從頭到尾掃描一次要很長時間，且13CNMR測定靈敏度低，信號弱，須累加多次13CNMR長時間未得到廣泛應用主要原因。CW-NMR是在核進動頻率范圍內(nèi)是用掃場或掃頻方式觀察NMR信號。1HNMR的化學位移范圍<15ppm，掃描時間較短。5有機化合物δ值范圍：1HNMR：0～15ppm(有時可達16ppm);13CNMR：250ppm

～

0ppm)是氫譜的近20倍2．分辯能力高結(jié)構(gòu)不對稱化合物、每種化學環(huán)境不同的碳原子通?？梢坏玫教卣鞯淖V線。6例:膽固醇1HNMR譜只能識別幾個甲基氫和低場的烯氫、羥基氫及與其相連碳上的氫。其余共振吸收在0.9～2.4ppm范圍重疊交錯，無法辯認。13CNMR譜得25條譜線，對判斷化合物結(jié)構(gòu)十分有利?；衔锝Y(jié)構(gòu)的細微變化可在碳譜上得到反映。7碳譜與氫譜的對比813C相對豐度僅1.1％，一般偶合機會極少，自身的自旋-自旋裂分實際不存在。但13C-1H核之間的偶合常數(shù)很大，如1JCH高達120-320Hz,13C的譜線會被與之偶合的氫按n+1規(guī)律裂分成多重峰，這種峰的裂分對信號的歸屬是有用的。但當譜圖復雜時，加上2JCCH、3JCCCH也有一定表現(xiàn)，偶合干擾使各種譜峰交叉重疊，譜圖難以解析。為提高靈敏度和簡化譜圖，可用質(zhì)子去偶技術(shù)控制。以最大限度獲取13CNMR信息。93．能給出不連氫碳的吸收峰；分辯伯、仲、叔碳、季碳、>C=O、-C≡C-、-C≡N、>C=C<等基團，在1HNMR中不能直接觀察，只能靠分子式幾對相鄰基團的δ值推斷。13CNMR譜均能給出各自的特征吸收峰.碳原子是構(gòu)成有機物基本元素，因此13CNMR譜可給出有關(guān)分子骨架結(jié)構(gòu)信息。

10近年來又發(fā)展了幾種區(qū)別碳原子級數(shù)(伯、仲、叔、季)的方法。往往分子中有幾個不同類C，就有幾組峰，能直接提供有機物碳骨架信息。

較之氫譜信息更豐富、結(jié)論清楚。114.不能用積分高度計算碳的數(shù)目13CNMR常規(guī)譜是質(zhì)子全去偶譜。對大多數(shù)碳，尤其是質(zhì)子化碳，信號強度由于去偶同時產(chǎn)生的NOE效應而大大增強。例：甲酸去偶譜與偶合譜相比，信號強度凈增近2倍。12由于碳核所處的環(huán)境和馳豫機制不同，NOE效應對不同碳原子信號強度影響差異很大，因此不等價原子數(shù)目不能通過常規(guī)共振譜的譜線強度來確定。例：季碳不與質(zhì)子相連，不能得到完全NOE效應，故碳譜中季碳信號都較弱。1314化合物中不同環(huán)境13C核，弛豫時間T1數(shù)值相差很大，可達2～3數(shù)量級，能被準確測定。5．弛豫時間T1可作化合物結(jié)構(gòu)鑒定波譜參數(shù)通過T1可指認結(jié)構(gòu)歸屬，窺測體系運動狀況等。從而有助于推斷結(jié)構(gòu)（弛豫時間的測量還有其它用途）。15

5.213CNMR的實驗方法及去偶技術(shù)5.2.113CNMR的實驗方法為提高信號的強度,常采用下述方法:(1)提高儀器靈敏度（FT-NMR應用）FT-NMR儀用脈沖發(fā)射，調(diào)節(jié)脈沖寬度及間隔，同時使樣品中不同核被激發(fā)。結(jié)果打破了玻耳茲曼平衡。為恢復平衡，各核通過各種方式弛豫。故在接收機中可得到一隨時間逐步衰減的信號(FID自由感應衰減信號，freeinduceddecay)，是各種核FID信號的疊加，包含了各種核的信息。16脈沖傅立葉變換(FT)NMR的過程如下:樣品B0核群處于玻耳茲曼平衡脈沖激發(fā)v=γB0/2π核躍遷弛豫得到FID信號,體系逐步恢復平衡17

(2)提高儀器外加磁場強度和射頻功率.但射頻場功率過大容易發(fā)生飽和現(xiàn)象,這兩條都受限制.(3)增大樣品濃度、體積，增加13C核數(shù)目.但體積增加受磁體之間空隙的限制,濃度增加又受樣品溶解度限制。所以測試13CNMR，盡可能配制較大濃度試樣溶液，使用直徑10或15mm核磁管測試。18（4）降低溫度可稍提高13CNMR靈敏度。但要注意某些化合物的13CNMR譜可能隨溫度而變化。（5）雖然碳譜不受溶劑中氫的干擾，但為兼顧氫譜的測定及鎖場需要，仍常采用氘代試劑作溶劑。19(6)采用雙共振技術(shù)利用NOE效應增強信號強度.(7)多次掃描累加信號在多次累加信號時：信號S∝掃描次數(shù)噪聲N∝(掃描次數(shù))1/2所以：S/N(信噪比)∝(掃描次數(shù))1/2若掃描累加100次，S/N增大10倍.

是最常用的有效方法20

由于靈敏度低，好的13CNMR譜圖,要經(jīng)幾十至幾十萬次掃描，累加信號。這要求磁場絕對穩(wěn)定。磁場飄移，信號位置改變，導致譜線變寬，分辯率降低，譜圖無法使用。1）氘鎖為穩(wěn)定磁場，PFT-NMR儀均采用鎖場的方法。只要不失鎖，磁場穩(wěn)定性好,累加幾晝夜也是可行的。21為穩(wěn)定磁場,PFT-NMR儀采用氘鎖方法，即使用氘代溶劑，通過儀器操作，把磁場鎖在強而窄的氘代信號上。如發(fā)生微小信號飄移時，通過氘鎖通道電子線路補償飄移，保證信號頻率穩(wěn)定，保持固定值。長時間累加不至分辯率下降。222）溶劑

大多數(shù)氘代試劑都含有碳，會出現(xiàn)溶劑13C共振吸收峰,且由于D與13C間偶合，溶劑13C共振吸收峰往往被裂分為多重峰。分析時，要先識別出溶劑峰,常用溶劑的13C的溶劑δ值見表重水(D2O)不含碳，在13CNMR譜中無干擾，是理想的極性溶劑。23常用有機溶劑的13C核的化學位移和峰形常用有機溶劑的13C核的化學位移和峰形

溶劑CDCl3CD3ODCD3COCD3C6D6C5D5Nc(ppm)77.049.730.2206.8128.7123.5135.5149.5

峰重數(shù)377s3333

溶劑CCl4CD3CN(CD3)2S=OCD3CO2Dc(ppm)96.01.3117.739.520.0178.4峰重數(shù)s7s77s2413CNMR基本原理與1HNMR相同。在外磁場中13C核吸收電磁波，從低能級躍遷到高能級。13C受環(huán)境影響，也有順磁屏蔽效應和抗磁屏蔽效應，使不同類型碳在不同的磁場強度處發(fā)生共振吸收。吸收峰的位置用化學位移d表示，也用TMS作參照物。8.13CNMR化學位移參照標準255.2.213CNMR的去偶技術(shù)

由于自身連接的H和鄰位C上H的偶合作用，使13C譜非常復雜難以辨認，故常采用去偶合的方法，除去H核對13C共振吸收干擾。C和H之間去偶合譜圖簡化。常采用方法如下：261、質(zhì)子去偶(寬帶去偶，protonbroaddecoupling

)—確定分子中有多少種碳核

將所有1H對13C的偶合作用都消除掉，使13C的信號都變成單峰，即：使所有的13C都有自己單獨的信號。方法為：27用射頻(B1)照射各種碳核，在產(chǎn)生13C核磁共振吸收同時，附加另一個強功率射頻(B2)，使其覆蓋全部質(zhì)子的共振頻率范圍，使所有質(zhì)子達到飽和，使質(zhì)子對13C的偶合全部去掉。結(jié)果每個碳原子僅出一條共振譜線.28(b)質(zhì)子去偶譜（a)偶合譜29譜圖去偶作用對比30CYCLOHEXANOL313233偏共振去偶，只消除相鄰碳上H對13C的偶合，保留與13C直接相連的H對13C的偶合。2.質(zhì)子偏共振去偶（部分去偶，offresonancedecouping）

—用于確定每個碳上連有幾個氫

質(zhì)子寬帶去偶雖大大提高了13CNMR的靈敏度，簡化了譜圖，但同時也失去了許多有用的結(jié)構(gòu)信息。如無法識別伯、仲、叔、季等不同類型的碳。34方法：

采用一個頻率范圍很小、比質(zhì)子寬帶去偶功能弱很多的射頻場(B2)，其頻率略高于待測樣品所有氫核的共振吸收位置(如在TMS高場0.1～1Hz范圍)，保留H對所連C的偶合，但使J大大降低，消除更遠H的遠程偶合。352—丁酮的偏共振去偶36這樣，—CH3(q)四重峰;

—CH2—(t)三重峰;

叔C(d)二重峰;

季C或—CO—(s)單峰。偏共振去偶，避免或降低了譜線間重疊,又保留了與碳核直接相連的質(zhì)子的偶合信息?？勺R別不同類型碳。37寬帶去耦偏共振去耦未去耦(CH2)(CH3)(CH)(C)13C(CH2)(CH3)(CH)1H38OCH2OCH2CH2CHCH339苯酚的13CNMR譜40A.二氯乙酸的質(zhì)子(寬帶去偶)去偶B.偏共振(部分)去偶BabAab413)質(zhì)子選擇性去偶（protonseliectivedecoupling）偏共振去偶特例。測化合物的13CNMR譜，又準確得知這個化合物1HNMR各峰δ值及歸屬時，可用選擇性去偶譜，以確定碳譜譜線歸屬。只消除某些H對某個13C的偶合。調(diào)節(jié)去偶頻率v2恰好等于某質(zhì)子的共振吸收頻率，且B2場功率又控制足夠小(低于寬帶去偶采用功率)時，與該質(zhì)子直接相連的碳會發(fā)生全去偶變成尖銳單峰，并因NOE使譜線強度增大。

42方法:調(diào)節(jié)去偶頻率v2恰好等于某質(zhì)子的共振吸收頻率，且B2場功率又控制到足夠小(低于寬帶去偶采用功率)時，與該質(zhì)子直接相連的碳會發(fā)生全去偶變成尖銳的單峰，并因NOE而使譜線強度增大。

選擇某特定的質(zhì)子作為去耦對象，用去耦頻率照射該特定的質(zhì)子，使被照射的質(zhì)子對13C的耦合去掉，13C成為單峰，以確定信號歸屬。分子中其它碳核，僅受到不同程度的偏移照射，產(chǎn)生偏共振去偶。所測得的13CNMR稱為質(zhì)子選擇性去偶譜。

43（a)選擇去偶譜

(b)偏共振去偶譜44全去耦、偏共振去耦、選擇性去耦譜比較454．門控去偶（gateddecoupling交替脈沖去偶或預脈沖去偶）:為了既獲得譜峰的多重性，又能獲得增強信號，因而發(fā)展了門控去偶方法。質(zhì)子寬帶去偶失去了所有偶合信息，偏共振去偶保留了13C與1H之間部分偶合信息，但因分子中碳核感受到的NOE不同使信號相對強度與所代表碳原子數(shù)目不成比例。46操作過程:先用一個射頻去偶，得到去偶并產(chǎn)生NOE信號譜峰。然后關(guān)閉該脈沖，使所有質(zhì)子共振。由于NOE信號衰減慢，因而所接受的信號既有偶合，又呈NOE增強的信號。同樣脈沖間隔和掃描次數(shù)，門控去偶譜強度比未去偶共振譜強度增強近一倍。475）反轉(zhuǎn)門控去偶又稱為抑制NOE門控去偶。對發(fā)射場和去偶場的脈沖發(fā)射時間關(guān)系稍加變動，即得消除NOE的寬帶去偶譜。是能在譜圖中顯示碳原子數(shù)目正常比例的方法，常用于定量實驗，。特點：氫核對碳核的偶合由于去偶脈沖的照射而去掉。此時NOE效應增益很少，譜線高度正比與碳原子的數(shù)目。4849INEPT譜和DEPT譜常規(guī)13CNMR譜是寬帶去偶譜。在去偶條件下，失去了全部C-H偶合信息，每種碳原子只給出一條譜線。雖然用偏共振去偶譜技術(shù)可分辨CH3、CH2、CH及季C的歸屬，但由于偏共振去偶譜中耦合常數(shù)分布不均勻，多重譜線變形和重疊，在復雜分子的研究中仍然受到限制，隨脈沖技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的能確定碳原子級數(shù)的新方法，如INEPT和DEPT法等50INEPT法（低靈敏核的極化轉(zhuǎn)移增強）由于核磁共振本身信號靈敏度很低，尤其是地天然豐度的碳更為突出。INEPT法是在具有1H核的自旋極化傳遞到低靈敏度的13C核上去，這樣由1H到與其偶合的13C的完全極化傳遞可使13C信號增強4倍51β-紫羅蘭酮的13C和INEPT譜INDEPT譜中不出現(xiàn)季碳信號52香葉醇的13C和DEPT譜DEPT譜中也不出現(xiàn)季碳信號535.313C的化學位移及影響因素

與氫核化學位移一樣，13C化學位移也是由碳自旋核周圍的電子屏蔽所造成。對碳核周圍電子云密度有影響的任何因素都會影響碳核的化學位移。構(gòu)型、構(gòu)象及各種電子效應…..等。13C的化學位移是13CNMR的重要參數(shù),由核所處的化學環(huán)境決定。13C的共振頻率及化學位移計算式如下:54不同環(huán)境的碳,受到的屏蔽作用不同,值不同,共振吸收頻率ν也不同.σi值越大,屏蔽作用越強,(1-σi)越小,δc位于高場端.

碳核屏蔽常數(shù)，標準(TMS)，B0外磁場強度,555.3.1屏蔽原理原子核的屏蔽是指原子核外電子(包括核本身的電子及周圍其它原子的電子)環(huán)流對該核所產(chǎn)生屏蔽作用的總和.即:σi=σd+σp+σa+σs

σd:核外局部電子環(huán)流產(chǎn)生的抗磁屏蔽,即在外磁場B0誘導下,產(chǎn)生與B0場方向相反的局部磁場σd

隨核外電子云密度的增大而增加.

56σp(σ順磁):非球形各向異性的電子(如p電子)環(huán)流產(chǎn)生的順磁屏蔽(去屏蔽)與σd方向相反。與電子云密度、激發(fā)能量、介質(zhì)有關(guān)。除1H核外的各種核，都以σp項為主。σa(鄰近各向異性效應):核的鄰近原子或基團的電子環(huán)流產(chǎn)生的磁各向異性對該核的屏蔽作用。與鄰近原子或原子團的性質(zhì)、立體結(jié)構(gòu)有關(guān)，對13C核的影響較小。57σs(介質(zhì)屏蔽作用):溶劑種類、溶液濃度、pH值等對碳核的屏蔽作用?？僧a(chǎn)生相當?shù)挠绊?。有時可達10ppm以上。σa、σs影響與1H核相同，因此對化學位移范圍較大的13C核不重要。13C核的順磁屏蔽項σp是主要的。與電子激發(fā)能△E,2p電子與核N間的距離r2p成反比。585.3.2影響δc的因素

1.碳的軌道雜化碳原子軌道雜化(sp3,sp2,sp)很大程度上決定了13C化學位移范圍。雜化效應在13CNMR中和1HNMR相似。以TMS為基準物sp3雜化碳δ值:0～65ppm

sp雜化碳δ值:

65～100ppmsp2雜化碳δ值:100～220ppm其中C=O碳δ值:160～220ppm

低場端(是由于電子躍遷類型為n→π*，△E值較小)592.碳的電子云密度

13C化學位移與碳核外電子云密度有關(guān)，核外電子云密度增大，屏蔽效應增強，δ值高場位移。

碳正離子δ值出現(xiàn)在低場，碳負離子δ值出現(xiàn)在高場。這是由于碳正離子電子短缺，強烈去屏蔽所致。如(CH3)3C+(CH3)3CH(CH3)3C–Li+(ppm)3302410.7sp雜化碳(炔碳)δ值:60～90ppm(多重鍵的貢獻，順磁屏蔽降低，比sp2雜化碳處于較高場)60共軛效應：由于共軛引起電子分布不均勻性，導致δC

低場或高場位移。如61取代基電負性越大,δ值低場位移越大.如:

CH3ICH3BrCH3ClCH3F(ppm)-20.720.024.980CH4CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4(ppm)-2.624.9527796誘導效應:與電負性取代基相連,使碳核外圍電子云密度降低,

δ值低場位移,如:甲苯醚中δC-1159.8ppm62除I原子外α-C、β-C的δ值均低場位移，

α-Cδ值位移十幾至幾十ppmβ-Cδ值位移約10ppm。γ-Cδ值均高場位移（2～7ppm）這是空間作用的影響。γ-C以上碳，誘導效應可忽略不計。

誘導效應通過成鍵電子沿鍵軸傳遞,隨與取代基距離的增大,效應迅速減。633.立體效應

δC對分子構(gòu)型十分敏感。碳核與碳核或其它核相距幾個鍵時，相互作用大大減弱。但若空間接近，彼此會強烈影響。在VanderWaals距離內(nèi)緊密排列的原子或原子團會相互排斥，將核外電子云彼此推向?qū)Ψ胶说母浇?，使其受到屏蔽。如C-H鍵受到立體作用后，氫核“裸露”，而成鍵電子偏向碳核一邊，δC高場位移。

64如VanderWaals效應中通常1H是處于化合物邊緣或外圍，當1個氫原子靠近時，由于電子云的相互排斥，使1H核周圍電子云密度下降，這些電子云將沿著C-H鍵移向碳原子，屏蔽作用增加，化學位移向高場移動取代基處于直立鍵的，比平伏鍵時的γ-Cδ高場位移2～6ppm。651.取代基的密集性取代基增多脂鏈碳原子上碳δ值相應增大.如:取代的烷基越大、越具分枝，被取代的碳原子δ值也越大，如：RCH3RCH2CH3RCH2CH2CH3RH2CHCCH3CH3RCH2CCH3CH3CH3增

大66在以下化合物中，也存在立體效應：

67分子中空間位阻的存在，也會導致δ值改變，低場位移，如:隨烷基數(shù)目增加，烷基空間位阻使羰基與苯環(huán)的共軛效應減弱，羰基碳δ值低場位移。684.其它影響溶劑:不同溶劑測試13CNMR譜，δC改變幾至十幾ppm。以苯胺為例，不同溶劑中δ值見表溶劑C-1C-2、6C-3、5C-4CCl4(CD3)2CO(CD3)2SO146.5115.3129.5118.8148.6114.7129.1117.0149.2114.2129.0116.569氫鍵:下列化合物，氫鍵的形成使C=O中碳核電子云密度降低，δC=O低場位移70如：吡唑-40℃時有兩條譜線，分別對應于C-3、5和C-4。溫度降低，C-4譜線基本不變，C-3、5譜線呈現(xiàn)兩條尖銳的譜線。溫度:溫度的改變可使δC有幾個ppm的位移。當分子有構(gòu)型、構(gòu)象變化或有交換過程時，譜線的數(shù)目、分辯率、線型都將隨溫度變化而發(fā)生明顯變化。714,53NH7213CNMR的化學位移與1HNMR的化學位移有一定的對應性。若1H的δ值位于高場，則與其相連的碳的δ值亦位于高場，如：環(huán)丙烷：δH0.22ppm,δC約3.5

ppm.醛(-CHO):δH9～10ppm,δC約200±5ppm,并非每種核的共振吸收都存在這種對應關(guān)系。各類碳及氫核的化學位移范圍如下圖.

5.3.3各類碳核的化學位移范圍73ChemicaoShiftTable74應該熟記的13CNMR位移0季碳伯碳羰基芳烴、雜芳環(huán)13C仲碳叔碳炔烴烯烴20406080100120140160180200220755.4sp3雜化碳的化學位移及經(jīng)驗計算B為基值，化合物類型不同，B值也不同Nij：相對于Ci的j位取代基的數(shù)目，j=α，β，γ，δ;Aj：相對于Ci,j位取代基的取代參數(shù)。有時與實測值誤差較大，需修正項(∑S)加以修正。+（∑S）經(jīng)驗加和規(guī)律的通式為：76烷碳化學位移值的經(jīng)驗計算公式：δi

=-2.6+9.1nα+9.4nβ-2.5nγ

nα

、nβ、nγ分別表示i碳原子的α位、β位、γ位上連接的碳原子的個數(shù)。CH31—CH2α—CH2β—CH2γ—CH3δCH3δ—CH2γ—CH2β—CH2α—CH35δ1=-2.6+9.1（1）+9.4（1）-2.5（1）

=13.4ppm（實測13.7ppm）77

CH3α—CH22—CH2α—CH2β—CH3γ

CH3γ—CH2β—CH2α—CH24—CH3αδ2=-2.6+9.1（2）+9.4（1）-2.5（1）

=22.5ppm（實測22.6ppm）

CH3β—CH2α—CH23—CH2α—CH3β

δ3=-2.6+9.1（2）+9.4（2）

=34.4ppm（實測34.5）78烯碳的δC值計算δCi=123.3+∑nijAi+∑S炔碳的δC值計算δCi=71.9+∑nijAi

芳環(huán)碳和芳雜環(huán)碳的δC值計算δCi=128.5+∑Zi

79羰基碳的δC值計算化合物δC醛基碳酮基碳羧酸碳酰氯碳酸酐碳酰胺碳190～205ppm195～220ppm170～185ppm160～175ppm165～175ppm160～175ppm80苯環(huán)碳譜出峰數(shù)目：無對稱性：6個峰單取代：4個峰對位取代：4個峰鄰位相同取代基：3個峰間位三相同取代基：2個峰81

3.4核磁共振碳譜的解析解析步驟：1）區(qū)分雜質(zhì)峰、溶劑峰，不要遺漏季碳譜線；2）計算不飽和度3）分子對稱性的分析：若譜線數(shù)少于元素組成式中碳原子的數(shù)目，說明分子有一定對稱性；4）碳原子級數(shù)的確定（活潑氫數(shù)目的確定）；5）碳原子值的分區(qū)；6）推出結(jié)構(gòu)單元，組合可能的結(jié)構(gòu)式；7）對推出的結(jié)構(gòu)進行碳譜指認。82化合物C11H14O2的偏共振去偶譜83解:δC77