核磁共振碳谱和DEPT谱

113C-NMR2大多数有机分子骨架由碳原子组成，用13C核磁共振研究有机分子的结构显然是十分理想的。13C天然丰度低，含碳化合物的核磁共振信号很弱。Lauterbur1957年首次观测到13CNMR信号.碳元素的唯一磁性同位素13C的天然丰度仅为12C的1.1%，而13C的磁旋比r约是1H核的1/4。核磁共振的灵敏度与r3成正比例，所以13CNMR的灵敏度仅相当于1HNMR灵敏度的1/5800。采用连续波扫描方式，即使配合使用计算机对信号储存、累加、记录一张有实用价值的谱也需要很长时间及消耗大量的样品。加之13C与1H之间存在着偶合（1J－4J），裂分峰相互重叠，难解难分，给谱图解析带来了许多困难。60年代后期，特别是70年代PFT－NMR谱仪的出现及去偶技术的发展，使13CNMR测试成为简单可行。一、基本原理313CNMR的特点（1）化学位移范围宽0-220ppm（正碳离子可达330ppm，而CI4约为－292ppm),约是1HNMR的20倍。分辨率更高。（2）13CNMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰季碳、C＝O、C≡C、C≡N、C＝C等基团中的碳不与氢直接相连，在1HNMR谱中能直接观测，只能靠分子式及其对相邻基团δ值的影响来判断。而在13CNMR谱中，均能给出各自的特征吸收峰。（3）13CNMR灵敏度低，偶合复杂413CNMR的实验方法及去偶技术1．13CNMR灵敏度的提高(1)增大试样溶液浓度；(2)降低测试温度(但要注意某些化合物的13CNMR谱可能随温度而变)，增大磁场强度；(3)采用CAT(ComputerAveragedTransients)方法，信号在计算机中累加而增强。噪音被平均化而分散，信噪比随累加扫描次数n的增大而按下式增大。(4)增强13CNMR灵敏度的最经济、最有效的方法是PFT与去偶技术相结合。52．脉冲Fourier变换核磁共振技术在脉冲FT—NMR装置中，采用强的脉冲照射使分子中所有的13C核同时发生共振，生成在驰豫期内表现为指数方式衰减的正弦波信号（自由感应衰减讯号FID），再经傅立叶变换（Fouriertranslation）即成为正常的NMR信号。随着脉冲扫描次数（n）的增加及计算机的累加计算，13C信号将不断得到增强，噪音则越来越弱。经过成千上万次的扫描及累加计算，最后即可得到一张峰形良好的13C-NMR谱。63.13CNMR化学位移的参照标准由于TMS在1HNMR与13CNMR中的某些相似性（化学位移位于高场，4个CH3化学环境不同），13CNMR化学位移的标准物也是TMS。标准物可作为内标，直接加入到待测样品中，也可用作外标。CS2的化学位移出现在13CNMR谱的低场区，早期文献报导的样品中，δ值也有用CS2作为标准物的。实际上，溶剂的共振吸收峰经常作为13C化学位移的第二个参考标度。713CNMR的去偶技术1．质子宽带去偶及NOE增强去除了质子的影响2.偏共振去偶保留同一碳原子上质子的影响3.选择性去偶偏共振去偶的特例4.门控去偶使碳谱峰高有定量意义5.DEPT谱能清晰地显示碳的级数81.质子宽带去偶及NOE增强质子宽带去偶（protonbroadbanddecoupling）谱为13CNMR的常规谱，是一种双共振技术，记作13C{1H}。这种异核双照射的方法是在用射频场（B1）照射各种碳核，使其激发产生13C核磁共振吸收的同时，附加另一个射频场（B2，又称去偶场），使其覆盖全部质子的共振频率范围（200MHz仪器，2KHz以上），且用强功率照射使所有的质子达到饱和，则与其直接相连的碳或邻位、间位碳感受到平均化的环境，从而使质子对13C的偶合全部去掉。结果得到相同环境的碳均以单峰出现（非1H偶合谱例外）的13CNMR谱。这样的谱称质宽带去偶谱。9NOE是由于分子中偶极－偶极弛豫过程引起的，一个自旋核就是一个小小的磁偶极。分子中两类自旋核（如13C，1H）之间可以通过波动磁场（分子中移动、振动和转动所导致）传递能量。在13C{1H}NMR实验中，观测13C核的共振吸收时，照射1H核使其饱和，由于干扰场（B2）非常强，同核弛豫过程不足使其恢复到平衡，经过核之间的偶极－偶极相互作用，1H核将能量传递给13C核，13C核吸收到这部分能量后，犹如本身被照射而发生弛豫。这种由双共振引起的附加异核弛豫，使13C核在低能级上分布的核数目增加、共振吸收信号的增强称之为NOE。在13C{1H}NMR实验中，最大NOE提高因子取决于1H与13C的磁旋比。最大的NOE提高因子约为2。10(1)每一种化学等价的碳原子只有一条谱线由于有NOE作用使得谱线增强，信号更易得到(2)但由于NOE作用不同,峰高不能定量反应碳原子的数量(3)只能反映碳原子种类的个数（即有几种不同种类的碳原子）11122.偏共振去偶•质子宽带去偶虽大大提高了13CNMR的灵敏度，简化了谱图，但同时也失去了许多有用的结构信息。无法识别伯、仲、叔、季不同类型的碳。偏共振去偶（offresonancedecoupling）是采用一个频率范围很小、比质子宽带去偶功率弱很多的射频场（B2），其频率略高于待测样品所有氢核的共振吸收位置（如在TMS的高场0.1-1KHz范围），使1H与13C之间在一定程度上去偶。采用偏共振去偶，既避免或降低了谱线间的重叠，具有较高的信噪比，又保留了与碳核直接相连的质子偶合信息。13二氯乙酸13CNMR图谱质子去耦偏共振去耦142-丁酮13CNMR图谱质子去耦偏共振去耦15•通过比较宽带去耦和不完全去耦的碳谱可以：•(1)得出各组峰的峰形,从而可以判断分辨出各种CH基团•(2)利用不完全去耦技术可以在保留NOE使信号增强•的同时，仍然看到CH3四重峰，CH2三重峰和CH•二重峰，不与1H直接键合的季碳等单峰。峰的分裂数与直接相连的氢有关,一般也遵守n+1规律163质子选择性去偶质子选择性去偶（protonselectivedecoupling）是偏共振去偶的特例。当测一个化合物的13CNMR谱，而又准确知道这个化合物的1HNMR各峰的δ值及归属时，就可测选择性去偶谱，以确定碳谱谱线的归属。当调节去偶频率V2恰好等于某质子的共振吸收频率，且B2场功率又控制到足够小（低于宽带去偶采用的功率）时，则与该质子直接相连的碳会发生全部去偶而变成尖锐的单峰，并因NOE而使谱线强度增大。17选择某特定的质子作为去耦对象，用去耦频率照射该特定的质子，使被照射的质子对13C的耦合去掉，13C成为单峰，以确定信号归属。确定糠醛中3位碳和4位碳的归属OCHO435分别照射3位及4位质子，则3位碳及4位碳的二重峰将分别成为单峰，于是就可确定信号归属。18•4.门控去偶谱（gateddecouplingspectrum）•在傅立叶核磁共振波谱仪中有发射门（用以控制射频ν1的发射时间）和接受门（用以控制接受器的工作时间）。门控去偶是指用发射门和接受门来控制去偶的实验方法。常用的门控去偶为抑制NOE的门控去偶，亦称为定量碳谱。得到的全去偶谱图具有较小的NOE影响，谱线高度正比于碳原子数目，使得各类碳的数目之比有了定量意义。195.DEPT谱DEPT(distortionlessenhancementbypolarizationtransfer)及INEPT(insensitivenucleienhancedbypolarizationtransfer)偏共振去偶谱中因为保留着氢核的偶合影响，故13C信号的灵敏度将会降低，同时信号裂分也可能会造成谱线的重叠，也给信号识别带来一定困难。近来已基本上让位于DEPT法。后两者系分别通过改变照射1H核的脉冲宽度（θ）或设定不同的弛豫时间（delaytime），使不同类型的13C信号在谱图上呈单峰形式分别朝上或向下伸出，故灵敏度高，信号之间很少重迭，配合全去偶谱可清楚的鉴别各种碳原子的级数，目前已成为13C—NMR谱的一种常规测定方法。20DEPT谱中，CH3显正峰，CH2显负峰，CH显正峰。通过谱图编辑，我们可以很容易辨认碳的级数。O12345678910二、影响13C化学位移的因素1.碳杂化轨道碳原子的杂化轨道状态（sp3、sp2、sp）很大程上决定13C化学位移。sp3杂化碳的共振信号在高场，sp2杂化碳的共振信号在低场，sp杂化碳的共振信号介于前二者之间。sp2(C=O)sp2(C=C)sp(-CC-)sp3(C-C)170~225ppm100~150ppm60~95ppm0~60ppm1141383636126-142CH3HCCCH2CH26884222013OCH2COCH2CH3127-1344114611712．诱导效应•CH3BrCH3ClCH2Cl2CHCl3CH3F20.024.9527780当电负性大的元素或基团与碳相连时，诱导效应使碳的核外电子云密度降低，故具有去屏蔽作用。随着取代基电负性增强，或取代基数目增大，去屏蔽作用也增强，δ值愈向低场位移。FClBrOHNH2SHCH3HICH3FCH4CH3NH2CH3OHChemicalshift,d1H0.22.53.44.313C-2275080重原子效应：H原子被电负性基团取代后，应该移向低场，但若被I原子取代后，反而移向高场，这是因为碘原子上众多的电子对碳原子产生屏蔽效应,从而使C移向高场。CH4CH3XCH2X2CHX3CX4X=Cl-2.323.852.877.795.5X=I-21.8-55.1-141.0-292.53．共轭效应共轭作用会引起电子云分布的变化，导致不同位置碳的共振吸收峰向高场或低场移动。比乙醛（199.6ppm）处较高场δ值比苯(128.5ppm）大•在羰基碳的邻位引入双键或含孤对电子的杂原子（如O、N、F、Cl等），由于形成共轭体系或超共轭体系，羰基碳上电子密度相对增加，屏蔽作用增大而使化学位移偏向高场。因此，不饱和羰基碳以及酸、酯、酰胺、酰卤的碳的化学位移比饱和羰基碳更偏向高场一些。如下列三个化合物中羰基碳的化学位移为：206.8ppm195.8ppm179.4ppm4.立体效应13C化学位移对分子的立体构型十分敏感。只要碳核间空间比较接近，即使间隔几个化学键，彼此还会有强烈的影响。g-邻位交叉效应a位的取代基使g位C移向高场（d减小）：当g处于邻位交叉构象时，R“挤压”Cg的H，增大屏蔽效应,使电子移向Cg,化学位移则移向高场。RCg取代基处于直立键比处平伏键时δ位碳的占值小约5ppm。CH3CH3CH3HHHHHHHHHHHH22.732.6536.6535.5532.6522.720.130.1530.630.1530.620.135.029.043.536.822.337.730.322.417.440.734.638.930.6d减小如:邻位烷基取代的苯乙酮，随着烷基取代基数目增加，烷基的空间位阻使羰基与苯环的共轭效应减弱，羰基碳δ值向低场位移。分子中存在空间位阻，常会影响共轭效应的效果，导致化学位移的变化.构型•构型对化学位移也有不同程度影响。如烯烃的顺反异构体中，烯碳的化学位移相差1-2。顺式在较高场；与烯碳相连的饱和碳的化学位移相差更多些，约为3-5，顺式也在较高场。氢键使C=O中碳核电子云密度降低，dC=O值向低场位移。如：CH=OCH=OOH1921975．测定条件一般来说，溶剂对13C化学位移的影响比对1H化学位移的影响大。不同的溶剂、介质，不同的浓度以及不同的pH值都会引起碳谱的化学位移值的改变。变化范围一般为几到十左右。由不同溶剂引起的化学位移值的变化，也称为溶剂位移效应。这通常是样品中的H与极性溶剂通过氢键缔合产生去屏蔽效应的结果。温度效应•温度的变化可使化学位移发生变化。当分子中存在构型、构象变化，内运动或有交换过程时，温度的变化直接影响着动态过程的平衡，从而使谱线的数目、分辨率、线形发生明显的变化。如吡唑分子中存在着下列互变异构：三、碳谱的化学位移•核磁共振碳谱主要关注谱线的化学位移δ值，不同类型的碳原子在