淺談一維核磁共振譜圖的解析方法

梁向暉 毛秋平 鐘偉強

(華南理工大學化學與化工學院，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

(華南理工大學化學與化工學院，廣州 510640)

核磁共振波譜儀的廣泛應用，使得大量的復雜化合物的結構得以鑒定，推動了整個有機化學向前飛速發展。如何對核磁共振譜圖進行解析對初學者而言是一個難點，本文簡述了一維核磁共振譜圖(1D-NMR)的解析方法，并通過一個實例進行說明，以幫助初學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，物理學家伊西多·拉比(Isidor Rabi)發現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生翻轉，這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾獎。1946年美國哈佛大學的珀塞爾和斯坦福大學的布洛赫宣布，他們發現了核磁共振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、研究物質微觀結構和性質的高新技術。產生核磁共振現象都需要三個重要的基本條件：a.原子核必須是自旋的，即自旋量子數I不為零；b.自旋原子核必須置于強大、均勻的外加磁場中，外加磁場的作用是，使原來處于簡并態的自旋原子核，產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，產生核磁共振現象[2]。核磁共振技術作為分析物質的化學組成、結構及其變化的重要手段之一，可深入探測物質內部而不破壞樣品，并具有準確、快速和對復雜樣品不需預處理就能進行分析等特點[3]。它檢測的是組成有機化合物分子的原子核的性質及其周圍化學環境的相互作用，從核磁共振波譜得到的反映核性質的參數，以及周圍化學環境對這些參數的影響規律,包含了極其詳盡的有機化合物分子結構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，只有當根據1H-NMR譜和13C-NMR譜的信息尚不能確定解析樣品結構的時候，才進行2D-NMR實驗，再通過分析其信息對樣品的結構進行解析。需要說明一點，解析某個化合物的二維譜時，如果對其化學結構一無所知，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，對化合物的一級結構(即化學結構)已經有所了解或猜測，通過二維譜再講一步確認，并獲取更深入細致的結構信息(如化合物的空間結構信息等)。

對于化學專業的本科生，核磁共振波譜解析不僅是一門重要基礎課程，更是一種賴以生存的技能。一個有經驗的化學研究人員通過一張核磁共振譜圖可以收集到許多信息，進而解析出對應化合物的正確結構，然而這種譜圖對初學者來說僅僅是一頁有許多波峰的紙。如何從一張復雜的譜圖解析出對應化合物的結構，往往令初學者頭疼不已。大多科研工作者通常接觸到的是一維的核磁共振譜圖，下面結合實驗譜圖簡述一維核磁共振譜圖的解析方法，以幫助初學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構的，這往往需要結合分子式，用以推斷或者驗證化合物的結構式。

對核磁共振氫譜的解析一般有六個步驟：

(1)區分出雜質峰、溶劑峰、旋轉邊帶。雜質含量較低，其峰面積較樣品峰小很多，樣品和雜質峰面積之間也無簡單的整數比關系。據此可將雜質峰區別出來。氘代試劑不可能100%氘代，其微量未氘代的溶劑會有相應的峰，如CDC13中的微量CHCl3在約7.26×10-6處出峰。

(2)計算不飽和度。當不飽和度大于等于4時，應考慮到該化合物可能存在一個苯環(或吡啶環)。

(3)確定譜圖中各組峰所對應的氫原子數目，對氫原子進行分配。根據積分曲線，找出各組峰之間氫原子數的簡單整數比，再根據分子式中氫的數目，對各組峰的氫原子數進行分配。

(4)對每組峰的化學位移δ和偶合常數J都進行分析。根據每組峰氫原子數目及δ值，可對該基團進行推斷，并估計其相鄰基團。對每組峰的峰形應仔細地分析。分析時的關鍵之處為尋找各組峰中的等間距。每一種間距相應于一個偶合關系。一般情況下，某一組峰內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目。當從裂分間距計算J值時，應注意譜圖是多少MHz的儀器做出的，有了儀器的工作頻率才能從化學位移之差Δε(10-6)計算出ε(Hz)。當譜圖顯示烷基鏈3J偶合裂分時，其間距(相應6～7Hz)也可以作為計算其他裂分間距所對應的赫茲數的基準[5]。

(5)根據對各組峰的化學位移和偶合常數的分析，推出若干結構單元，最后組合為幾種可能的結構式。每一可能的結構式不能和譜圖有大的矛盾。

(6)對推出的結構進行指認。每個官能團均應在譜圖上找到相應的峰，各組峰的δ值及偶合裂分(峰形和J值大小)都應該和結構式相符。如存在較大矛盾，則說明所設結構式是不合理的，應予以去除。通過指認校核所有可能的結構式，進而找出最合理的結構式。必須強調：指認是解析結構中的一個必不可少的環節。

3 13C-NMR譜解析

在核磁共振發展的初期，大部分有機化學家會優先選擇有機物的13C核，而不是1H核進行研究。畢竟，環狀和鏈狀化合物的碳骨架結構研究才是有機化學研究的核心。由于13C核的天然豐度和靈敏度比1H核低得多，導致早期連續波、慢掃描程序需要大量的樣品和過長的掃描時間，這嚴重阻礙了13C-NMR的發展。直到20世紀70年代，由于傅里葉變換儀器的使用，使得13C-NMR迅速得到推廣和應用。而現在，13C-NMR的靈敏度已經大大提高，掃描時間也已經大幅度減少。前面提到，僅靠1H-NMR譜圖是無法解析出合理的分子結構的。但假如13C-NMR和1H-NMR并用就可以獲取化合物完整的結構信息，大大提高解譜的正確性。

對核磁共振碳譜的解析也有六個步驟：

(1)鑒別譜圖中的真實譜峰。①溶劑峰，氘代試劑中的碳原子均有相應的峰，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為I=1，它對相鄰碳原子的偶合作用，根據2nI+1規則，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雜質峰，可參考氫譜中雜質峰的判別；③掃描碳譜時參數的選擇會對譜圖產生影響。當參數選擇不當時，有可能導致季碳原子不出峰。

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

(3)碳原子化學位移δ值的分區。碳譜的化學位移大致可分為3個區：①羰基或疊烯區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(炔碳除外)δ=90～160×10-6，炔碳原子δ=70～100×10-6，這是炔碳原子的獨有的特征區。由前兩類碳原子可計算相應的不飽和度，此不飽和度與分子不飽和度之差表示分子中成環的數目。③脂肪鏈碳原子區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。由此可計算化合物中與碳原子相連的氫原子數。若此數目小于分子式中氫原子數，二者之差值為化合物中活潑氫的原子數。

(5)結合上述幾項推出結構單元，并進一步組合成若干可能的結構式。

(6)進行對碳譜的指認，通過指認選出最合理的結構式，此即正確的結構式。

下面結合化學創新班本科教學實驗得到的1H-NMR譜圖和13C-NMR，以此為例，對這個化合物的解析順序進行詳解。

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，結合化學位移和峰形分析。δH=1.25是一個CH3，且為三重峰，所以應連著一個CH2，對應找到化學位移為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乙基，且由于CH2的化學位移在4.15，所以該乙基與一個雜原子相連；δH=3.57歸屬于一個兩端連著不飽和鍵的CH2；δH=7.24和δH=7.00為苯環上的氫原子的化學位移。所以從氫譜可以大致判斷該化合物有一個苯環，且是對位取代；有一個乙基以及一個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上。因此，解析13C NMR要先考慮碳譜裂分的情況。

④標峰位。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，從偶合常數分析，δc =162.02對應的碳原子與氟原子一鍵相連；δc=130.80對應的碳原子處于氟原子的間位；δc =129.87對應的碳原子處于氟原子的對位；而δ=115.37對應的碳原子處于氟原子的鄰位；再從DEPT 135°來看，苯環是對位雙取代的，因為氟原子的鄰、間位是向上朝向的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，δc =171.46應該是連雜原子的羰基。由此推斷，該化合物應該是個酯(其中一片段結構是-COOCH2CH3)。δc=40.52很有可能是處于羰基和苯環之間的CH2。

⑤將上面的結構片段拼接，化合物A的結構是

⑥每個官能團均應在譜圖上找到相應的峰，各組峰的δ值及偶合裂分都和結構式相符。

5 結論

核磁共振波譜技術近年來發展迅速，新方法與新技術層出不窮，研究領域不斷擴展，已經從最初的物理學領域逐步滲透到化學、生物、醫療等領域。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。結合化學創新班本科教學實驗，簡述了一維的核磁共振譜圖的解析順序，以幫助初學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中的應用進展[J].光譜學與光譜分析，2015，1(1)：282-286.

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

[3]王桂芳，馬廷燦，劉買利.核磁共振波譜在分析化學領域應用的新進展[J].化學學報，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. 有機波譜分析(3版)[M].武漢：武漢大學出版社，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

華南理工大學校級教研教改項目(Y9160640);華南理工大學探索性實驗教學項目(Y9160040)

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

2017-03-15

梁向暉,女,1972出生,碩士,高級實驗師,主要從事實驗教學和大型儀器設備管理,E-mail:liangxh@scut.edu.cn。