碳十三的核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)與解析
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-08-05
13C的核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)
13C波譜與1H波譜一樣，內(nèi)標(biāo)物也是四甲基硅烷(TMS)，量度單位是δ(ppm)，比TMS低場的(去屏蔽)是正數(shù)，高場的(屏蔽)是負(fù)數(shù)。在常規(guī)的13C波譜中，位移范圍大約比TMS低場240ppm；這是常規(guī)1H(約12ppm)的20倍。
常規(guī)13C的NMR的樣品量0.5～2g置于內(nèi)徑12～15mm的樣品管中，只需5~10次脈沖；如果是100～200mg樣品，可用內(nèi)徑5mm的樣品管，脈沖數(shù)需要幾個小時，10～100mg樣品可用內(nèi)徑100μl的微量管，1mg或1mg以下的樣品可用內(nèi)徑1.7mm的毛細(xì)管。
13C核磁共振波譜的解析
噪音質(zhì)子去偶合的13C波譜上各個峰的解釋，首先要有參考物質(zhì)作對照，并且要了解掌握化學(xué)位移與結(jié)構(gòu)相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。這方面已積累了相當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)資料，記載了各類化合物的化學(xué)位移如何隨結(jié)構(gòu)變化而起的微小變化。在噪音質(zhì)子去偶13C波譜中，雖然增加了靈敏度，但除含31P和19F磁核以外，所有的13C共振譜線似乎都是單峰，所有的偶合信息全都損失了。
在1H波譜中，峰面積和在該面積下的質(zhì)子數(shù)有滿意的正比關(guān)系，這是由于質(zhì)子有足夠的弛豫時間。而在13C波譜中，峰面積和核的數(shù)目之間沒有正比關(guān)系，因?yàn)槌Ｒ?guī)13C的NMR付里葉轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中，為完成所需的掃描次數(shù)，所花的時間是有限制的(兩個脈沖之間的時間只有0.1～1s)，而且，13C核的弛豫時間T1又在一個相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，而各13C核在脈沖間隔時間中并不是均等地弛豫。也就是說，在兩個脈沖之間并不完全回到波爾茨曼分布，這樣產(chǎn)生的信號就比預(yù)期這些碳原子數(shù)所產(chǎn)生的信號要弱得多。另外一個復(fù)雜的因素即是NOE效應(yīng)對所有的13C核來講并不是相同的，有些C原子由于弱NOE效應(yīng)而引起例外的小峰。鑒于上述這些理由，13C譜線的峰面積不能正確積分以給出相應(yīng)的C原子數(shù)目。
然而，一個有利之點(diǎn)是一些不帶有質(zhì)子的C原子其峰強(qiáng)度很低，以致容易識別，這是由于不帶有質(zhì)子的C常常有較長的弛豫時間而給出小峰，如羰基(除甲酰基外)、氰基、不帶質(zhì)子的烯和炔C及季C原子等。但須注意，必需要有足夠數(shù)目的脈沖，或足夠長的脈沖間隔時間用以補(bǔ)償長的T1，才能使這些很弱的峰不致于消失在基線的噪音上。
用于檢識13C譜峰除了需掌握結(jié)構(gòu)與化學(xué)位移之間的相互關(guān)系外，最常用的技術(shù)是部分去偶，允許恢復(fù)C—H的偶合信息。這方面的技術(shù)有偏共振去偶(off-resonance decoupling)、選擇性質(zhì)子去偶(selective proton decoupling)、化學(xué)位移試劑(chemical shift reagents)和重氫取代(deuterium substitution)。下面分別作簡單介紹。
(1)偏共振去偶：這種技術(shù)使13C譜簡化，但是還保留著“殘余”的13C—H偶合信息。實(shí)驗(yàn)時關(guān)閉寬譜帶噪音發(fā)生器，而采用一個補(bǔ)償高能量質(zhì)子去偶器，在TMS的質(zhì)子頻率高場1000～2000Hz處或低場2000～3000Hz處掃描。也就是說，掃描常用質(zhì)子波譜的高場或低場，掃描寬度1000Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了13C—H的偶合模式，使.jpg "結(jié)構(gòu)式")
以及—CH3分別可觀察到單峰、雙峰、三重峰(或兩個雙重峰)、四重峰，偶合常數(shù)比實(shí)際的C—H偶合常數(shù)要小。而且，多重峰外側(cè)小峰的強(qiáng)度也比理論上的1：2：1或1：3：3：1要弱。但是，這種13C波譜的峰容易識別，因?yàn)楸３种?3C—H的殘余偶合信息；不存在C—C—H的遠(yuǎn)程偶合；13C共振譜帶的重疊多半又不存在，即使有，也可通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償允許重疊的譜線分開；又由于NOE效應(yīng)還存在，使13C譜顯示了相對高的靈敏度。
在一些大的有機(jī)分子中，用上述技術(shù)也不能使所有的C峰都能分離，然而，對于一些相對孤立的多重峰即使在最大分子中也能被檢識。
下面例舉鄰苯二甲酸二乙酯經(jīng)不同技術(shù)操作所得到13C譜，儀器25.2MHz，溶劑CDCl3。
圖17-38a表示與質(zhì)子完全偶合的13C譜，從中可以觀察到13C—H的偶合裂分峰。
圖17-38b表示采用寬譜帶噪音去偶的13C譜，13C—H間偶合作用完全消除，各C原子顯示單峰。峰1和峰2由于是季C原子，所以峰特別小。
圖17-38c表示質(zhì)子去偶，并延長脈沖間隔為10s的13C譜。這樣增加了弱峰的強(qiáng)度，使峰1和峰2強(qiáng)度增加。
圖17-38d是采用偏共振去質(zhì)子偶合的13C譜，保留了殘余的13C—H偶合，其偶合常數(shù)比實(shí)際的13C—H偶合常數(shù)小，多重峰外側(cè)小峰的強(qiáng)度也比理論上的1：2：1或1：3：3：1弱。
(2)選擇性質(zhì)子去偶：對某一個特定質(zhì)子以其精確頻率照射，照射能量比偏共振去偶合時要低。這樣，直接與該質(zhì)子鍵合的碳其共振峰為一單峰，而其他13C吸收則顯示為殘余的偶合峰。這種技術(shù)可以用來檢識峰，但是要找出正確的頻率和去偶的適當(dāng)能量較為困難，因此，本法難以得到滿意的結(jié)果。
(3)化學(xué)位移試劑：鑭系化學(xué)位移試劑也可以用作13C波譜的拉開，使重疊峰可以分離，并使質(zhì)子的位移拉開。
(4)重氫取代：一個C的質(zhì)子被重氫取代后，其13C信號在噪音去偶波譜上強(qiáng)烈地減小。這是由于重氫的I＝1，磁旋比γ是1H的15％，它將使13C的吸收峰裂分為三重峰(1：1：1)，J值相當(dāng)于0.15×JCH。況且，13C—D的弛豫時間T1比13C—H長。最后，由于沒有照射2H，使該C的NOE效應(yīng)損失。在譜上也可以看到殘余的未被重氫取代的13C—H峰。由于同位素效應(yīng)，使13C—D的峰比13C—H稍處高場(每個D原子約為0.2ppm)。
上述理由同樣解釋了重氫溶劑顯示相當(dāng)弱的信號。根據(jù)2nI+1規(guī)則，重氫氯仿顯1：1：1的三重峰，重氫化P-dioxane為1：2：3：2：1五重峰，重氫DMSO[(CD3)2SO]為1：3：6：7：6：3：1的七重峰。
.jpg "鄰苯二甲酸二乙酯的質(zhì)子完全偶合的13C譜/鄰苯二甲酸二乙酯的寬譜帶噪音質(zhì)子去偶合的13C譜")
.jpg "鄰苯二甲酸二乙酯的質(zhì)子去偶合，脈沖間隔10s的13C譜/鄰苯二甲酸二乙酯的偏共振去質(zhì)子偶合的13C譜")
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