第2章核磁共振碳谱的解析

核磁共振碳谱解析一、核磁共振碳谱解析是什么呢？核磁共振碳谱（13C - NMR）可是有机化学里超有用的分析工具哦。

它就像一个小侦探，能把有机化合物里碳原子的各种信息给找出来呢。

比如说碳原子的类型呀，周围的化学环境啦，这些信息对确定有机分子的结构可是超级关键的。

二、核磁共振碳谱的基本原理1. 原子核的磁性原子核就像一个个小磁体，在没有外界磁场的时候，它们的磁性是杂乱无章的。

可是一旦放到一个强磁场里，这些原子核就会像听话的小士兵一样，按照磁场的方向排列起来。

对于碳 - 13这种有磁性的原子核来说，这时候就可以进行核磁共振检测啦。

2. 共振现象当我们用一个特定频率的射频波去照射这些在磁场里排列好的碳 - 13原子核的时候，如果这个射频波的频率刚好和原子核的共振频率相同，就会发生共振现象。

这个时候原子核就会吸收能量，从低能态跃迁到高能态，然后我们就能检测到这个信号啦。

三、核磁共振碳谱的化学位移1. 化学位移的概念化学位移就像是每个碳原子的“身份证号码”，它表示碳原子在核磁共振谱图里的位置。

这个位置可不是随便定的，而是和碳原子周围的电子云密度有关系。

电子云密度高的碳原子，受到的屏蔽作用强，化学位移就会小一点；电子云密度低的碳原子，受到的去屏蔽作用强，化学位移就会大一点。

2. 影响化学位移的因素取代基的电负性：如果碳原子周围连接的是电负性大的原子或者基团，比如氧原子、氮原子等，这个碳原子的电子云就会被拉走一部分，电子云密度降低，化学位移就会增大。

共轭效应：如果有机分子里存在共轭体系，那么碳原子的电子云会重新分布，这也会影响化学位移的大小。

空间效应：有时候周围基团的空间位阻也会影响碳原子的化学位移，虽然这个影响相对小一些。

四、核磁共振碳谱的峰面积1. 峰面积的意义峰面积就像每个碳原子的“投票权”，它和碳原子的数目是成正比的。

也就是说，如果一个峰的面积是另一个峰面积的两倍，那么对应的碳原子数目也是两倍的关系。

通过分析峰面积，我们就能知道有机分子里不同类型碳原子的相对数目啦。

核磁共振碳谱(13C-NMR)Produced by Jiwu Wen•核磁共振碳谱的特点：1. 化学位移范围宽。

碳谱(13C-NMR)的化学位移δC通常在0～220 ppm之间(对于碳正可达330 ppm)。

离子δC比较：1H-NMR的化学位移δ通常在0～10 ppm之间。

Example:2. 13C-NMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰。

核磁共振碳谱(13C-NMR)可以给出季碳，羰基碳，氰基碳，以及不含氢原子的烯碳和炔碳的特征吸收峰。

3. 13C-NMR的偶合情况复杂，偶合常数大。

核磁共振碳谱(13C-NMR)中偶合情况比较复杂，除了1H-1H偶合，还有1H-13C以及1H，13C与其它自旋核之间的偶合。

1H-13C的偶合常数通常在125-250 Hz。

因此在谱图测定过程中，通常采用一些去偶技术。

4. 13C-NMR的灵敏度低。

•核磁共振碳谱的去偶技术 1. 质子宽带去偶(也称为质子噪声去偶)。

质子宽带去偶是一种双共振去偶技术，实验方法是：用一相当宽的频率(包括样品中所有氢核的共振频率)照射样品，消除13C-1H 之间的偶合，使每种碳原子只给出一条谱线。

2. 偏共振去偶(也称不完全去偶)。

这种去偶技术的实验方法是：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(B 2)，其频率略高于待测样品中所有氢核的共振吸收频率，使1H 与13C 之间在一定程度上去偶，不仅消除2J ～4J 的弱偶合，而且使1J 减小到J r (表观偶合常数)。

J r 和1J 之间的关系如下：r 12J J B /2∆νλπ=根据n+1规律，在偏共振去偶谱中，伯碳裂分为四重峰(用q表示)，仲碳为三重峰(t)，叔碳为两重峰(d)，季碳以及不与氢相连的碳为单峰(s)。

Example:2-丁醇的宽带去偶谱2-丁醇的偏共振去偶谱2-丁酮的质子宽带去偶谱和偏共振去偶谱3. 质子选择性去偶。

4. 门控去偶和反转门控去偶。

主要用于定量分析。

核磁共振碳谱的原理和应用1. 介绍核磁共振碳谱（Nuclear Magnetic Resonance Carbon Spectroscopy）是一种用于研究化合物的结构和化学环境的无损分析技术。

核磁共振碳谱通过测量样品中不同碳原子核的共振频率来获得关于化合物的信息。

本文将介绍核磁共振碳谱的原理和应用。

2. 核磁共振碳谱的原理核磁共振碳谱的原理基于核磁共振现象。

在一个外加磁场中，具有非零自旋的核会产生一个磁矩。

在核磁共振实验中，样品置于强磁场中，通过向样品施加射频（Radio Frequency, RF）脉冲，使核磁矩发生能级跃迁。

样品中的不同碳原子核具有不同的共振频率，这是由于不同化学环境对碳原子核的局部磁场产生不同的影响。

对样品进行一定时间的射频辐射，然后停止辐照，测量样品在外加磁场下的的自由感应衰减振荡信号，从而获得各个碳原子核的共振频率和峰强度。

3. 核磁共振碳谱的应用核磁共振碳谱广泛应用于有机化学、药物研发、材料科学等领域。

以下是核磁共振碳谱的主要应用之一：3.1 化合物结构鉴定核磁共振碳谱可用于确定化合物的结构和官能团。

通过观察样品的碳谱谱图，可以确定化合物中不同碳原子核的化学位移，并推断出分子中的官能团、杂化状态和取代基等信息。

3.2 化合物纯度分析通过核磁共振碳谱可以判断化合物的纯度。

在样品中出现额外的峰或者杂质的存在会导致峰的形状和峰强度发生变化，从而能够判断化合物是否纯净。

3.3 反应过程监测核磁共振碳谱可以用于监测化学反应的过程。

通过连续记录不同时间点的核磁共振碳谱，可以观察到化合物结构的变化，进而了解反应的进展和反应产物的形成。

3.4 代谢组学研究核磁共振碳谱可用于代谢组学研究。

通过测定生物体中的代谢产物的核磁共振碳谱，可以获得关于生物体内代谢通路和生化过程的信息，用于研究疾病的发生机制和评估药物对生物体的影响。

3.5 药物开发核磁共振碳谱在药物开发过程中扮演着重要的角色。

核磁共振氢谱核磁共振---NMR1945年美国斯坦福大学的 F. Block 和哈佛大学的 E. M. Purcell 同时发现了核磁共振现象，并因此荣获了1952年的 Nobel 物理奖。

核磁共振谱可为化合物鉴定提供下列信息：1.磁核的类型：由化学位移来判别，如在1HNMR 中，可判别甲基氢、芳氢、烯氢、醛氢等。

2.磁核的化学环境：由偶合常数和自旋－自旋裂分来判别，如在 1H-NMR 中可判定甲基是与-CH 2-相连，还是与苯环相连。

3.各类磁核的相对数量：氢谱中，通过积分面积或积分曲线来判断。

4 .核自旋弛豫时间：13CNMR 可提供 T 1，并用于结构归属指定，构象的测定，以及窥测体 系的运动情况。

5 .核间相对距离：通过核的 Overhause 效应可测得。

3.1核磁共振的基本原理3.1.1原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，自旋将产生磁矩，但并非所有同位素的原子核有自旋，只有有自旋才有磁矩。

具有自旋运动的原子核具有一定自旋量子数（I ），I=1/2 *n ，那1，2，3···1. 核电荷数和和质量数均为偶数的原子核没自旋。

2. 核电荷数为奇数或偶数，核质量数为奇数，有自旋现象。

3. 核电荷数为奇数，核质量数为偶数，I 为整数的原子核有自旋现象。

对于自旋不为零的核来说，当其自旋时由于形成环电流，故而产生一个小磁场，这个小磁场可用核磁矩 μ 表示。

μ 是矢量，其大小由下式确定：πγγμ2)1(hI I p +==式中 γ ---核的磁旋比 p---自旋角动量不同的核有不同的 γ 值，是确定同位素核的特征常数。

3.1.2自旋核在磁场中的取向和能级对于I 不为零的核来说，如果不受外来磁场的干扰，其自旋轴的取向将是任意的。

当它们处于外加静磁场（磁场强度为H0）中时，根据量子力学理论，它们的自旋轴的取向不再是任意的，而只有(2I+1)种，这叫核自旋的空间量子化。

每一种取向可用一个磁量子数m 表示，则m=I，I-1，I-2，…-I+1，-I。

核磁共振碳谱(13C-NMR)Produced by Jiwu Wen•核磁共振碳谱的特点：1. 化学位移范围宽。

碳谱(13C-NMR)的化学位移δC通常在0～220 ppm之间(对于碳正可达330 ppm)。

离子δC比较：1H-NMR的化学位移δ通常在0～10 ppm之间。

Example:2. 13C-NMR给出不与氢相连的碳的共振吸收峰。

核磁共振碳谱(13C-NMR)可以给出季碳，羰基碳，氰基碳，以及不含氢原子的烯碳和炔碳的特征吸收峰。

3. 13C-NMR的偶合情况复杂，偶合常数大。

核磁共振碳谱(13C-NMR)中偶合情况比较复杂，除了1H-1H偶合，还有1H-13C以及1H，13C与其它自旋核之间的偶合。

1H-13C的偶合常数通常在125-250 Hz。

因此在谱图测定过程中，通常采用一些去偶技术。

4. 13C-NMR的灵敏度低。

•核磁共振碳谱的去偶技术 1. 质子宽带去偶(也称为质子噪声去偶)。

质子宽带去偶是一种双共振去偶技术，实验方法是：用一相当宽的频率(包括样品中所有氢核的共振频率)照射样品，消除13C-1H 之间的偶合，使每种碳原子只给出一条谱线。

2. 偏共振去偶(也称不完全去偶)。

这种去偶技术的实验方法是：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(B 2)，其频率略高于待测样品中所有氢核的共振吸收频率，使1H 与13C 之间在一定程度上去偶，不仅消除2J ～4J 的弱偶合，而且使1J 减小到J r (表观偶合常数)。

J r 和1J 之间的关系如下：r 12J J B /2∆νλπ=根据n+1规律，在偏共振去偶谱中，伯碳裂分为四重峰(用q表示)，仲碳为三重峰(t)，叔碳为两重峰(d)，季碳以及不与氢相连的碳为单峰(s)。

Example:2-丁醇的宽带去偶谱2-丁醇的偏共振去偶谱2-丁酮的质子宽带去偶谱和偏共振去偶谱3. 质子选择性去偶。

4. 门控去偶和反转门控去偶。

主要用于定量分析。

怎么解析碳谱碳谱是一种分析物质结构的方法，利用了同位素碳13和碳12的不同比例来推断化合物的结构。

碳谱在有机化学领域中非常重要，可以帮助研究人员识别和确定有机分子的结构。

本文将介绍碳谱的解析方法和基本原理，以及一些常见的谱线和它们所代表的结构。

1. 碳原子和碳谱的基本原理碳谱是基于核磁共振(NMR)技术的，利用同位素碳13和碳12的不同比例来识别和确定分子中的碳原子的环境和连接方式。

在自然界中，碳原子最常见的同位素是碳12，而稀有同位素碳13的含量仅约为1%。

因此，利用碳谱来分析组成碳12和碳13的化合物，可以通过谱峰的强度和位置来区分不同的结构和类型。

2. 通过解析谱峰来推断结构碳谱可以通过观察不同化合物的峰形和谱线特征来推断结构。

其中，主要有四种谱线：甲基(methyl)、甲烷(methylene)、亚甲(methine)和芳香(aromatic)。

- 甲基峰一般在20-30 ppm的化学位移范围内，是因为甲基中没有其他质子或惰性原子与碳原子相连。

它的峰形类似于单个尖锐的峰。

- 甲烷峰在30-40 ppm，因为甲烷中有一个氢原子与碳原子相连，它的峰形类似于一对上下对称的峰。

- 亚甲峰在40-60 ppm，其中一个碳原子与两个氢原子相连，它的峰形类似于单个峰。

- 芳香峰在120-200 ppm间，通常是分离的，呈现单条或多条肩峰的峰形。

3. 确定化学位移来推断结构化学位移是指在不同环境下的碳原子的吸收频率。

通过测量不同环境下的碳原子的化学位移，可以推断分子中不同碳原子的环境和连接方式。

例如，苯环中的碳原子各不相同，对应的峰形也会不同。

最外层的邻位(ortho)碳原子和对位(para)碳原子的化学位移大约在130-140 ppm之间。

而邻位和对位之间的甲基碳原子的化学位移通常在20-30 ppm之间。

4. 结语总之，碳谱是物质结构分析的重要工具。

通过测量不同的化合物的谱线和化学位移，可以定量分析和推断原子的环境和结构。