核磁共振碳谱解析

一． 概 述

核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。核磁共振是指原子核在静磁场作用下，对固定频率电磁波进行吸收而在分裂后的能级之间产生共振跃迁的物理现象。NMR是由磁性核受幅射发生跃迁所形成的吸收光谱。研究最多、应用最广的是1H核的NMR，可用PMR或1H NMR表示。

核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫和哈佛大学珀塞尔各自独立发现，两人因此获得1952年的诺贝尔物理学奖。1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系。1953年 Varian公司试制了第一台NMR仪器。

近二十多年发展：

高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率；

脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定；

计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。

二．基本原理

1.原子核的自旋： 原子核是具有一定质量的带正电的粒子——具有自旋现象,自旋时产生核磁矩。

若原子核存在自旋，产生核磁矩：

自旋角动量： 核 磁 矩：

I：自旋量子数；h：普朗克常数；核磁子=eh/2M c；

自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：

质量数 原子序数 自旋量子数I

偶数 偶数 0

偶数 奇数 1,2,3....

奇数 奇数或偶数 1/2;3/2;5/2....

讨论：

1. I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收；

2. I=1 或 I >0的原子核

I=1 ：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

核磁共振碳谱

核磁共振（NMR）碳谱是一种用于结构确定和鉴定碳元素化合物的分析方法。NMR碳谱衡量同组成的化合物具有不同碳原子含量的对比幅度，因而可以将这些信息用于鉴定目标物质的构型。这使得NMR碳谱受到广泛的应用，可以用于鉴定复杂的生物活性成分以及特定的关键和活性组分。

NMR碳谱是一种通过测量含有碳的核磁共振信号的分析技术，它可以检测微弱的碳信号，并根据其强度对结构进行推断。由于NMR碳谱可以获取结构化学相关信息，因此在合成化学和生物化学领域都受到了极大的关注。NMR碳谱技术采用核磁共振原理，利用DNP（多纳米尺度分子组装）技术和数字信号处理技术的结合克服普通的NMR技术弱信号的限制，从而实现快速准确的分析效果。

此外，NMR碳谱可以非破坏性地检测多种有机物质，而且还可以描述例如芳香碳链构型等结构信息，为分子和结构特性之间的联系提供依据。由此可见，NMR碳谱证明是一种十分有效的结构分析方法，可以为系统设计不同构型的有机物提供重要的参考依据。

总之，NMR碳谱是一种应用程度广泛的鉴定分析技术，可以通过衡量不同碳原子含量的对比幅度，为化学合成和生物学实验提供准确的结构确定和构型分析结果。NMR碳谱的无损检测方式和准确的分析结果为许多有关研究领域提供了必要的参考信息，使NMR碳谱成为一种不可或缺的分析工具。

第4章 核磁共振碳谱

在C的同位素中，只有13C有自旋现象，存在核磁共振吸收，其自旋量子数I=1/2。13C NMR的原理与1H NMR一样。由于γc= γH /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。加之H核的偶合干扰，使得13C NMR信号变得很复杂，难以测得有实用价值的图谱。知道二十世纪七十年代后期，质子去偶技术和傅里叶变换技术的发展和应用，才使13C NMR的测定变的简单易得。

4.1 核磁共振碳谱的特点

1. 灵敏度低

由于γc= γH /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。

2. 分辨能力高

氢谱的化学位移δ值很少超过10ppm，而碳谱的δ值可以超过200ppm，最高可达600ppm。这样，复杂和分子量高达400的有机物分子结构的精细变化都可以从碳谱上分辨。同时13C自身的自旋-自旋裂分实际上不存在，虽然质子和碳核之间有偶合，但可以用质子去偶技术进行控制。

3. 能给出不连氢碳的吸收峰

有机化合物分子骨架主要由 C 原子构成，因而13C NMR 能更全面地提供有关分子骨架的信息。而 1HNMR 中不能给出吸收信号的 C=O、C=C、C≡C、C≡N以及季碳等基团，在 13CNMR

中都可以直接给出特征吸收峰。13CNMR 可直接观测不带氢的含碳官能团，如羰基、氰基等。

4. 不能用积分高度来计算碳的数目

13C NMR的常规谱是质子全去偶谱。对大多数碳，尤其是质子化碳，他们的信号强度都会由去偶的同时产生的NOE效应而大大增强。因此不到呢国家的碳原子的数目不能通过常规共振谱的谱线强度来确定。

5. 弛豫时间T1可作为化合物结构鉴定的波谱参数

在化合物中，处于不同环境的13C核，他们的弛豫时间数值相差较大，可以达到2~3个数量级，通过T1可以致人结构归属，窥测体系的运动情况等。

第4章 核磁共振碳谱

在C的同位素中，只有13C有自旋现象，存在核磁共振吸收，其自旋量子数I=1/2。13C NMR的原理与1H NMR一样。由于γc= γH /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。加之H核的偶合干扰，使得13C NMR信号变得很复杂，难以测得有实用价值的图谱。知道二十世纪七十年代后期，质子去偶技术和傅里叶变换技术的发展和应用，才使13C NMR的测定变的简单易得。

4.1 核磁共振碳谱的特点

1. 灵敏度低

由于γc= γH /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。

2. 分辨能力高

氢谱的化学位移δ值很少超过10ppm，而碳谱的δ值可以超过200ppm，最高可达600ppm。这样，复杂和分子量高达400的有机物分子结构的精细变化都可以从碳谱上分辨。同时13C自身的自旋-自旋裂分实际上不存在，虽然质子和碳核之间有偶合，但可以用质子去偶技术进行控制。

3. 能给出不连氢碳的吸收峰

有机化合物分子骨架主要由 C 原子构成，因而13C NMR 能更全面地提供有关分子骨架的信息。而 1HNMR 中不能给出吸收信号的 C=O、C=C、C≡C、C≡N以及季碳等基团，在 13CNMR

中都可以直接给出特征吸收峰。13CNMR 可直接观测不带氢的含碳官能团，如羰基、氰基等。

4. 不能用积分高度来计算碳的数目

13C NMR的常规谱是质子全去偶谱。对大多数碳，尤其是质子化碳，他们的信号强度都会由去偶的同时产生的NOE效应而大大增强。因此不到呢国家的碳原子的数目不能通过常规共振谱的谱线强度来确定。

5. 弛豫时间T1可作为化合物结构鉴定的波谱参数

在化合物中，处于不同环境的13C核，他们的弛豫时间数值相差较大，可以达到2~3个数量级，通过T1可以致人结构归属，窥测体系的运动情况等。