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核磁共振碳谱的特点和优点

2019.4.16

 核磁共振氢谱的主要参数有化学位移、峰的裂分和耦合常数,、峰面积,这些参数都在核磁共振氢谱中反映出来,但核磁共振碳谱的外观和氢谱有很大的差别。

  核磁共振碳谱测定的是13C核,其同位素丰度只有大约1%,因此在碳谱中看不到碳碳之间的耦合裂分。再者,由于在测定碳谱时进行对氢的去耦,碳谱中没有相连的氢原子而引起的谱峰的裂分,因此在碳谱中呈现的是一条条的谱线(特殊情况下可能出现钝峰)。之所以采用对氢去耦是为了防止因氧对于碳(13C)谱线的裂分而产生的重叠(如果不对氢进行去耦操作,碳谱中谱峰的重叠会很严重),并提高碳谱的灵敏度。因此在碳谱中看不到峰组,只有谱线。在一般情况下,由于碳谱谱线的线宽都不宽,因而不测定谱线的积分数值。当然,谱线的高度大致反映碳原子的数目。

   核磁共振碳谱的横坐标是化学位移,纵坐标是谱峰的强度,其高度近似反映碳原予的数目。如果对碳原子的定量要求高,或者普通的全去耦碳谱的结果不够明了,可以作定量碳谱(需要采用特殊的脉冲序列)以得到准确的碳原子定量信息。

   图2.1为化合物C2-1的碳谱。

          

   核磁共振碳谱具有下列的特点,对于推导未知物结构或者确认结构都很重要:

   (1)碳原子构成有机化合物的骨架,有些官能团不舍氢原子,但是含碳原子,如羰基、氰基等。

   (2)核磁共振碳谱化学位移数值的变化范围远远大于核磁共振氢谱的范围。常见官能团氢谱中的化学位移数值很少超过10 ppm,而它们碳谱的变化范围则可超过200 ppm。

   (3)核磁共振氢谱除了化学位移数值的变化范围小以外,由于峰组有一定的宽度,因而常有峰组重叠的现象,不易区分。对于天然产物来说,它们的氢谱难以作为指纹式的区分。核磁共振碳谱的化学位移数值变化范围约是氢谱的20倍,更因为在碳谱中呈现的是一条条的谱线,很少遇到谱线重叠的情况。化合物结构的细微变化都有望在核磁共振碳谱中得到完好的反映。相对分子质量在400以内的有机化合物,若分子无对称性,原则上

每个碳原子都对应一条谱线。对于天然产物来说,很容易从碳谱来区分。

   (4)测定碳原子的级数已经是常规方法,这对于推导未知物结构很有用。所以,根据核磁共振碳谱和碳原子级数的确定,未知物含有多少个碳原子,伯、仲、叔、季碳原子各是多少,大致是属于哪类基团,都可以得到结论。

   (5)核磁共振碳谱对于化合物的立体结构敏感,适宜解决立体化学的问题。

   在这里有必要说明核磁共振碳谱的低灵敏度。

   核磁共振信号的信噪比S/N 可用式(2.1)表示:

    

    式(2.1)右端的N是所测量的磁性核数目,它正比于同位素丰度。由于13C的同位素丰度仅约1%,单从这点考虑,碳谱就比氢谱的信噪比低了两个数量级,γexe和γdet分别是激发核和检测核的磁旋比,13C核的磁旋比y只有氢核的1/4,因此碳谱的信噪比相对比氢谱又低很多。由于上述原因,测定样品的碳谱必须累加。在记录与碳原子有关的二维核磁共振谱时,由于有一定的机制增加”C核的检测灵敏度,因此在鉴定有机化合物结构的一套核磁共振谱图中,记录碳谱是最费机时的。


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