核磁共振碳谱总结

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。

4.2 核磁共振碳谱的测定方法

4.2.1 脉冲傅里叶变换法

同核磁共振氢谱。

4.2.2 核磁共振碳谱中的几种去偶技术

13C核的天然丰度很低，分子中相邻的两个 C 原子均为13C 核的几率极低，因此可忽略13C 核之间的偶合。

13C-1H 之间偶合常数很大，高达 120～320Hz，而13C 被偶合氢按 n＋1 规律分裂为多重峰，使谱图不易解析，为提高灵敏度和简化谱图，须去掉1H 对13C 的偶合，方法有如下几种。

1. 质子带宽去偶法

又称噪声去偶，是最重要的去偶技术。在观察13C的同时，用一覆盖所有质子共振频率的射频照射质子，消除全部氢核对13C 的偶合，使每一个磁等价的13C 核成为一个信号，13CNMR呈现一系列单峰，同时由于 NOE 效应使13C 峰大为增强，信噪比提高。

2. 偏共振去偶法

使用偏离1H共振的中心频率 0.5~1000Hz 的质子去偶频率，使与13C核直接相连的1H 和13C核之间还留下一些自旋偶合作用，1J C-H 减小，而2J CCH 和3J CCCH消失。因此，按n+1规律，CH3显示四重峰，CH2显示三重峰，CH显示二重峰，季碳显示单峰。用偏共振去偶法可以确定与碳原子相连的质子数目，从而可判断各碳的类型。

3. 门控去偶法

又称交替脉冲去偶。接收到的信号既有偶合，又有NOE增强的信号，即既保留了峰的多重性，又达到谱峰强度增加的目的。

4. 反转门控去偶法

又称抑制NOE的门控去偶。可以得到碳数与信号强度基本上成正比的图谱。

5. 选择质子去偶

又叫单频质子去偶。其目的是为了使待指认的13C峰去偶，其它13C不去偶，以便区别。首先记录该化合物的氢谱，然后选择去偶质子，用其共振频率去照射，使其饱和，与其相连的13C不被偶合，成为单峰。使用此法依次对1H 核进行照射，即可使相应的13C核信号得到准确的归属。

6. INEPT谱和DEPT谱

INEPT法：低灵敏度核的极化转移增强法

DEPT法：不失真地极化转移增强法

4.3 13C的化学位移

4.3.1 屏蔽常数

与H核一样，C核的共振频率ν与B O有如下关系：

ν＝γ B O（1－σ）∕2π

由于核所处化学环境不同其屏蔽常数σ的值不同，因此共振频率ν也不同。

4.3.2 影响13C化学位移的因素

1. 碳杂化轨道

以TMS为标准，对于烃类化合物来讲：

sp3杂化碳的δ 范围为：0~60ppm

sp2杂化碳的δ 范围为：100~150ppm

sp杂化碳的δ 范围为：60~95ppm

2. 诱导效应

诱导效应使碳的核外电子云密度降低，具有去屏蔽作用。

3. 共轭效应

共轭效应会引起电子云分布的变化，导致不同位置C的共振吸收峰发生偏移。苯环上氢被具有孤对电子的基团（－NH2，－OH等）取代，发生 p-π 共扼，使邻、对位碳的电荷密度增加，屏蔽作用增强，导致邻、对位碳的化学位移较苯移向高场。同理，吸电子基使邻、对位去屏蔽，则导致邻、对位碳信号移向低场。但不影响间位碳的化学位移。

4. 立体效应

13C的化学位移对分子的立体构型十分敏感。对于范德华效应，当两个H原子靠近时，由于电子云的相互排斥，使电子云沿着 H-C 键向 C 原子移动，C 的屏蔽作用增加，δ向高场移动。

5. 氢键

氢键包括分子内氢键和分子间氢键。羰基化合物分子内氢键的形成，使O原子上的孤对电子移向H原子，因此羰基C原子更缺少电子，故共振移向低场。分子间氢键的作用与分子内氢键类似。

6. 测定条件：溶剂和温度等。

4.3.3 各类化合物的13C化学位移

碳原子类型化学位移（ppm）

>C＝O 酮类188～228

醛类185～208

酸类165～182

酯、酰胺、酰氯、酸酐150～180

>C＝N－OH 肟155～165

>C＝N－亚甲胺145～165

－N＝C＝S 异硫氰化物120～140

－S－C≡N 硫氰化物110～120

－C≡N 氰110～130

115～155

X

X：O S N 芳杂环

110～135

芳环

>C＝C< 烯110～150

－C≡C－炔70～100

C O

70～85

季碳醚

>CH－O－叔碳醚65～75

－CH2－O－仲碳醚40～70

CH3－O－伯碳醚40～60

C N

65～75

季碳胺

CH N叔碳胺50～70

CH2N仲碳胺40～60

CH3N伯碳胺20～45

C S

55～70

季碳硫醚

S

CH叔碳硫醚40～55

－CH2－S－仲碳硫醚25～45

CH3－S－伯碳硫醚10～30