浅谈一维核磁共振谱图的解析方法

梁向晖 毛秋平 钟伟强

(华南理工大学化学与化工学院，广州 510640)

浅谈一维核磁共振谱图的解析方法

梁向晖 毛秋平 钟伟强

(华南理工大学化学与化工学院，广州 510640)

核磁共振波谱仪的广泛应用，使得大量的复杂化合物的结构得以鉴定，推动了整个有机化学向前飞速发展。如何对核磁共振谱图进行解析对初学者而言是一个难点，本文简述了一维核磁共振谱图(1D-NMR)的解析方法，并通过一个实例进行说明，以帮助初学者尽快地熟悉解析核磁共振谱图的方法。

核磁共振 解析方法 1D-NMR

1 引言

1939年，物理学家伊西多·拉比(Isidor Rabi)发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转，这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔奖。1946年美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了核磁共振NMR[1]，两人因此获得了1952年诺贝尔奖。核磁共振很快成为一种探索、研究物质微观结构和性质的高新技术。产生核磁共振现象都需要三个重要的基本条件：a.原子核必须是自旋的，即自旋量子数I不为零；b.自旋原子核必须置于强大、均匀的外加磁场中，外加磁场的作用是，使原来处于简并态的自旋原子核，产生高低磁能级的分裂；c.辐射电磁波，电磁波的能量与自旋原子核高低磁能级差相等或匹配，其作用是使处于低磁能级的自旋原子核向高磁能级跃迁，产生核磁共振现象[2]。核磁共振技术作为分析物质的化学组成、结构及其变化的重要手段之一，可深入探测物质内部而不破坏样品，并具有准确、快速和对复杂样品不需预处理就能进行分析等特点[3]。它检测的是组成有机化合物分子的原子核的性质及其周围化学环境的相互作用，从核磁共振波谱得到的反映核性质的参数，以及周围化学环境对这些参数的影响规律,包含了极其详尽的有机化合物分子结构和分子间相互作用的信息[4]。

核磁共振波谱解析主要是1H-NMR谱和13C-NMR谱的解析，只有当根据1H-NMR谱和13C-NMR谱的信息尚不能确定解析样品结构的时候，才进行2D-NMR实验，再通过分析其信息对样品的结构进行解析。需要说明一点，解析某个化合物的二维谱时，如果对其化学结构一无所知，能从二维谱中获取的信息将非常有限，甚至可能一无所获。因此通常的解谱程序是，在解二维谱以前，借助NMR一维谱和其它各种手段，对化合物的一级结构(即化学结构)已经有所了解或猜测，通过二维谱再讲一步确认，并获取更深入细致的结构信息(如化合物的空间结构信息等)。

对于化学专业的本科生，核磁共振波谱解析不仅是一门重要基础课程，更是一种赖以生存的技能。一个有经验的化学研究人员通过一张核磁共振谱图可以收集到许多信息，进而解析出对应化合物的正确结构，然而这种谱图对初学者来说仅仅是一页有许多波峰的纸。如何从一张复杂的谱图解析出对应化合物的结构，往往令初学者头疼不已。大多科研工作者通常接触到的是一维的核磁共振谱图，下面结合实验谱图简述一维核磁共振谱图的解析方法，以帮助初学者尽快地熟悉解析核磁共振谱图的方法。

2 1H-NMR谱解析

通常情况下，仅靠一张1H-NMR谱图是无法解析出合理的分子结构的，这往往需要结合分子式，用以推断或者验证化合物的结构式。

对核磁共振氢谱的解析一般有六个步骤：

(1)区分出杂质峰、溶剂峰、旋转边带。杂质含量较低，其峰面积较样品峰小很多，样品和杂质峰面积之间也无简单的整数比关系。据此可将杂质峰区别出来。氘代试剂不可能100%氘代，其微量未氘代的溶剂会有相应的峰，如CDC13中的微量CHCl3在约7.26×10-6处出峰。

(2)计算不饱和度。当不饱和度大于等于4时，应考虑到该化合物可能存在一个苯环(或吡啶环)。

(3)确定谱图中各组峰所对应的氢原子数目，对氢原子进行分配。根据积分曲线，找出各组峰之间氢原子数的简单整数比，再根据分子式中氢的数目，对各组峰的氢原子数进行分配。

(4)对每组峰的化学位移δ和偶合常数J都进行分析。根据每组峰氢原子数目及δ值，可对该基团进行推断，并估计其相邻基团。对每组峰的峰形应仔细地分析。分析时的关键之处为寻找各组峰中的等间距。每一种间距相应于一个偶合关系。一般情况下，某一组峰内的间距会在另一组峰中反映出来。通过此途径可找出邻位碳的氢原子的数目。当从裂分间距计算J值时，应注意谱图是多少MHz的仪器做出的，有了仪器的工作频率才能从化学位移之差Δε(10-6)计算出ε(Hz)。当谱图显示烷基链3J偶合裂分时，其间距(相应6～7Hz)也可以作为计算其他裂分间距所对应的赫兹数的基准[5]。

(5)根据对各组峰的化学位移和偶合常数的分析，推出若干结构单元，最后组合为几种可能的结构式。每一可能的结构式不能和谱图有大的矛盾。

(6)对推出的结构进行指认。每个官能团均应在谱图上找到相应的峰，各组峰的δ值及偶合裂分(峰形和J值大小)都应该和结构式相符。如存在较大矛盾，则说明所设结构式是不合理的，应予以去除。通过指认校核所有可能的结构式，进而找出最合理的结构式。必须强调：指认是解析结构中的一个必不可少的环节。

3 13C-NMR谱解析

在核磁共振发展的初期，大部分有机化学家会优先选择有机物的13C核，而不是1H核进行研究。毕竟，环状和链状化合物的碳骨架结构研究才是有机化学研究的核心。由于13C核的天然丰度和灵敏度比1H核低得多，导致早期连续波、慢扫描程序需要大量的样品和过长的扫描时间，这严重阻碍了13C-NMR的发展。直到20世纪70年代，由于傅里叶变换仪器的使用，使得13C-NMR迅速得到推广和应用。而现在，13C-NMR的灵敏度已经大大提高，扫描时间也已经大幅度减少。前面提到，仅靠1H-NMR谱图是无法解析出合理的分子结构的。但假如13C-NMR和1H-NMR并用就可以获取化合物完整的结构信息，大大提高解谱的正确性。

对核磁共振碳谱的解析也有六个步骤：

(1)鉴别谱图中的真实谱峰。①溶剂峰，氘代试剂中的碳原子均有相应的峰，这和氢谱中的溶剂峰不同(氢谱中的溶剂峰是因氘代不完全而引起，而碳谱却是因氘氢自旋量子数为I=1，它对相邻碳原子的偶合作用，根据2nI+1规则，常用的氘代氯仿在碳谱中的溶剂峰呈三重峰，中心谱线位置在77×10-6；②杂质峰，可参考氢谱中杂质峰的判别；③扫描碳谱时参数的选择会对谱图产生影响。当参数选择不当时，有可能导致季碳原子不出峰。

(2)分子对称性的分析，若谱线数目等于分子式中碳原子数目，说明分子无对称性；若谱线数目小于分子式中碳原子的数目，这说明分子有一定的对称性，相同化学环境的碳原子在同一位置出峰。

(3)碳原子化学位移δ值的分区。碳谱的化学位移大致可分为3个区：①羰基或叠烯区δ=150×10-6～165×10-6，醛、酮类化合物δ=200×10-6，连杂原子的羰基δ=160～170×10-6。②不饱和碳原子区(炔碳除外)δ=90～160×10-6，炔碳原子δ=70～100×10-6，这是炔碳原子的独有的特征区。由前两类碳原子可计算相应的不饱和度，此不饱和度与分子不饱和度之差表示分子中成环的数目。③脂肪链碳原子区δ<100×10-6。饱和碳原子若不直接连氧、氮、氟等杂原子，一般δ<55×10-6。

(4)碳原子级数的确定。由偏共振去耦或脉冲序列，如DEPT(包括DEPT 90°和DEPT 135°)确定。由此可计算化合物中与碳原子相连的氢原子数。若此数目小于分子式中氢原子数，二者之差值为化合物中活泼氢的原子数。

(5)结合上述几项推出结构单元，并进一步组合成若干可能的结构式。

(6)进行对碳谱的指认，通过指认选出最合理的结构式，此即正确的结构式。

下面结合化学创新班本科教学实验得到的1H-NMR谱图和13C-NMR，以此为例，对这个化合物的解析顺序进行详解。

4 解析例子

化合物A(图1～图4)：

图1 化合物A的1H-NMR

图2 化合物A的13C-NMR

图3 碳谱、DEPT90及DEPT135谱对比(a).化合物A的13C-NMR；(b).DEPT 90°；(c).DEPT 135°

图4 化合物A的19F-NMR1H NMR (400 MHz, CDCl3) δH 7.24 (dd, J = 8.3, 5.3 Hz, 2H), 7.00 (t, J = 8.6 Hz, 2H), 4.15 (q, J = 7.1 Hz, 2H), 3.57 (s, 2H), 1.25 (t, J = 7.1 Hz, 3H).13C NMR (100 MHz, CDCl3) δc 171.46, 162.02 (d, JF-C = 245.2 Hz), 130.80 (d, 3JF-C = 8.0 Hz), 129.87 (d, 4JF-C = 3.3 Hz), 115.37 (d, 2JF-C = 21.5 Hz), 60.93, 40.52, 14.15.

化合物A的解析顺序：

1H NMR的解析顺序：

①标峰位，δH=7.24存在一组dd峰；δH=7.00存在一组t峰；δH=4.15存在一组q峰；δH=3.57存在一组s峰；δH=1.25存在一组t峰。

②分别对各组峰积分，峰面积比例为2∶2∶2∶2∶3，结合化学位移和峰形分析。δH=1.25是一个CH3，且为三重峰，所以应连着一个CH2，对应找到化学位移为δH=4.15，的四重峰，所以δH=1.25和δH=4.15的两组峰表明有一个乙基，且由于CH2的化学位移在4.15，所以该乙基与一个杂原子相连；δH=3.57归属于一个两端连着不饱和键的CH2；δH=7.24和δH=7.00为苯环上的氢原子的化学位移。所以从氢谱可以大致判断该化合物有一个苯环，且是对位取代；有一个乙基以及一个两端临位原子上没有氢的亚甲基。

13C NMR的解析顺序：

③从19F NMR上得知，化合物A存在氟信号，δ=-115.89，氟原子直接连在苯环上。因此，解析13C NMR要先考虑碳谱裂分的情况。

④标峰位。首先可以看到δc=162.02 (d,JF-C= 245.2 Hz)、130.80 (d,3JF-C= 8.0 Hz)、129.87 (d,4JF-C= 3.3 Hz)和δc=115.37 (d,2JF-C= 21.5 Hz)处存在碳谱裂分，从偶合常数分析，δc =162.02对应的碳原子与氟原子一键相连；δc=130.80对应的碳原子处于氟原子的间位；δc =129.87对应的碳原子处于氟原子的对位；而δ=115.37对应的碳原子处于氟原子的邻位；再从DEPT 135°来看，苯环是对位双取代的，因为氟原子的邻、间位是向上朝向的CH，而对位是没有氢原子的。δc =14.15是归属于甲基碳原子，δc =60.93是一端与甲基连接的、一端与杂原子连接的CH2，即CH3CH2X-。同时，δc =171.46应该是连杂原子的羰基。由此推断，该化合物应该是个酯(其中一片段结构是-COOCH2CH3)。δc=40.52很有可能是处于羰基和苯环之间的CH2。

⑤将上面的结构片段拼接，化合物A的结构是

⑥每个官能团均应在谱图上找到相应的峰，各组峰的δ值及偶合裂分都和结构式相符。

5 结论

核磁共振波谱技术近年来发展迅速，新方法与新技术层出不穷，研究领域不断扩展，已经从最初的物理学领域逐步渗透到化学、生物、医疗等领域。越来越多研究人员需要掌握基本的一维的核磁共振解谱技能。结合化学创新班本科教学实验，简述了一维的核磁共振谱图的解析顺序，以帮助初学者尽快地熟悉解析核磁共振谱图的方法。

[1]钟军,蒋雪梅.核磁共振波谱在药物研发中的应用进展[J].光谱学与光谱分析，2015，1(1)：282-286.

[2]江瑷,阿里木江·艾拜都拉.波谱综合解析指导[M].北京：化学工业出版社，2008:44-45.

[3]王桂芳，马廷灿，刘买利.核磁共振波谱在分析化学领域应用的新进展[J].化学学报，2010，70(19):2005-2011.

[4]Christen B,Hornemann S,Damberger F F,et al. Prion protein NMR structure from tammar wallaby(Macro-pus eugenii)shows that the beta2-alpha2 loop is modulated by long-range sequence effects[J].J Mol Biol,2009,389(5):833-845.

[5]孟令芝，龚淑玲，何永炳，等. 有机波谱分析(3版)[M].武汉：武汉大学出版社，2009：114-115.

Discussion on analytical method of one-dimensional nuclear magnetic resonant spectra.

Ling Xianghui,Mao Qiuping, Zhong Weiqiang

(School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

In this paper the analytical method of one-dimensional NMR spectra is described and an example is taken to help the beginners.

nuclear magnetic resonance；analytical method；1D-NMR

华南理工大学校级教研教改项目(Y9160640);华南理工大学探索性实验教学项目(Y9160040)

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.019

2017-03-15

梁向晖,女,1972出生,硕士,高级实验师,主要从事实验教学和大型仪器设备管理,E-mail:liangxh@scut.edu.cn。