碳十三的核磁共振波譜實驗與解析
實驗室k / 2019-08-05
13C的核磁共振波譜實驗
13C波譜與1H波譜一樣，內標物也是四甲基硅烷(TMS)，量度單位是δ(ppm)，比TMS低場的(去屏蔽)是正數，高場的(屏蔽)是負數。在常規(guī)的13C波譜中，位移范圍大約比TMS低場240ppm；這是常規(guī)1H(約12ppm)的20倍。
常規(guī)13C的NMR的樣品量0.5～2g置于內徑12～15mm的樣品管中，只需5~10次脈沖；如果是100～200mg樣品，可用內徑5mm的樣品管，脈沖數需要幾個小時，10～100mg樣品可用內徑100μl的微量管，1mg或1mg以下的樣品可用內徑1.7mm的毛細管。
13C核磁共振波譜的解析
噪音質子去偶合的13C波譜上各個峰的解釋，首先要有參考物質作對照，并且要了解掌握化學位移與結構相互關系的經驗規(guī)律。這方面已積累了相當的文獻資料，記載了各類化合物的化學位移如何隨結構變化而起的微小變化。在噪音質子去偶13C波譜中，雖然增加了靈敏度，但除含31P和19F磁核以外，所有的13C共振譜線似乎都是單峰，所有的偶合信息全都損失了。
在1H波譜中，峰面積和在該面積下的質子數有滿意的正比關系，這是由于質子有足夠的弛豫時間。而在13C波譜中，峰面積和核的數目之間沒有正比關系，因為常規(guī)13C的NMR付里葉轉換實驗中，為完成所需的掃描次數，所花的時間是有限制的(兩個脈沖之間的時間只有0.1～1s)，而且，13C核的弛豫時間T1又在一個相當寬的范圍內變化，而各13C核在脈沖間隔時間中并不是均等地弛豫。也就是說，在兩個脈沖之間并不完全回到波爾茨曼分布，這樣產生的信號就比預期這些碳原子數所產生的信號要弱得多。另外一個復雜的因素即是NOE效應對所有的13C核來講并不是相同的，有些C原子由于弱NOE效應而引起例外的小峰。鑒于上述這些理由，13C譜線的峰面積不能正確積分以給出相應的C原子數目。
然而，一個有利之點是一些不帶有質子的C原子其峰強度很低，以致容易識別，這是由于不帶有質子的C常常有較長的弛豫時間而給出小峰，如羰基(除甲?；?、氰基、不帶質子的烯和炔C及季C原子等。但須注意，必需要有足夠數目的脈沖，或足夠長的脈沖間隔時間用以補償長的T1，才能使這些很弱的峰不致于消失在基線的噪音上。
用于檢識13C譜峰除了需掌握結構與化學位移之間的相互關系外，最常用的技術是部分去偶，允許恢復C—H的偶合信息。這方面的技術有偏共振去偶(off-resonance decoupling)、選擇性質子去偶(selective proton decoupling)、化學位移試劑(chemical shift reagents)和重氫取代(deuterium substitution)。下面分別作簡單介紹。
(1)偏共振去偶：這種技術使13C譜簡化，但是還保留著“殘余”的13C—H偶合信息。實驗時關閉寬譜帶噪音發(fā)生器，而采用一個補償高能量質子去偶器，在TMS的質子頻率高場1000～2000Hz處或低場2000～3000Hz處掃描。也就是說，掃描常用質子波譜的高場或低場，掃描寬度1000Hz。實驗結果顯示了13C—H的偶合模式，使.jpg "結構式")
以及—CH3分別可觀察到單峰、雙峰、三重峰(或兩個雙重峰)、四重峰，偶合常數比實際的C—H偶合常數要小。而且，多重峰外側小峰的強度也比理論上的1：2：1或1：3：3：1要弱。但是，這種13C波譜的峰容易識別，因為保持著13C—H的殘余偶合信息；不存在C—C—H的遠程偶合；13C共振譜帶的重疊多半又不存在，即使有，也可通過調節(jié)補償允許重疊的譜線分開；又由于NOE效應還存在，使13C譜顯示了相對高的靈敏度。
在一些大的有機分子中，用上述技術也不能使所有的C峰都能分離，然而，對于一些相對孤立的多重峰即使在最大分子中也能被檢識。
下面例舉鄰苯二甲酸二乙酯經不同技術操作所得到13C譜，儀器25.2MHz，溶劑CDCl3。
圖17-38a表示與質子完全偶合的13C譜，從中可以觀察到13C—H的偶合裂分峰。
圖17-38b表示采用寬譜帶噪音去偶的13C譜，13C—H間偶合作用完全消除，各C原子顯示單峰。峰1和峰2由于是季C原子，所以峰特別小。
圖17-38c表示質子去偶，并延長脈沖間隔為10s的13C譜。這樣增加了弱峰的強度，使峰1和峰2強度增加。
圖17-38d是采用偏共振去質子偶合的13C譜，保留了殘余的13C—H偶合，其偶合常數比實際的13C—H偶合常數小，多重峰外側小峰的強度也比理論上的1：2：1或1：3：3：1弱。
(2)選擇性質子去偶：對某一個特定質子以其精確頻率照射，照射能量比偏共振去偶合時要低。這樣，直接與該質子鍵合的碳其共振峰為一單峰，而其他13C吸收則顯示為殘余的偶合峰。這種技術可以用來檢識峰，但是要找出正確的頻率和去偶的適當能量較為困難，因此，本法難以得到滿意的結果。
(3)化學位移試劑：鑭系化學位移試劑也可以用作13C波譜的拉開，使重疊峰可以分離，并使質子的位移拉開。
(4)重氫取代：一個C的質子被重氫取代后，其13C信號在噪音去偶波譜上強烈地減小。這是由于重氫的I＝1，磁旋比γ是1H的15％，它將使13C的吸收峰裂分為三重峰(1：1：1)，J值相當于0.15×JCH。況且，13C—D的弛豫時間T1比13C—H長。最后，由于沒有照射2H，使該C的NOE效應損失。在譜上也可以看到殘余的未被重氫取代的13C—H峰。由于同位素效應，使13C—D的峰比13C—H稍處高場(每個D原子約為0.2ppm)。
上述理由同樣解釋了重氫溶劑顯示相當弱的信號。根據2nI+1規(guī)則，重氫氯仿顯1：1：1的三重峰，重氫化P-dioxane為1：2：3：2：1五重峰，重氫DMSO[(CD3)2SO]為1：3：6：7：6：3：1的七重峰。
.jpg "鄰苯二甲酸二乙酯的質子完全偶合的13C譜/鄰苯二甲酸二乙酯的寬譜帶噪音質子去偶合的13C譜")
.jpg "鄰苯二甲酸二乙酯的質子去偶合，脈沖間隔10s的13C譜/鄰苯二甲酸二乙酯的偏共振去質子偶合的13C譜")
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