核磁共振氫譜研究生有機(jī)合成

ABC,隨著vAB/J值的降低，AMXABXABC,ABC系統(tǒng)更加復(fù)雜，最多出現(xiàn)15條峰，峰的相對強(qiáng)度差別大，且相互交錯(cuò)，難以解析提高儀器的磁場強(qiáng)度，vAB/J值增大，使二級譜轉(zhuǎn)化為一級譜ABCABXAMX,例如：60兆赫茲的譜圖中屬于ABC系統(tǒng)，但220兆赫茲的譜圖可用AMX系統(tǒng)處理,四旋系統(tǒng),4個(gè)質(zhì)子間的相互偶合,常見的有AX3,A2X2,A2B2,AABB,AX3A2X2一級譜A2B2,AABB二級譜,例如：CH3CHO,CH3CHX-,-OCH2CH2CO-等一級譜處理。,A2B2系統(tǒng),A2B2系統(tǒng)理論上18條峰，常見14條峰，A、B各自為7條峰，峰形對稱。vA=v5，vB=v5，JAB=1/21-6,例如：-氯乙醇,AABB系統(tǒng):,理論上出現(xiàn)28條峰，AA，BB各自14條峰。,例如：,鄰二氯苯的譜圖如下：,P-CH3OC6H4CH2Cl芳?xì)浜舜殴舱裎盏恼归_圖,Jo兩主峰間的距離,8HzJm兩側(cè)峰間的距離的1/2，2Hz.AA,BB近似估計(jì)或經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。,常見一級自旋體系,常見一級自旋體系,Jab,Jab,Jab,td,qd,苯環(huán)上氫的核磁共振,苯由于產(chǎn)生感應(yīng)磁場而導(dǎo)致化學(xué)位移值達(dá)到7ppm左右。許多有機(jī)物分子中都含有苯環(huán)，因而核磁共振氫譜圖上，苯環(huán)的峰非常特征，易于判斷。正常的苯環(huán)上6個(gè)氫的化學(xué)位移值在7.18ppm，但有機(jī)物分子中的苯環(huán)上的氫至少被一個(gè)基團(tuán)取代，最多能被六個(gè)取代基取代（此時(shí)不再有苯環(huán)氫，7ppm左右無峰）。常見的是單取代和雙取代.,苯環(huán)單取代,苯環(huán)對位雙取代,苯環(huán)鄰位雙取代,苯環(huán)間位雙取代,1。苯環(huán)單取代，苯環(huán)上還有5個(gè)氫，這5個(gè)氫在核磁共振譜圖上是否發(fā)生分裂，取決于取代基X的吸斥電子和共軛等效應(yīng)的大小。A)若X為烴基，-Cl,Br等則Ha，Ha，Hb，Hb和Hc五個(gè)氫沒有明顯的差別，在核磁共振譜圖上表現(xiàn)為單一的寬峰。B)但X為O、N和S等雜原子或是，則5個(gè)氫可以分成三組，即Ha，Ha；Hb，Hb和Hc。分為較高場的鄰對位三個(gè)氫峰組和相對低場的間位二個(gè)氫。間位氫顯示3J偶合三重峰。屬于這類取代基的有OH,-OR,-NH2,NHR,-NRR,SH,SR等。,對于苯環(huán)雙取代，若兩個(gè)取代基相同（X=X），則對位取代苯環(huán)上的四個(gè)氫Ha=Ha=Hb=Hb，在核磁共振譜圖上表現(xiàn)為單峰。若鄰位取代，苯環(huán)上四個(gè)氫分成Ha，Ha和Hb，Hb兩類，在核磁共振譜圖上表現(xiàn)為雙峰。若間位取代，苯環(huán)上四個(gè)氫分成Ha；Hb，Hb和Hc三類，而且這三類氫還會發(fā)生偶合作用，因而在核磁共振譜圖上表現(xiàn)位三組分裂的多重峰（參見圖9.5a）。當(dāng)苯環(huán)雙取代的兩個(gè)取代基不同（XX）時(shí)，情況更為復(fù)雜。對于對位取代，苯環(huán)上四個(gè)氫將分成Ha=Ha和Hb=Hb兩組，而且兩組氫會發(fā)生偶合作用，在譜圖上表現(xiàn)為兩組雙重峰。對于鄰位和間位取代，苯環(huán)上四個(gè)氫完全不同，依據(jù)兩個(gè)取代基的情況，會分成24組各自分裂的峰。,雙硝基不同位置取代苯的核磁共振譜圖,對硝基苯譜圖只有單峰，表明苯環(huán)上四個(gè)氫一致。間硝基苯譜圖有三組分裂的峰，表明苯環(huán)上四個(gè)氫在兩個(gè)硝基的作用下分成三組各自偶合的峰。而鄰硝基苯譜圖上有一個(gè)分裂的雙重峰，表明苯環(huán)上四個(gè)氫分成能偶合的兩組。順便一提：由于兩個(gè)硝基強(qiáng)大的吸電子和共軛作用，苯環(huán)上氫的化學(xué)位移值大大增加，已達(dá)到8.0ppm以上。,間和對-硝基苯乙酸的核磁共振氫譜,由于苯環(huán)上兩個(gè)取代基不同，苯環(huán)上四個(gè)氫至少被分成兩組。對于對硝基苯乙酸，苯環(huán)上四個(gè)氫分成對稱的兩組，因而譜圖上是對稱的兩組雙峰。而間硝基苯甲酸，苯環(huán)上四個(gè)氫不再對稱，因而譜圖上峰的分裂也是不規(guī)則的。另外，硝基苯甲酸分子中除了苯環(huán)氫外，還有羧基中羥基氫和一個(gè)亞甲基氫，3.8ppm的單峰是亞甲基氫,SpinSysteminPoplenotation-AMXSystem,Aromaticsubstitutionpattern:ortho,AAXX,Typicalspectraforortho(symmetrical),Aromaticsubstitutionpattern:ortho,ddJ=7.7,1.5,ddJ=8.1,0.7,tdJ=7.4,1.1,tdJ=8.1,1.5,Aromaticsubstitutionpattern:meta,tJ=8.1,dtJ=7.7,1.5,dddJ=8.1,2.2,1.1,tJ=1.8,Aromaticsubstitutionpattern:para,Tri-substitutedBenzene-AMXSystem,譜儀頻率對耦合的影響,80MHz,400MHz,3,3,d(2.4),5,5,dd9.2,2.4,6,6,d(9.2),3,3,ddd5.0,1.5,0.9,6,6,dt7.9,1.0,5,5,ddd7.9,7.4,1.6,4,4,ddd7.4,5.0,1.0,在不同頻率的譜儀下得到的化學(xué)位移值(ppm)是相同的。,耦合常數(shù)的值(Hz)與譜儀頻率無關(guān),8.00ppmand7.80ppm80MHz:16Hz400MHz:80Hz,7.15,3.69,2.96,2.61ppmJ5.5Hz,4.1Hz,2.5Hz,25波譜分析方法的簡化,1.提高磁場強(qiáng)度提高磁場的靈敏度根據(jù)波爾茲曼的分布，隨著場強(qiáng)H0的增強(qiáng)低能態(tài)的核子數(shù)也隨著增加，從而提高儀器的靈敏度。，實(shí)際上譜儀的靈敏度（信噪比S/N）是場強(qiáng)的3/2次方成正比。S/N=H03/2,(2)提高譜儀的分辨率,隨著場強(qiáng)的增加，特別是超導(dǎo)磁體，可以獲得很高的磁場均勻度，從而提高譜儀的分辨率。因此使用高頻率的儀器，可簡化圖譜。前面我們已經(jīng)討論了/J決定了譜圖的復(fù)雜程度。J的數(shù)值反映了核磁距相互作用能量的大小，它是分子本身固有的，化學(xué)位移也是不隨著儀器的頻率改變而發(fā)生變化。但是的確與儀器的頻率成正比。,例如：60兆赫茲的譜圖中屬于ABC系統(tǒng)，但220兆赫茲的譜圖可用AMX系統(tǒng)處理。,(3)重氫交換,如果化合物中含有與O,N,S相連的氫，在溶液中可以進(jìn)行重水交換，相應(yīng)的峰消失。其順序是OHNHSH.這樣可以簡化圖譜。通常溶劑是D2O.重氫交換是用氘代試劑中的D取代含有-OH、-NH、-SH和-COOH等活性氫原子有機(jī)物分子中的H，這一技術(shù)是向已測定核磁共振氫譜的有機(jī)物樣品管中，加少量重水（D2O），振搖后再測定核磁共振。若有核磁共振峰消失或減少現(xiàn)象，就可以推斷相應(yīng)的化學(xué)位移處是有-OH、-NH、-SH或-COOH活性氫原子的。同樣，用氘氧化鈉（NaOD）等試劑可以將一些有機(jī)物分子中的甲基或亞甲基上的H換成D，這樣就使原本能自旋偶合的相鄰H被D阻隔而相互不再發(fā)生峰分裂。從而不僅確定了重氫交換處相關(guān)氫的位置，而且也對重氫交換相鄰處氫的判斷提供了依據(jù)。重氫交換方法非常簡單易行，因此，在核磁共振氫譜的測定過程中經(jīng)常被運(yùn)用。,D2O交換:-OH,-NH2,-COOH,-SH,NaOD交換:,例如：,(4)化學(xué)位移試劑,我們知道：正常的核磁共振氫譜的化學(xué)位移值在010ppm范圍，化學(xué)位移的范圍非常窄。假如，化學(xué)位移范圍被拉大，尤其是相鄰重疊峰的化學(xué)位移增加，則各峰之間就可以區(qū)別分辨。,a是不加位移試劑的正己醇的核磁共振氫譜，四個(gè)相鄰的亞甲基具有差不多的化學(xué)位移，分裂的峰重疊在一起，根本不能區(qū)分。但當(dāng)加入Eu(DPM)3位移試劑后，不僅各峰的化學(xué)位移增加，而且各峰分開，分裂的多重峰也清晰可辯（圖b）。這樣，就可以很容易地將正己醇分子中的各種氫都能推斷出來,a,b,含有未配對電子的金屬離子具有磁性，這樣在有機(jī)樣品中加入金屬離子配合物往往會引起試樣的核磁共振峰的化學(xué)位移變化，這類能引起有機(jī)物分子核磁共振峰化學(xué)位移變化的試劑就是位移試劑。常用的位移試劑是鑭系元素銪(Eu)和鐠（Pr）的三價(jià)正離子與二酮及其衍生物形成的配合物。通常Eu3的位移試劑是使有機(jī)物分子中特定氫的化學(xué)位移增加，即向高值方向移動；Pr3位移試劑則相反，是將有機(jī)物分子中特定氫的化學(xué)位移向低值方向移動。因絕大多數(shù)有機(jī)物分子中氫的化學(xué)位移值為正,數(shù)，因而Eu3位移試劑使用比較普遍。最常見的商品位移試劑是Eu(DPM)3（DipivalomethanatoEuropium），其對不同類型有機(jī)物分子中的特定氫分子位移的影響有顯著差異（表9.2）。Eu(DPM)3能將胺基和羥基氫的化學(xué)位移增加到100ppm以上，而對其它有機(jī)基團(tuán)氫的位移分別從3ppm增加到30ppm。對硝基和鹵化物、烯類和酚等酸性有機(jī)物，位移試劑將被分解而不可用。,位移試劑Eu(DPM)3對不同類型有機(jī)物分子中氫化學(xué)位移的影響,手性位移試劑中許多是鑭系金屬試劑。鑭系金屬配合物是弱Lewis酸，在非質(zhì)子溶劑(如CDCl3、CCl4或CS2)中，這些順磁性的鹽能和Lewis堿(特別是那些含有孤對電子的堿，如酰胺、胺、酯、酮和亞砜)配合。結(jié)果，質(zhì)子、碳和其他核相對于那些未受配合的位置而言，通常受到去屏蔽作用，因而這些核的化學(xué)位移也改變了。這種改變的程度取決于配合的強(qiáng)度以及核與順磁金屬原子核的距離。因此，不同類型的核以不同的程度位移，導(dǎo)致核磁譜的簡單化。在手性位移試劑存在下，對映體的核磁譜的不等價(jià)性，可用手性位移試劑一一手性化合物所生成的非對映配合物的幾何結(jié)構(gòu)的不同以及可能引起的磁環(huán)境的不同來解釋,(5)雙共振（doubleresonance）,雙共振又叫雙照射（doubleirradiation）.正常的核磁共振.正常的核磁共振是用單一的電磁波對有機(jī)樣品進(jìn)行照射，有機(jī)物分子相鄰的氫核會產(chǎn)生自旋偶合而發(fā)生峰分裂。對于這些能發(fā)生自旋偶合的氫核，如果再同時(shí)利用第二個(gè)電磁波照射，而且照射頻率剛好與自旋氫核的頻率相同，這就消除了自旋氫核間的偶合效應(yīng)，相鄰氫核不再有偶合現(xiàn)象，峰不會發(fā)生分裂，這樣就使譜圖簡單明辯.,雙共振是同時(shí)用兩種頻率的射頻場作用在兩種核組成的系統(tǒng)上，第一射頻場B1使某種核共振，第二射頻場B2使另外一種核共振，這樣兩個(gè)原子核同時(shí)發(fā)生共振。,自旋去偶是雙共振（spindecoupling）最常用的方法。以AX體系為例，A的譜線被X分裂，但若A被照射而共振（該照射的頻率為1）,以強(qiáng)的功率照射X（2），X的核發(fā)生共振被飽和，在A核處產(chǎn)生的附加磁場平均為零，這消除了X核對A核的偶合作用。,26NOE效應(yīng)（NuclearOverhausereffect）,1.定義在一個(gè)分子中，當(dāng)兩個(gè)氫核Ha和Hb在空間靠近，以b照射，將使Hb的核躍遷至高能級，這些核通過馳豫（Relaxation）過程的能量轉(zhuǎn)移使Ha核比較多處于低能級，其結(jié)果使得低能級Ha核吸收射頻的強(qiáng)度增加，在譜圖上Ha譜線增高，這種現(xiàn)象稱之為NOE效應(yīng)。,NOE效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制是兩個(gè)空間相近核磁距作用的偶極偶合。而自旋偶合是通過化學(xué)鍵傳遞的，通過化學(xué)鍵傳遞偶合的稱之物標(biāo)量偶合。因此兩個(gè)核空間靠近是發(fā)生NOE效應(yīng)的必須條件，而與它們相隔的化學(xué)鍵的數(shù)目無關(guān)。當(dāng)然二者空間距離在一定的范圍之內(nèi)，一般說來不超過5個(gè)化學(xué)鍵。因此NOE效應(yīng)就成為研究立體化學(xué)的重要手段。,在具體的實(shí)驗(yàn)中，需要觀察比較選擇去偶前后的譜線的強(qiáng)度。這種方法在NOE弱的情況下是相當(dāng)受限制的，只有吸收強(qiáng)度改變大于10，才能肯定兩個(gè)氫核在空間相近。即使觀察不到NOE也不能否定兩個(gè)氫核在空間靠近，可能存在著其它的干擾而掩蓋了NOE.到了八十年代后期，在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了NOE差譜技術(shù)。,2。NOE差譜,所謂NOE差譜就是將脈沖傅立葉變換（PFT）儀器雙照射前后所得的自由誘導(dǎo)衰減信號（FID）進(jìn)行扣除便得到NOE差譜。差譜中所顯示的僅僅是那些由NOE誘導(dǎo)而發(fā)生強(qiáng)度變化的核信號，所有其它信號都被扣除。所以即使是很小的增益也可靠檢測出，同時(shí)不存在其它重疊信號的干擾。,飽和型3J的應(yīng)用,用于赤式和蘇式構(gòu)型的確定,HNMR在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,赤式構(gòu)型的穩(wěn)定構(gòu)像以(I)為主，3Jab812Hz。若有分子內(nèi)氫鍵存在時(shí)，以形成內(nèi)氫鍵的穩(wěn)定構(gòu)像為主。,赤式的Newman投影,蘇式構(gòu)型的穩(wěn)定構(gòu)像以(III)為主，3Jab24Hz。若有分子內(nèi)氫鍵存在時(shí)，以形成內(nèi)氫鍵的穩(wěn)定構(gòu)像為主。,蘇式的Newman投影,麻黃堿（赤式構(gòu)型）的穩(wěn)定構(gòu)像,偽麻黃（蘇式構(gòu)型）的穩(wěn)定構(gòu)像,3Jef=4Hz,分子內(nèi)氫鍵，赤式構(gòu)像，麻黃堿。,3Jcf=10Hz,分子內(nèi)氫鍵，蘇式構(gòu)像，偽麻黃堿,用于確定六元環(huán)中CH3為a或e鍵,用于判斷烯烴取代基的位置,烯烴,例C10H10O的1HNMR譜如下，推導(dǎo)其結(jié)構(gòu),例C5H8O2的1HNMR譜如下,推導(dǎo)其結(jié)構(gòu),ppm:1.16(t3H),2.36(q2H),4.47(dd1H),4.77(dd1H),7.24(dd1H),遠(yuǎn)程偶合,大于叁鍵的偶合稱之遠(yuǎn)程偶合。遠(yuǎn)程偶合(4J,5J)的偶合常數(shù)一般較小，在02Hz范圍。芳環(huán)體系苯的衍生物Jm=4J2Hz,Jp=5J01Hz吡啶衍生物J2,4J3,5J4,6=4J2HzJ2.5J3,6=5J01Hz呋喃，吡咯類衍生物4J=J2,4=J3,512Hz,例分子式C4H6O2，ppm:1.9s3H，11.5s1H（該氫可重氫交換）1HNMR譜如下，推導(dǎo)其結(jié)構(gòu)。,Namen(ppm)12311H111.70021H16.2000.0031H15.6000.002.0041H31.9500.002.702.70,C4H6O21HNMR譜的部分展開譜,例C5H8O2兩種異構(gòu)體的1HNMR譜如下，確定其結(jié)構(gòu)A圖,A展開圖,B圖,a1.87d3Hb3.71s3Hc5.83m1Hd7.03m1H,B展開圖,2.7其它核對1H的偶合,13C-1H19F-1H31P-1H2H(D)-1H14N-1H,31P-1H,I=1/2,符合(n+1)規(guī)律。1JP-H2JP-C-H3JPC-C-H3JPO-C-H；變化范圍大。在1HNMR譜中，表現(xiàn)出31P對1H的偶合裂分;在31PNMR譜中，同樣表現(xiàn)出1H對31P的偶合裂分。,1JP-HP-H180200Hz；(CH3CH2O)2PH=O6.3Hz2JP-C-H240HzCH3P(CH3CH2)3PCH2=CHP2JP-C-H2.7Hz13.7Hz1040Hz(CH3CH2)3P=O(CH3CH2O)3P=OCH2=CHP3JPCC-H11.6Hz3JPOC-H8.4Hz3Jcis3060Hz3Jtrans1030Hz,例解釋下列譜圖（2JP-C-H23Hz；3JPO-C-H7Hz）,I=1,符合(2n+1)規(guī)律常見氘代試劑中氘對殘存氫的偶合2JD-C-H1HzCD3CN2.0五重峰CD3COCD32.1五重峰CD3SOCD32.5五重峰,2H(D)-1H,I=1/2,符合(n+1)規(guī)律。1JC-H2JC-C-H3JC-C-C-H；變化范圍大，在13CNMR譜中討論。13C的天然豐度1.1%，如CHCl398.9%12CHCl3，1.1%13CHCl3,13C-1H,2.8核磁共振氫譜的歸屬及解析,2.7.1核磁共振氫譜的信號歸屬1.對核磁共振氫譜的信號歸屬就是對所有的質(zhì)子信號的指認(rèn)歸屬，主要包括化學(xué)位移，峰型，偶合常數(shù),質(zhì)子的數(shù)目以及質(zhì)子在結(jié)構(gòu)中的位置。2。如果某種質(zhì)子信號是單峰，用小寫（s)表示，雙重峰用（d),三重峰（t),四重峰（q).分辨不清的多重峰(m)。如果被觀察的質(zhì)子由兩種不同的質(zhì)子偶合引起的裂分（兩種不同的偶合常數(shù)）的四重峰（dd)三種不同的質(zhì)子（不同偶合常數(shù)）八重峰（ddd).,3。質(zhì)子的化學(xué)位移有譜圖中讀出或者計(jì)算出。質(zhì)子的由自旋偶合體系所決定。偶合常數(shù)可以從譜圖中讀出。4。正確的歸屬是：化學(xué)位移的值（峰型,質(zhì)子的數(shù)目,偶合常數(shù))或者（質(zhì)子的數(shù)目，峰型,偶合常數(shù))5.注意區(qū)分溶劑峰，常見的溶劑峰CD3CN2.0五重峰CD3COCD32.1五重峰CD3SOCD32.5五重峰