碳十三的核磁共振波谱实验与解析
实验室k / 2019-08-05
13C的核磁共振波谱实验
13C波谱与1H波谱一样，内标物也是四甲基硅烷(TMS)，量度单位是δ(ppm)，比TMS低场的(去屏蔽)是正数，高场的(屏蔽)是负数。在常规的13C波谱中，位移范围大约比TMS低场240ppm；这是常规1H(约12ppm)的20倍。
常规13C的NMR的样品量0.5～2g置于内径12～15mm的样品管中，只需5~10次脉冲；如果是100～200mg样品，可用内径5mm的样品管，脉冲数需要几个小时，10～100mg样品可用内径100μl的微量管，1mg或1mg以下的样品可用内径1.7mm的毛细管。
13C核磁共振波谱的解析
噪音质子去偶合的13C波谱上各个峰的解释，首先要有参考物质作对照，并且要了解掌握化学位移与结构相互关系的经验规律。这方面已积累了相当的文献资料，记载了各类化合物的化学位移如何随结构变化而起的微小变化。在噪音质子去偶13C波谱中，虽然增加了灵敏度，但除含31P和19F磁核以外，所有的13C共振谱线似乎都是单峰，所有的偶合信息全都损失了。
在1H波谱中，峰面积和在该面积下的质子数有满意的正比关系，这是由于质子有足够的弛豫时间。而在13C波谱中，峰面积和核的数目之间没有正比关系，因为常规13C的NMR付里叶转换实验中，为完成所需的扫描次数，所花的时间是有限制的(两个脉冲之间的时间只有0.1～1s)，而且，13C核的弛豫时间T1又在一个相当宽的范围内变化，而各13C核在脉冲间隔时间中并不是均等地弛豫。也就是说，在两个脉冲之间并不完全回到波尔茨曼分布，这样产生的信号就比预期这些碳原子数所产生的信号要弱得多。另外一个复杂的因素即是NOE效应对所有的13C核来讲并不是相同的，有些C原子由于弱NOE效应而引起例外的小峰。鉴于上述这些理由，13C谱线的峰面积不能正确积分以给出相应的C原子数目。
然而，一个有利之点是一些不带有质子的C原子其峰强度很低，以致容易识别，这是由于不带有质子的C常常有较长的弛豫时间而给出小峰，如羰基(除甲酰基外)、氰基、不带质子的烯和炔C及季C原子等。但须注意，必需要有足够数目的脉冲，或足够长的脉冲间隔时间用以补偿长的T1，才能使这些很弱的峰不致于消失在基线的噪音上。
用于检识13C谱峰除了需掌握结构与化学位移之间的相互关系外，最常用的技术是部分去偶，允许恢复C—H的偶合信息。这方面的技术有偏共振去偶(off-resonance decoupling)、选择性质子去偶(selective proton decoupling)、化学位移试剂(chemical shift reagents)和重氢取代(deuterium substitution)。下面分别作简单介绍。
(1)偏共振去偶：这种技术使13C谱简化，但是还保留着“残余”的13C—H偶合信息。实验时关闭宽谱带噪音发生器，而采用一个补偿高能量质子去偶器，在TMS的质子频率高场1000～2000Hz处或低场2000～3000Hz处扫描。也就是说，扫描常用质子波谱的高场或低场，扫描宽度1000Hz。实验结果显示了13C—H的偶合模式，使.jpg "结构式")
以及—CH3分别可观察到单峰、双峰、三重峰(或两个双重峰)、四重峰，偶合常数比实际的C—H偶合常数要小。而且，多重峰外侧小峰的强度也比理论上的1：2：1或1：3：3：1要弱。但是，这种13C波谱的峰容易识别，因为保持着13C—H的残余偶合信息；不存在C—C—H的远程偶合；13C共振谱带的重叠多半又不存在，即使有，也可通过调节补偿允许重叠的谱线分开；又由于NOE效应还存在，使13C谱显示了相对高的灵敏度。
在一些大的有机分子中，用上述技术也不能使所有的C峰都能分离，然而，对于一些相对孤立的多重峰即使在最大分子中也能被检识。
下面例举邻苯二甲酸二乙酯经不同技术操作所得到13C谱，仪器25.2MHz，溶剂CDCl3。
图17-38a表示与质子完全偶合的13C谱，从中可以观察到13C—H的偶合裂分峰。
图17-38b表示采用宽谱带噪音去偶的13C谱，13C—H间偶合作用完全消除，各C原子显示单峰。峰1和峰2由于是季C原子，所以峰特别小。
图17-38c表示质子去偶，并延长脉冲间隔为10s的13C谱。这样增加了弱峰的强度，使峰1和峰2强度增加。
图17-38d是采用偏共振去质子偶合的13C谱，保留了残余的13C—H偶合，其偶合常数比实际的13C—H偶合常数小，多重峰外侧小峰的强度也比理论上的1：2：1或1：3：3：1弱。
(2)选择性质子去偶：对某一个特定质子以其精确频率照射，照射能量比偏共振去偶合时要低。这样，直接与该质子键合的碳其共振峰为一单峰，而其他13C吸收则显示为残余的偶合峰。这种技术可以用来检识峰，但是要找出正确的频率和去偶的适当能量较为困难，因此，本法难以得到满意的结果。
(3)化学位移试剂：镧系化学位移试剂也可以用作13C波谱的拉开，使重叠峰可以分离，并使质子的位移拉开。
(4)重氢取代：一个C的质子被重氢取代后，其13C信号在噪音去偶波谱上强烈地减小。这是由于重氢的I＝1，磁旋比γ是1H的15％，它将使13C的吸收峰裂分为三重峰(1：1：1)，J值相当于0.15×JCH。况且，13C—D的弛豫时间T1比13C—H长。最后，由于没有照射2H，使该C的NOE效应损失。在谱上也可以看到残余的未被重氢取代的13C—H峰。由于同位素效应，使13C—D的峰比13C—H稍处高场(每个D原子约为0.2ppm)。
上述理由同样解释了重氢溶剂显示相当弱的信号。根据2nI+1规则，重氢氯仿显1：1：1的三重峰，重氢化P-dioxane为1：2：3：2：1五重峰，重氢DMSO[(CD3)2SO]为1：3：6：7：6：3：1的七重峰。
.jpg "邻苯二甲酸二乙酯的质子完全偶合的13C谱/邻苯二甲酸二乙酯的宽谱带噪音质子去偶合的13C谱")
.jpg "邻苯二甲酸二乙酯的质子去偶合，脉冲间隔10s的13C谱/邻苯二甲酸二乙酯的偏共振去质子偶合的13C谱")
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