【干货】有机小分子化合物的核磁H谱图分析教程

紫眸轻烟

1、核磁分析的原理



核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。


此外，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。


根据量子力学原理，与电子一样，原子核也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I决定。


迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P，其中最常见的核磁H谱图以及C谱图。


2、核磁分析的分类以及应用


核磁共振谱有两大类：高分辨核磁共振谱仪和宽谱线核磁共振谱仪。高分辨核磁共振谱仪只能测液体样品，谱线宽度可小于1赫，主要用于有机分析。


宽谱线核磁共振谱仪可直接测量固体样品，谱线宽度达10赫,在物理学领域用得较多。高分辨核磁共振谱仪使用普遍，通常所说的核磁共振谱仪即指高分辨谱仪。


3、有机小分子化合物的核磁H谱分析教程



在进行核磁谱图分析时，化学位移、耦合常数、峰的裂峰数以及峰面积需要重点注意，几者的联合使用可以帮助我们分析绝大部分的核磁谱图。


一般打核磁的样品质量有一定要求，以600MHz 核磁共振波谱仪为例，有机化合物使用15~20mg左右质量的样品溶解在氘代试剂即可（样品质量因仪器不同可进行调整）。


在此通过有机小分子化合物的核磁H谱图进行举例定量分析，图1所示为一种有机小分子化合物碳酸丙烯酯（4-METHYL-1,3-DIOXOLAN-2-ONE，溶剂为氯仿CDCl3）的核磁H谱图（蓝色标注为需要注意的地方）： 

图1  碳酸丙烯酯的核磁H谱图

可以从图1所示化学结构中看到4，5，7位置处有H原子存在，即需要对该位置进行相应的分析（图1已对溶剂峰的化学位移进行了矫正）。


3.1  H个数对应核磁谱图面积以及裂峰数计算


在同一的条件下，氢谱峰面积的积分与氢数成正比。因此可以利用该关系对物质进行定量。


H核自旋耦合干扰而裂分的小峰数（N）可以通过下式进行计算：
N=2nI+1；H核I=1/2 → N=n+1，
n为自旋数为1/2的等同偶合的原子核（例如质子）的个数。


在图1中，N需要通过相邻C原子上的H原子个数进行计算，例如5位置处有2个H原子，相邻的4位置处有1个H原子，N=1+1=2，所以5位置处的裂峰数=2；相似的，4位置处有1个H原子，裂峰数=6；7位置处有3个H原子，裂峰数=2。


H原子个数比为H4：H5：H6：=峰面积比=1：2：3，与图1中的相应H峰面积对应；图1中4位置处裂峰数放大后为6，5位置处裂峰数为3，7位置处裂峰数为2，基本与理论计算相符。需要注意的是，5位置由于相邻原子的影响，两个H原子的化学位移发生了改变，这点在图4中也被证实，同时该位置的裂峰数也从2改变为3。


3.2 Chemdraw如何协同使用


Chemdraw是有机分析中常用的一款软件，有化学结构的核磁谱图预测功能，可以协同来分析化合物。


第一步：在Chemdraw中画出我们需要的化合物结构；

图2

第二步：选中结构，Structure下拉中选择Predict 1H NMR Shifts；

图3

第三步：将预测谱图与核磁共振波谱仪测试的谱图（图1）进行比较；

图4

可以看到，预测的核磁谱图大致与之前的分析相同，但需要注意的是由于原子间的相互影响，H原子化学位移与实际的测试谱图会有差别。


3.3 MestReNova的使用


MestReNova是专门用来分析核磁数据的软件，下方网址为使用教程。
https://wenku.baidu.com/view/d50e7bcb76c66137ef0619c4.html


3.4 常见氘代试剂的溶剂峰以及常见官能团的化学位移


除了Chemdraw可以协同分析核磁谱图，常见的氘代试剂溶剂峰化学位移（图5）以及常见官能团的化学位移（图6）也可以进行相应分析。


4、常见的提纯方法



图1中可以看到化学位移2.0左右有一个小的杂质峰，常见的提纯方法有萃取、重结晶或者加入其他可以溶解杂质的溶剂过滤，此外使用比较多的是小分子化合物可以通过柱层析法大幅度提纯。


通过以上方法可以得到较为纯净的有机物，但更重要的是不断熟练的有机合成手法，熟练的掌握有机合成基本操作会对于科研生涯有比较大的帮助。


图5  常见的氘代试剂溶剂峰化学位移

图6  常见官能团的化学位移

来源：https://www.bilibili.com/read/cv12974640
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