核磁共振图谱解析培训手册

Confidential核磁共振图谱解析培训手册药明康德核磁分析实验室September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd7常用的核磁共振（NMR）实验1H13C13CDEPT135o ( CHCH3 ,CH2)13CDEPT90o ( CH )1H 1H COSY(化学键上相邻氢原子的识别)1H 1H TOCSY(结构片断的识别)1H 1H NOESY(空间上相近的氢原子的识别)1H 13C (HSQC, HMQC)(碳氢直接相关（碳氢原子直接相连）)1H 13C HMBC(碳氢远程相关（碳氢原子二、三键偶合）)下面一一介绍各种实验的用途，并带有相应的例子加以说明提纲一:氢谱：1.影响氢谱化学位移的因素1).诱导效应(对饱和烷烃)2). Sp杂化的3). 磁各向异性4). 共轭效应和诱导效应(对不饱和烷烃影响)5). 介质因素6). 空间因素7). 氢键的影响2. 活泼氢3. 重水交换4. 关于手性化合物和前手性化合物中CH2上两个氢的化学位移5. 芳环与芳杂环的偶合常数6. 3JHH与两面角的关系 (Karplus公式) 以手性化合物中氢的自旋偶合关系为例7. 烯烃自旋-自旋偶合(J-coupling)体系 8.六元环自旋-自旋偶合(J-coupling)体系9.动力学现象（变温实验)1).活泼氢2).受阻旋转3).互变异构4).原子翻转（常见）二. 碳谱 ,DEPT谱三. 氟对氢，碳的耦合 四. 1H 1H COSY五. 1H 13C HSQC 碳氢直接相关验六. 1H-13C HMBC氢碳远程相关实验 七. 用NOE方法对异构体的鉴别1) 常见的用NOE方法进行异构体鉴别的简单例子2) 五元环异构体的鉴别3)六元环异构体的鉴别4)烯烃的顺反八. 用HMBC方法对异构体的鉴别一氢谱氢谱是最常见的谱图. 核磁共振氢谱能提供重 要的结构信息：化学位移，耦合常数及峰的裂 分情况，峰面积。峰面积与氢的数目成正比， 所以能定量的反应氢核的信息 .1.影响氢谱化学位移的因素1）诱导效应(对饱和烷烃)与质子相连的碳原子上,如果接有电负性强 的基团,则由于它们的吸电子诱导效应,使 质子周围的电子云密度减弱,使屏蔽作用减 弱,质子共振吸收移向低场,电负性越强,化 学位移值越大.O经常碰到的R 与R(RO, Cl, F, Br, -NCOR)，此种结构的CH2的出峰 位置通常在4.55.5ppm。(R=NH2, -COR, -Ar)时此 种结构的CH2的出峰位置通常在3.5-4.0ppm.单键,三键,双键,苯环由于磁各向异性都会产生屏蔽 区和去屏蔽区,所以这些也是影响饱和烷烃化学位 移的因素.(后面会介绍,详细请看仪器分析化学课本)请结合以上说明通过下面的列表来查看不同取代基 对饱和烷烃的影响。ConfidentiSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd9alConfidentieptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd10alSConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd82)SP杂化从sp3（碳碳单键）到sp2（碳碳双键）s 电子的成分从25增加到33，键电子 更靠近碳原子，因而对相连的氢原子有 去屏蔽作用，即共振位移移向低场. (芳 环与烯烃比饱和烷烃的化学位移低场的 原因)3)磁各向异性根据S-P杂化原理, 炔烃应该比烯烃更低场,苯环与烯 烃相近.但实际并不然.炔氢相对于烯氢是处于较高场,是 因为炔氢处于叁键轴外,当叁键与外磁场平行时, 电子 环电流绕轴运动产生的感应磁场与外加磁场相反,对质子 起强烈的屏蔽作用,这是炔烃的一个很重要的特点.芳环氢相对烯氢处于较低场，这样的现象是因为芳环 电子也有环电流的纯在,产生与外磁场方向相同的磁场, 对芳环氢有去屏蔽作用.烯烃也有磁各向异性,但苯环的 磁各向异性较强.三键,双键,苯环由于磁各项异性都会产生屏蔽区和去 屏蔽区,所以这些也是影响化学位移的重要因素，经常借 此因素来区分异构体。单键也有磁各向异性,所以C3CHC2CH2CCH3.(详细 请参看仪器分析化学课本)7.28 ppm;H2CCH25.28 ppm；HH1.8 ppm；H2.73.4 ppm;OH2.13.3 ppmR4) 共轭作用和诱导作用(对不饱和烷烃影响)对不饱和烷烃共轭作用和诱导作用要综合考虑。 共轭作用有p-共轭给电子,-共轭吸电子； 诱导效 应主要是吸电子效应。值得一提的是卤素与不饱和烷烃连接时同时有供轭 作用和诱导作用：F的共轭作用大于诱导作用,所以邻位的氢谱和碳谱 都移向高场；Cl的共轭作用和诱导作用相互抵消所以影响很小；Br到I共轭作用小于诱导作用所以相比较邻位氢明 显偏向低场。请记住三类取代基的概念1. 使邻,间,对位氢的化学位移值影响不大的集团就是在有机 化学中使苯环弱活化和弱钝化的集团.这类集团有 -CH3, -CH2-,-CH(CH3)2,-CH=CHR,CCR , -Cl,-Br.2. 在有机化学中使苯环活化的邻, 对位定位基, 主要是有p-共轭作用. 这类有: -OH, -OR, -NH2, -NHR.3. 第三类取代基是有机化学中使苯环钝化的间位定位基. 主 要是纯在-共轭, 同时杂原子拉电子性, 使苯电子云密度降 低, 尤其是邻位.这类集团有: -CHO, -COR, -COOR, -COOH, - CONHR, -NO2, -N=NR 等.下面是不同取代基对烯烃和苯环的影响.ConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd20Confideeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd21ntialSConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd22ConfidentialSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd23Confidentialeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd24S5）介质因素对于一个化合物而言在不同的氘代溶剂中有时所做 出来的谱图有很大的差别，这与溶剂分子和溶质分子 的特性都有很大的关系。利用这一特性，有时我们在 看不清谱图的信息时不妨换一种溶剂来试一试 .PH 值 的 大 小 有时 对 化 合物的谱 图会有 一 定 的影 响。比如同一化合物特别是一些含氮的化合物在三氟 醋酸体系分离得到的和硅胶板分离等到的产物在谱图 上会有很大的差别，此时若想证明两个是同一个化合 物（或经常有是盐酸盐和不是盐酸盐的化合物）可以 混合做核磁。还有些化合物在一种溶剂里不稳定,做出来的谱图 比较杂,这时可以换一种溶剂来做。September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd11H如 NHCl成盐后氮旁边的CH2会低场偏移0.5 ppm，同样在CDCl3或DMSO做溶剂的 谱图中没有成盐之前的氨活泼氢在0.54.0 ppm处，但成盐后活泼氢会出在1012 ppm处，并且是两个NH.HCl，这也是鉴定 氨是否成盐的一种方法。如果有氢与氢的重合现象，特别是在做 二维谱时想看到相关氢的信号，此时可以 加少量的氘代苯或氘代乙腈，它们会对样 品分子的不同部位产生不同的屏蔽作用， 可以使原来相互重叠的峰分开.6）空间因素比如受空间上某些大基 团的影响,或者羰 基 ,苯环等对该位置的氢有屏蔽或去屏蔽的影 响,范德华力的影响等。7）氢键的影响特别对活泼氢的影响是很大. 氢键的形 成，氢键中质子信号明显移向低场.对分子内 氢的化学位移也有影响. 样品分子间氢键和浓 度有关, 样品的分子内氢键和浓度无关.样品分 子还会与溶剂分子成氢键.2. 活泼氢活泼氢 :与O、S、N相连的氢是活泼氢. 切记想看活泼氢一 定选择氘氯仿或DMSO做溶剂.在DMSO中活泼氢的出 峰位置要比CDCl3中偏低场些.活泼氢的由于氢键，浓 度，温度等因素的影响化学位移值会在一个范围内变 化.有时分子内氢键的作用会使峰型变得尖锐.后面附注 一些常见活泼氢的核磁谱图，并结合前面的讲解的来 试着解析下面所有氢谱。ABROH; RNH2; R2NH (R是脂肪链基团)0.54.0ArOH; ArSH; ArNH23-6 (CDCl3); 5-11(DMSO)RSO3H; RCOOH;10-14 (DMSO); 7-10 (CDCl3)RCOH(醛氢）8-10 (峰型尖锐)RCONH2; ArCONH2;5-8 (并且两个氢会分开)RCONHR;ArCONHAr;ArCONHR7-13.9-12RNH2 HCl7.9047.8967.4637.4547.4337.4256.3936.3636.1153.3372.460BA2381 YL005-4-11 DMSO WuXi PharmaTech Co. Ltd.BrNNH21.0001.0621.1352.1359.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54 .03.53.02.52.0ppm7.3387.3287.3107.2987.2927.2847.2787.2767.2677.2587.2497.2417.2297.2217.2037.1984.7554.7344.1694.1481.843B A22 79 YL 005-4-8 CDCl3 WuXi P harmaTech Co. Ltd.NH2OH10.3321.0001.0082.9509.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppmO2N8.0868.0628.0566.9106.9046.8866.8802.4872.4812.475BA9017 YL005-7-19 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.OH0.8642.0002.046121110987654321ppm7.2977.2937.2907.2717.2677.2647.2587.2267.2217.2187.2136.9896.9626.9366.8236.8206.8156.8126.7966.7936.7886.7854.992BA228 1 YL005-4-8 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.OHI1.0190.9841.0000.9810.9149.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppm3.0983.0773.0561.1811.0531.032BA2289 YL005-4-8 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.NH21.0002.1496.1683.53.02.52.01.51.0ppm7.2577.2297.2087.2027.1827.1757.1557.0437.0427.0397.0167.0087.0026.9856.9776.9716.8836.8816.8756.8736.8556.8536.8476.8276.8256.8196.8173.527BA2275 YL005-4-8 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.SHF1.0000.9899.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppmConfidentialWuXi PharmaTech Co. Ltd.BA2282 YL005-4-8 DMSO7.6527.6257.4737.4463.6773.3122.4922.4802.4742.4682.4622.456CF3HOO0.4821.0001.0101.09113121110987654321ppmOH1211109September 29, 20051.0009.9718 2.089 7WuXi PharmaTech Co., Ltd2.0107.9167.9097.9057.9027.8897.8867.882BA2285 YL005-4-87.8757.6597.6557.631DMSO657.627ConfidentialClppm43.30032.4802.4752.4692.463WuXi PharmaTech Co. Ltd.21372.457Confidential3.6753.6543.6321.7431.7231.7041.6461.6231.6001.5771.5561.4911.4781.4661.4581.4441.4291.415BA8783 YL005-7-15 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.H OOH 4.0001.7855.0392.0684.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0ppmSeptember 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd38ConfidentialBA8171 YL005-7-8DMSO109876ClOOHO14131211September 29, 20050.9707.8867.8817.8747.8687.8657.8617.6997.6952.017 7.6921.000 7.6881.0827.6727.6687.6657.6617.5477.5377.5207.5077.494543WuXi PharmaTech Co., Ltd3.3262.4862.481WuXi PharmaTech Co. Ltd.21ppm392.475Confidential3. 重水交换重水交换是在核磁管里加入1-2滴重水,摇匀,再做谱图会发 现活泼氢消失.1) ROH; RNH2; R2NH; ArOH; ArSH; ArNH2; RSO3H; RCOOH;RNH2.HCl的活泼氢是比较容易交换;2) RCOH; RCONH2; ArCONH2; RCONHR; ArCONHAr;ArCONHR的活泼氢有时比较难交换,特别是醛氢,这时候在加完重水后可以用电吹风加热一下,稍等片刻再进行检测.会发现活泼氢明显减少或消失.但谱图会发现水峰信号增强.在CDCl3中此时HDO峰会在4.8 ppm的位置.下图是两个例子September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd40September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd41在核磁管里加入1-2滴重水即可将活泼氢交换掉HDO活泼氢CH3(CH2)15CH2CH2SH2.62.4September 29, 20052.001269.971262.511255.242.21247.76809.76802.35794.93787.48686.69666.65 658.93651.18628.732.01.81.6WuXi PharmaTech Co., Ltd2.221.41.233.381.0ppm423.16447.02Confidential 440.182.6September 29, 20052.001308.291300.741293.482.42.21286.081.81.6WuXi PharmaTech Co., Ltd2.171.41.233.94847.822.0840.41832.94731.69724.64717.55705.73698.00694.82690.24687.14666.88ConfidentialD2O交换的变化1.0433.10485.11478.35ppm471.242.001260.241259.121257.991252.991251.911250.861245.771244.671243.551.6WuXi PharmaTech Co., Ltd2.07808.741.8801.33793.991.41.231.94688.43651.35650.37639.59631.53Confidential2.62.42.22.0September 29, 2005ppm443.01447.291.0440.43433.33Confidential4.关于手性化合物和前手性化合物中CH2上两个氢的化学位移与某碳原子相连的四个基团不等时，该 碳原子则是手性碳原子，若有一对相同 基团时，该碳原子则是前手性碳原子。 与手性碳上相连的碳上的两个氢或者相 隔2键或3键等以上碳上的两个氢都是不 等价的，且两个氢的偶合常数在815Hz 范围（同碳耦合），有的甚至更高。September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd4544.0September 29, 20050.98630.986 4.025O34.015154.00824.000OH3.9923.9843.9753.9673.8763.8593.8553.8503.8433.83922133.8230.978 1.0113.51.0073.7963.7903.7793.7683.7623.7583.7423.6693.6613.6403.6323.5023.4863.4733.03.458Confidential下面是四氢糖醇的结构图,可以看出手性碳对2,3,4,5位氢的空间上的影响.2.5WuXi PharmaTech Co., Ltd1.188542.02.944 41.5461.000 2.3731.9551.9411.9361.9221.9181.9101.9071.9041.8991.89 51.8841.8671.8531.8481.6641.6581.6501.6451.6381.6321.6281.6191.6101.602pp1.589ConfidentialCH3H2CO 1September 29, 2005WuXi PharmaTech Co., Ltd182CH3在前手性化合物当中如：H2COCH3两个乙基是H3C化学等价的，而2与3两个亚甲基中CH2的两个氢是不等价的，由此化学位移不同，两个氢同 碳偶合,又受邻位CH3的偶合若无谱线重叠，此 CH2可以观察到十六条谱线。 请看下面的谱图：4.6744.6564.6383.7183.7113.6953.6873.6713.6643.6403.6223.5983.5753.5673.5513.5443.3663.3481.2481.2251.201BB1089 yl005-8-16 CDCl3WuXi PharmaTech Co.,Ltd.6Br4,561b1a2b2a31a,2a 1b,2bHHHH43OO51.0002.1142.0442.0736.2754.54.03.53.02.52.01.5ppm5.芳环与芳杂环的化学位移偶合常数下表中的芳杂环的化学位移请大家在Chemdraw上模拟. 不同取代基对芳杂环的共轭作用或诱导作用请大家参考 前面的“不同取代对苯环影响的列表”即可.后面还有相 应的一些芳杂环化合物的氢谱：结构类型Jab数值(Hz)结构类型Jab数值(Hz)45 36 N2J(2-3)=5-6J(3-4)=7-9J(2-4)=1-2J(3-5)=1-22 O53 4J(2-3)=1.7-2.0J(3-4)=3.1-3.8J(2-4)=0.4-1.0 J(2-5)=1-21N2NJ(1-2)=2-3231J(1-2)=7-10J(1-3)=0-354S N2J(4-5)=3-423S45J(2-3)=4.7-5.5J(2-5)=1-2J(3-4)=3.3-4.1J(2-4)=0J(2-4)=1.0-1.5J(2-5)=2.8-3.523H N45J(2-3)=2-3564NN 2J(4-5)=4-6J(3-4)=3-4J(2-5)=1-2J(2-4)=1-2J(2-4)=0-1J(2-5)=1.5-2.5J(4-6)=?8.6108.6078.4928.4848.3798.3748.3718.366NClBA9016 YL005-7-19 CDC l3WuXi PharmaTech Co. Ltd.N1.0171.0161.0008.88.78.68.58.48.38.28.18.0ppm7.6417.6347.2576.3596.3526.345AI2119 YL005-7-29 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.H N1J12=(7.641-7.634)*400=2.8HZNJ23=(6.359-6.352)*400=2.8HZ237.77.6ppm6.46.3ppm1.1772.0181.00011.511.010.510.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.0ppm8.6118.6058.5958.5898.0358.0288.0098.0037.4227.4067.3977.3807.258BA1396 YL005-3-28 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.3N21NClJ12=(8.605-8.589)*300=(7.422-7.406)*300=4.8hz J13=(8.611-8.605)*300=(8.035-8.029)*300=1.8hz23J23=(8.028-8.003)*300=7.406-7.380)*300=7.8hz11.0001.0121.0258.98.88.78.68.58.48.38.28.18.07.97.87.77.67.57.47.37.27.1ppm7.2135.3364.5353.3322.4892.4772.4712.4652.4592.454BA1385 YL005-3-28 DMSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.H NNNH21.0561.0021.00011.511.010.510.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0 ppm8.9738.9678.8858.8788.3538.3468.339BA1740 YL005-3-31 D MSOWuXi PharmaTech Co. Ltd.O 2BrOH13NJ23=(8.973-8.967)*300=1.8HZJ12=(8.885-8.878)*300=2.1HZ3120.9810.9851.0009.49.39.29.19.08.98.88.78.68.58.48.38.28.18.07.9ppm7.2587.0497.0366.4886.4765.403BA1567 yl005-3-17 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.bHHabSaNH2NJab=(7.049-7.036)*300=(6.488-6.476)*300=3.6hz1.0271.0002.0647.57.06.56.05.55.0ppm6.自旋-自旋偶合(J-coupling)3JHH与两面角的关系 (Karplus公式)3J=J0cos2+C=0-90or3J=J180cos2+C=90-1803J=A+Bcos+Ccos2(A=7B=-1C=5)3JHHHHCC090180CH3COOHaHbOCOCH3orHaHbCH3COOH1H2H1H2 OCOCH3AB3J=A+Bcos+Ccos23JHHHHC090180A：H1和H2与Ha（Hb）构成的两面角相同，则3J1a(b)与3J2a(b)相同B：H1和H2与Ha（Hb）构成的两面角不同，则3J1a(b)与3J2a(b)不同3.5263.5133.4903.4773.2393.2133.2043.1783.0123.0082.9992.9902.9862.9772.9732.9692.9652.9552.9512.9432.2411.0301.009BA879 3 YL 005-7-15 CDCl3 WuXi PharmaTech Co. Ltd.ac2Jbc=10.8hz 3Jab=7hz 3Jac=4.3hzH手性碳HOHNH2H bcbab,c受手性碳的影响分开, Jac和Jab不等和a与b，c的夹角 不等有关0.9971.0111.0003.0422.9743.53.02.52.01.51.0ppm4.2604.2524.2454.2384.2303.9893.9713.9653.9483.9233.9093.8983.8843.6453.6353.6193.6113.5952.7232.7162.7072.7002.6912.6832.239AI1758 H01368-097-1 CDCl3WuXi PharmaTech Co.,Ltd.1a H1 bHHOH 255NOH 3421a1bJ1 a2= (3.98 9-3.971 )*400 = 7.2hz4J1 b2= (3.92 3-3.909 )*400 = 5.6hzJ1 a1b=(3 .9 89-3.96 5)*40 0= 9.6hz31.0001.1011.2182.0630.9916.0054.44.34.24.14.03.93.83.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.1ppm7.烯烃自旋-自旋偶合(J-coupling)体系链状烯烃化合物中顺式的偶合常数通常在 1114Hz，而反式偶合常数在1418 Hz,所以通过偶合常数的关系我们可以来确定链状烯烃的 顺反关系.环状烯烃中三元环,四元环,五元环烯 烃中偶合常数较小J= 0.5-7.0Hz;在六元环以上J=8.5-13 Hz.7.2576.1036.0786.0706.0536.0466.0226.0145.9975.9895.9655.3455.3425.2895.2865.1635.1303.9493.924BA8169 YL005-7-8 CDCl3WuXi PharmaTech Co. Ltd.aHbHBrdHcd顺式Jab=(5.163-5.130)300=9.9hz反式Jac(5.342-5.286)300=16.8hz Jad（3.942-3.924)3007.5hzcba1.0001.0211.0182.0327.57.06.56.05.55.04.54.03.5ppm8.六元环自旋-自旋偶合(J-coupling)体系六元环体系是一个很特殊的体系，也是经常 碰到的体系。Jae(同碳)，Jaa（邻位）在8 12hz；Jae（邻位），Jee（邻位）在25hz特 别是在刚性体系有手性中心的六元环化合物 会有明显的显示，并且通常e大于 a,两者 有时会相差0.5-1ppm,因为偶合的关系使得a键 e键的峰型比较有规律,如下:R1 a 键R3R3R1R4 R2e 键R4R2H13J12=3Jaa=8-11Hz3J13=3J24=3Jae=2-5HzH33J34=3JH4 H2ee=2-5HzNH221N H3.33.23.13.02.92.8September 29, 20052.086 2.8811,5a2.72.8512.52.42.32.22.12.0WuXi PharmaTech Co., Ltd2.139 3a1.91.209 2.4721,5e2.62.3982.3932.3682.3632.3382.3332.2992.2302.2002.1142.1052.0952.0842.0752.0662.0552.0462,4e1.82.037ConfidentialO3452,4a3.41.71.61.51.41.32.057 1.21.12.0711.5471.5171.3871.3771.3571.3471.3261.3171.2961.00.90.8 0.70.6 ppm651.286September 29, 20053.1463.7691e3.51.247 3.5853.555HHH5e3.551H1.257 3.384HHN2533.354NHR14HH5a1.243 3.1473.1 20H1a2a3.03.0901.0922.5WuXi PharmaTech Co., Ltd1.0253.002 2.8732.8462.8212.6232.6102.6002.5902.5762.4942.4902.4852.3313e2.01.016 4e0.997 1.0002.0071.9981.9871.9761.9671.8161.8071.7971.7841.7741.7651.6691.51.640Confidential3a1.054 1.969 1.0661.972 1.2684a1.2441.1771.1571.1491.1391.1321.1151.0991.0591.0481.0331.0241.010ppm0.9 98Confidentia