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核磁共振—化学制药工艺学33

 合成化学与机理 2021-09-02

核磁共振是有机化合物表征最有效、最简单的表征手段。通过核磁共振我们可以得到化合物不同元素的数量、种类、化学环境、立体构型以及纯度等信息,结合原料和反应信息,我们可以基本确定化合物的结构。

1 化学位移

我们在分析核磁谱图(后续讨论都以最常见的氢谱为例)时,首先会发现氢谱图中有不同位移的峰。氢的化学位移不同说明其化学环境不同,同时也反应了H的电荷密度大小(H电荷密度越大,化学位移越小)。通常有机化合物的信号范围为0- 12 ppm 

如下图所示,氢谱不同位置大概对应的H的种类。

2 核磁积分

核磁积分与质子个数成正比,因此核磁不仅能根据周围的环境(相邻原子)告诉你拥有的质子类型(化学位移),而且还能告诉你拥有多少个质子(核磁积分)。比如,来自芳香族环的氢谱信号。具有不同取代基数的芳烃,我们可以用其氢谱进行区分。

3 裂分规则(N+1规则)

核磁共振信号可能有不同数量的峰,称为信号裂分或多重数。信号裂分可以说是核磁共振光谱最独特最重要的特征,它使核磁共振光谱成为一种极为全面的结构测定工具。通过对于核磁裂分的分析,我们可以得到许多化合物的结构信息。最简单的信号由一行组成,称为单线,然后是双线,三重线,等等。有7行以上的信号称为多路信号。

裂分是由同一个(双氢)或相邻碳上的氢(邻位氢)引起的。只有非等效质子(化学环境不同)才能分裂给定质子的信号。一个相邻的质子将一个核磁共振信号分裂成一个双重态,两个相邻的质子将信号分裂成一个三重态。例如:HaHb是不相等的质子,所以它们可以分割彼此的核磁共振信号。

有一个公式可以根据相邻的氢来预测峰值的数量,这被称为n + 1规则,其中n是相邻的质子的数量。以下是核磁共振光谱中分裂模式的汇总表。

如果同一个碳上的质子是非对映异构的(两个H的化学位移不同),也可能有信号被质子分裂。 

4 耦合常数

自旋偶合会产生共振峰的分裂后,两裂分峰之间的距离(以Hz为单位)称为耦合常数。不是两组氢之间化学位移的差值,而是一组峰中相邻两个峰之间的化学位移的差值。计算公式如下:

耦合常数 = 相邻两个峰之间的位移差×核磁频率

可以从耦合常数看出基团间的关系,邻位偶合常数较大,远程偶合常数较小,还可以判断邻位氢的二面角。

对于有双键的化合物,顺式的氢之间偶合常数为610Hz,反式的氢之间偶合常数为1216Hz(与其二面角大小成正比)。

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