有機(jī)小分子化合物的核磁H譜圖分析教程

1、核磁分析的原理

核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR是研究原子核對射頻輻射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng)有力的工具之一，有時亦可進(jìn)行定量分析。

此外，核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜一起被有機(jī)化學(xué)家們稱為“四大名譜”。

根據(jù)量子力學(xué)原理，與電子一樣，原子核也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)I決定。

迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P，其中最常見的核磁H譜圖以及C譜圖。

2、核磁分析的分類以及應(yīng)用

核磁共振譜有兩大類：高分辨核磁共振譜儀和寬譜線核磁共振譜儀。高分辨核磁共振譜儀只能測液體樣品，譜線寬度可小于1赫，主要用于有機(jī)分析。

寬譜線核磁共振譜儀可直接測量固體樣品，譜線寬度達(dá)10赫,在物理學(xué)領(lǐng)域用得較多。高分辨核磁共振譜儀使用普遍，通常所說的核磁共振譜儀即指高分辨譜儀。

3、有機(jī)小分子化合物的核磁H譜分析教程

在進(jìn)行核磁譜圖分析時，化學(xué)位移、耦合常數(shù)、峰的裂峰數(shù)以及峰面積需要重點注意，幾者的聯(lián)合使用可以幫助我們分析絕大部分的核磁譜圖。

一般打核磁的樣品質(zhì)量有一定要求，以600MHz 核磁共振波譜儀為例，有機(jī)化合物使用15~20mg左右質(zhì)量的樣品溶解在氘代試劑即可（樣品質(zhì)量因儀器不同可進(jìn)行調(diào)整）。

在此通過有機(jī)小分子化合物的核磁H譜圖進(jìn)行舉例定量分析，圖1所示為一種有機(jī)小分子化合物碳酸丙烯酯（4-METHYL-1,3-DIOXOLAN-2-ONE，溶劑為氯仿CDCl3）的核磁H譜圖（藍(lán)色標(biāo)注為需要注意的地方）：

圖1   碳酸丙烯酯的核磁H譜圖

可以從圖1所示化學(xué)結(jié)構(gòu)中看到4，5，7位置處有H原子存在，即需要對該位置進(jìn)行相應(yīng)的分析（圖1已對溶劑峰的化學(xué)位移進(jìn)行了矯正）。

3.1   H個數(shù)對應(yīng)核磁譜圖面積以及裂峰數(shù)計算

在同一的條件下，氫譜峰面積的積分與氫數(shù)成正比。因此可以利用該關(guān)系對物質(zhì)進(jìn)行定量。

H核自旋耦合干擾而裂分的小峰數(shù)（N）可以通過下式進(jìn)行計算：

N=2nI+1；H核I=1/2 → N=n+1，

n為自旋數(shù)為1/2的等同偶合的原子核（例如質(zhì)子）的個數(shù)。

在圖1中，N需要通過相鄰C原子上的H原子個數(shù)進(jìn)行計算，例如5位置處有2個H原子，相鄰的4位置處有1個H原子，N=1+1=2，所以5位置處的裂峰數(shù)=2；相似的，4位置處有1個H原子，裂峰數(shù)=6；7位置處有3個H原子，裂峰數(shù)=2。

H原子個數(shù)比為H4：H5：H6：=峰面積比=1：2：3，與圖1中的相應(yīng)H峰面積對應(yīng)；圖1中4位置處裂峰數(shù)放大后為6，5位置處裂峰數(shù)為3，7位置處裂峰數(shù)為2，基本與理論計算相符。需要注意的是，5位置由于相鄰原子的影響，兩個H原子的化學(xué)位移發(fā)生了改變，這點在圖4中也被證實，同時該位置的裂峰數(shù)也從2改變?yōu)?。

3.2 Chemdraw如何協(xié)同使用

Chemdraw是有機(jī)分析中常用的一款軟件，有化學(xué)結(jié)構(gòu)的核磁譜圖預(yù)測功能，可以協(xié)同來分析化合物。

第一步：在Chemdraw中畫出我們需要的化合物結(jié)構(gòu)；

圖2

第二步：選中結(jié)構(gòu)，Structure下拉中選擇Predict 1H NMR Shifts；

圖3

第三步：將預(yù)測譜圖與核磁共振波譜儀測試的譜圖（圖1）進(jìn)行比較；

圖4

可以看到，預(yù)測的核磁譜圖大致與之前的分析相同，但需要注意的是由于原子間的相互影響，H原子化學(xué)位移與實際的測試譜圖會有差別。

3.3 MestReNova的使用

MestReNova是專門用來分析核磁數(shù)據(jù)的軟件，下方網(wǎng)址為使用教程。

https://wenku.baidu.com/view/d50e7bcb76c66137ef0619c4.html

3.4 常見氘代試劑的溶劑峰以及常見官能團(tuán)的化學(xué)位移

除了Chemdraw可以協(xié)同分析核磁譜圖，常見的氘代試劑溶劑峰化學(xué)位移（圖5）以及常見官能團(tuán)的化學(xué)位移（圖6）也可以進(jìn)行相應(yīng)分析。

4、常見的提純方法

圖1中可以看到化學(xué)位移2.0左右有一個小的雜質(zhì)峰，常見的提純方法有萃取、重結(jié)晶或者加入其他可以溶解雜質(zhì)的溶劑過濾，此外使用比較多的是小分子化合物可以通過柱層析法大幅度提純。

通過以上方法可以得到較為純凈的有機(jī)物，但更重要的是不斷熟練的有機(jī)合成手法，熟練的掌握有機(jī)合成基本操作會對于科研生涯有比較大的幫助。

圖5   常見的氘代試劑溶劑峰化學(xué)位移

圖6   常見官能團(tuán)的化學(xué)位移