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核磁氫譜(1H NMR)快速解譜步驟及常見問題解析

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2025-05-13 17:42

核磁共振波譜法(Nuclear Magnetic Resonance,簡(jiǎn)寫為NMR)與紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、質(zhì)譜被人們稱為“四譜”,是對(duì)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,亦可進(jìn)行定量分析。

 

原理

在強(qiáng)磁場(chǎng)中,某些元素的原子核和電子能量本身所具有的磁性,被分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上量子化的能級(jí)。吸收適當(dāng)頻率的電磁輻射,可在所產(chǎn)生的磁誘導(dǎo)能級(jí)之間發(fā)生躍遷。在磁場(chǎng)中,這種帶核磁性的分子或原子核吸收從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的兩個(gè)能級(jí)差的能量,會(huì)產(chǎn)生共振譜,可用于測(cè)定分子中某些原子的數(shù)目、類型和相對(duì)位置。

 

分類

NMR波譜按照測(cè)定對(duì)象分類可分為:1H-NMR譜(測(cè)定對(duì)象為氫原子核)、13C-NMR譜及氟譜、磷譜、氮譜等。有機(jī)化合物、高分子材料都主要由碳?xì)浣M成,所以在材料結(jié)構(gòu)與性能研究中,以1H譜和13C譜應(yīng)用最為廣泛。

 

用途

除了運(yùn)用在醫(yī)學(xué)成像檢查方面,在分析化學(xué)和有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)研究及材料表征中運(yùn)用最多。

 

1.有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定

一般根據(jù)化學(xué)位移鑒定基團(tuán);由耦合分裂峰數(shù)、偶合常數(shù)確定基團(tuán)聯(lián)結(jié)關(guān)系;根據(jù)各H峰積分面積定出各基團(tuán)質(zhì)子比。核磁共振譜可用于化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的研究,如分子內(nèi)旋

 

 

2. 高分子材料的NMR成像技術(shù) 

核磁共振成像技術(shù)已成功地用來探測(cè)材料內(nèi)部的缺陷或損傷,研究擠塑或發(fā)泡材料,粘合劑作用,孔狀材料中孔徑分布等。可以被用來改進(jìn)加工條件,提高制品的質(zhì)量。

 

3. 多組分材料分析

材料的組分比較多時(shí),每種組分的 NMR 參數(shù)獨(dú)立存在,研究聚合物之間的相容性,兩個(gè)聚合物之間的相同性良好時(shí),共混物的馳豫時(shí)間應(yīng)為相同的,但相容性比較差時(shí),則不同,利用固體 NMR 技術(shù)測(cè)定聚合物共混物的馳豫時(shí)間,判定其相容性,了解材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及性能優(yōu)異性。

 

此外,在研究聚合物還用于研究聚合反應(yīng)機(jī)理、高聚物序列結(jié)構(gòu)、未知高分子的定性鑒別、機(jī)械及物理性能分析等等。

 

樣品制備

1. 樣品量

不同場(chǎng)強(qiáng)需要的樣品量不同,如300兆核磁、分子量是幾百的樣品,測(cè)氫譜大約需要2mg以上的樣品,測(cè)碳譜大約需要10mg以上。600兆核磁測(cè)氫譜大約需要幾百微克。

 

2. 氘代試劑的選擇

因?yàn)闇y(cè)試時(shí)溶劑中的氫也會(huì)出峰,溶劑的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品的量,溶劑峰會(huì)掩蓋樣品峰,所以用氘取代溶劑中的氫,氘的共振峰頻率和氫差別很大,氫譜中不會(huì)出現(xiàn)氘的峰,減少了溶劑的干擾。在譜圖中出現(xiàn)的溶劑峰是氘的取代不完全的殘留氫的峰。另外,在測(cè)試時(shí)需要用氘峰進(jìn)行鎖場(chǎng)。

 

由于氘代溶劑的品種不是很多,要根據(jù)樣品的極性選擇極性相似的溶劑,氘代溶劑的極性從小到大是這樣排列的:苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亞砜、吡啶、甲醇、水。還要注意溶劑峰的化學(xué)位移,最好不要遮擋樣品峰。

 

3. 是否必須加TMS

測(cè)試樣品加TMS(四甲基硅烷)是作為定化學(xué)位移的標(biāo)尺,也可以不加TMS而用溶劑峰作標(biāo)尺。

 

圖譜分析

核磁氫譜解析的一般步驟:

 

1.判斷譜圖是否正確。

 

2.區(qū)分溶劑峰、雜質(zhì)峰和活潑氫(常見溶劑峰和活潑氫的化學(xué)位移見下表)

 

 

活潑氫的化學(xué)位移

化合物類型 δ (ppm) 化合物類型 δ (ppm)
0.5~5.5 RSH, ArSH 1~4
4~8 RSO?H 11~12
酚(內(nèi)氫鍵) 10.5~16 RNH? 0.4~3.5
烯醇 15~19 ArNH? 2.9~4.8
羧酸 10~13 RCONH?,ArCONH? 5~7
7~10 RCONR',ArCONHR' 6~8

 

3.根據(jù)分子式計(jì)算不飽和度。

 

4.從積分曲線計(jì)算各組信號(hào)的相對(duì)峰面積,再參考分子式中氫原子數(shù),推算各組峰代表的質(zhì)子數(shù)(各組峰的氫原子數(shù)之比等于峰面積之比,如圖下圖所示:5,6,7,8處的氫原子數(shù)均為1,它們的峰面積之比也為1)

 

5.對(duì)峰的化學(xué)位移,耦合常數(shù)及峰型進(jìn)行分析,根據(jù)它們與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,推出可能的結(jié)構(gòu)單元。

 

6.對(duì)推出的結(jié)構(gòu)協(xié)同Chemdraw使用進(jìn)行最終確認(rèn)。(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(cè)功能,可以協(xié)同來分析化合物)

A:在Chemdraw中畫出確認(rèn)的結(jié)構(gòu)

B:選中畫出的結(jié)構(gòu),選中結(jié)構(gòu),Structure下拉中選擇Predict 1H NMR Shifts

 

C:將預(yù)測(cè)譜圖與實(shí)際檢測(cè)的譜圖進(jìn)行比較

 

可以看到,預(yù)測(cè)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(shí)際的測(cè)試譜圖會(huì)有一定差別。

 

常見問題

1.元素周期表中所有元素都可以測(cè)出核磁共振譜嗎?

不是。首先,被測(cè)的原子核的自旋量子數(shù)要不為零;其次,自旋量子數(shù)最好為1/2(自旋量子數(shù)大于1的原子核有電四極矩,峰很復(fù)雜);第三,被測(cè)的元素(或其同位素)的自然豐度比較高(自然豐度低,靈敏度太低,測(cè)不出信號(hào))。

 

2. 怎么在H譜中更好的顯示活潑氫?

與O、S、N相連的氫是活潑氫,想要看到活潑氫一定選擇氘代氯仿或DMSO做溶劑。在DMSO中活潑氫的出峰位置要比CDCl3中偏低場(chǎng)些?;顫姎溆捎谑軞滏I、濃度、溫度等因素的影響,化學(xué)位移值會(huì)在一定范圍內(nèi)變化,有時(shí)分子內(nèi)的氫鍵的作用會(huì)使峰型變得尖銳。

 

3. 怎么做重水交換?

為了確定活潑氫,要做重水交換。方法是:測(cè)完樣品的氫譜后,向樣品管中滴幾滴重水(不宜加入過多,一般1-2滴即可),振搖一下,再測(cè)氫譜,譜中的活潑氫就消失了。醛氫和酰胺類的氨基氫交換得很慢,需要長(zhǎng)時(shí)間放置再測(cè)譜或者用電吹風(fēng)加熱一下,放置一會(huì)再進(jìn)行檢測(cè)。此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)譜圖中水峰信號(hào)增強(qiáng),在CDCl3中此時(shí)的HDO峰會(huì)在4.8ppm的位置。此外,甲醇和三氟醋酸都有重水交換作用,看不到活潑氫的峰。

 

4. 解析合成化合物的譜、植物中提取化合物的譜和未知化合物的譜,思路有什么不同?

合成化合物的結(jié)果是已知的,只要用譜和結(jié)構(gòu)對(duì)照就可以知道化合物和預(yù)定的結(jié)構(gòu)是否一致。對(duì)于植物中提取化合物的譜,首先應(yīng)看是哪一類化合物,然后用已知的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)照,看是否為已知物,如果文獻(xiàn)中沒有這個(gè)數(shù)據(jù)則繼續(xù)測(cè)DEPT譜和二維譜,推出結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)全未知的化合物,除測(cè)核磁共振外,還要結(jié)合質(zhì)譜、紅外、紫外和元素分析,一步步推測(cè)結(jié)構(gòu)。

 

最后附上常見雜質(zhì)核磁化學(xué)位移表:

 

氫譜

 

碳譜

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來源:Internet

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