
有机化学硕博经验分享(16):常见官能团氢/碳/氟谱(¹H/¹³C/¹⁹F-NMR)的化学位移
2025年08月05日 16 次浏览编者按:核磁是一门很深、很重要的学问,所涉重要概念、专有名词必有错漏之处,细节之多不能一一涵盖,编写本部分之困难前所未有。恳请读者海涵。无特殊说明,非氢核磁均对氢去耦(decoupling)。
内容摘要:
正文部分:
什么地方出什么峰?这是个奇怪但重要的问题。希望读者能结合下文相关知识,总结出自己课题的相关化合物中关键C/H的化学位移,从而第一时间甄别异常,甚至发现新反应。
氢谱化学位移(符号 δ)从低到高(溶剂氘仿,单位ppm):①硅直接相连的H位移是负的;②烷基H位移在1左右(长链烷基的甲基的t峰可能因次级效应而扭曲变形,像有杂质);③孤立的环丙烷,H位移可能不到1;如果环丙烷连着苯基且相邻碳上有拉电子基,位移扩大到4-5;④乙酰基、端炔H、芳环上的甲基的化学位移在2左右;⑤甲硫基 ≈ 2.4,二甲氨基 ≈ 3;⑥甲氧羰基在3.5-4,苯甲氧基相差不大;⑦苄基氢 ≈ 4,如果直接与氧原子(电负性强)相连可能增大到6;⑧烯基氢位移“起步价”5.25,实际上更多出现在6左右或混入芳香区,一般顺式烯烃J = 10-14 Hz,反式烯烃J = 15-18 Hz(烯基醚耦合常数会变小,烯基硼酯耦合常数会变大,但顺小反大原则不变);⑨2-噻吩的3号位的化学位移在烯烃区(6-7),2号位位移大一些(>7);⑩芳环上的氢 ≈ 7,稠芳环可到8-9;⑪甲酰基H位移9.5-10,羰基H ≈ 12。
特别提醒:①1,3-二羰基化合物2号位碳谱位移57左右,2号位上的氢位移4左右;如以烯醇形式存在(分子内氢键)则2号位碳谱位移100左右,2号位上的氢位移5-6,但烯醇氢高达16-17,超出正常H谱的数据采集范围。故建议修改SW(spectrum width,谱宽)和O1P(谱中心频率)重新收谱;②羰基γ位有杂原子时,也可能出现分子内氢键,有时一部分分子形成氢键,另一部分没有,所以谱图是混合物。
严格来说,上文中“氢的化学位移”的表述有误,应作“质子(¹H)的化学位移”。
在上述基准值的基础上,还要结合分子结构进行推断。①如果质子被屏蔽/去屏蔽,化学位移就会减小/增大;②拉电子效应让化学位移变大向低场移动,给电子效应让化学位移变小向高场移动。电子效应既可以是直接相连带来的诱导效应,也可以是通过双键传递的共轭效应。比如甲氧基虽然被普遍视为给电子基(无论位于苯环的哪个位置),但实际上它是共轭给电子,诱导吸电子。
如果依然有质子的化学位移出现异常,大概率是结构式推断错误。
二、常见官能团的碳谱(¹³C-NMR)化学位移
碳谱化学位移(符号 δ)从低到高(溶剂氘仿,单位ppm):①烷基碳一般小于50;② 三氟甲基碳、氰基碳 ≈ 120,芳基、烯基碳 ≈ 100-140,联烯中间的碳 ≈ 200;③甲氧羰基、羧基、酰胺、酸酐的碳 ≈ 170左右;④酮的酰基碳在190-200,硫羰基(硫酮等)碳 > 200;⑤炔基碳成对出现,高度也比其他碳更矮,化学位移在70-90,两者既可能同时出现在77.16的左侧,也可能一左一右(部分炔酰胺)。换言之,如果在炔基区出现较高的碳峰,大概率不是炔烃碳。例如连着碘原子的芳基碳(~100)、叔丁氧羰基的叔碳(~80)、二氢呋喃上靠近O的苄基碳和部分季碳等。
严格来说,上文中“碳的化学位移”表述有误,应作“¹³C的化学位移”。
注:氢谱提供的信息虽然多但终究不全面,所以氢谱验证的结构式与碳谱对不上是很正常的。这就需要结合碳谱信息对结构式进行修正。
氟谱化学位移(符号 δ)从低到高(溶剂氘仿,单位ppm):①苯基上的F ≈ -115~-110;②苯基上的OTf ≈ -73;③苯基上的CF₃ ≈ -63;④苯基上的OCF₃ ≈ -58。
本段中“氟的化学位移”表述是正确的,因为¹⁹F是氟元素唯一的稳定天然同位素。注意,常见的氟谱化学位移都是负数。