
有机化学硕博经验分享(17):氢谱(¹H-NMR)峰的识别、化学位移与耦合常数
2025年08月06日 15 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,文中非氢核磁均对氢去耦(decoupling);所有化学位移(符号 δ)均在氘仿中测定,单位ppm;耦合常数符号是斜体J,单位Hz,俗称“J值”。
内容摘要:
一、各种氢谱峰的识别特征与化学位移
二、复杂情况下氢谱峰的识别
三、氢谱峰的耦合常数的计算
正文部分:
一、各种氢谱峰的识别特征与化学位移
注意,化学位移的计算必须基于准确的定标。定标值参见第十五章第二节。Mestrenova和NUTs的定标操作参见近期发布的DLC。
其一,单峰(s)的化学位移就是标峰数值。s峰的判断要结合化合物结构。烷基区的单峰一般是乙酰基、(各种)甲氧基、(各种)甲基、甲硫基、二甲氨基、TMS等积分是三的倍数的特征峰;积分为1的单峰,常见的有端炔H、少数烯烃H、环丙烷H、吲哚3-H、稠芳环H和1,3-二羰基化合物的烯醇H等;酰胺NH、羧基H和醇H等如能出峰应记为br s(宽单峰);如果芳香区的氢都挤在一起,不可以把这个大大的“单峰”标成s,反而要标成m。
其二,二重峰(d)的化学位移是两个峰化学位移的平均值。一些芳香区的峰看起来像d峰,J值算出来也合适,但放大看它的“山腰”或“山顶”有裂分,那么这种峰既可以标为d也可以标为m。我的习惯是,如果芳香区其他地方m峰有些多,那么这个峰我会标成d。
其三,双二重峰(dd)的化学位移是中间两个峰化学位移的平均值。dd峰的判断标准严格:要求四个峰高度几乎一致,而且基本均匀分布;如果拿不准,先按照dd的标准算J值,如果某个J值达到10以上,它一定不是dd,而要分别识别为两个d峰。
其四,三重峰(t)的化学位移就是中间最高峰的化学位移。严格来说芳香区不能出现t峰,凡是长得像t峰的峰一概识别为m峰;但有些课题组习惯将其识别为t峰。但也不是所有像t峰的芳香区峰都可以识别为t峰:先把它当做t峰并计算J值,如果比7.0小或比7.5大,除非此峰平滑、对称到标不出第四个峰,就应识别为m。
其五,四重峰(q)的化学位移是中间两个最高的峰的化学位移的平均值。注意,q峰不可能出现在芳香区,即使它确实呈1/2/2/1型对称,也要识别为m峰。
其六,五重峰(p)、三二重峰(td)和双三重峰(dt)等更复杂的峰型在多数情况下直接标成m峰。非要深究的话,p峰的化学位移就是最中间峰的化学位移;td峰是高度比为1/2/1的3个d峰,其化学位移就是中间的d峰的化学位移;dt峰是高度比为1/1的2个t峰,其化学位移是两个t峰化学位移的平均值。
其七,多重峰(m)的标记方法:把峰看做一座山,左右侧山脚各手动标一个峰(Mestrenova快捷键ctrl+K),山顶显眼处适当标几个峰(不要全标显得杂乱)。按标准说,m峰的化学位移是一个范围,即左侧山脚到右侧山脚。如使用NUTs软件,其标峰操作不灵活,有时只能标山顶峰,m峰的化学位移就是左侧山峰到右侧山峰。
注意,峰型的判断要与化合物的结构式相对应。例如①异丙基的两个s峰虽然离得很近也不能标注为d峰,而应该分别标为两个s并单独积分;②某一类分子有两个烯烃氢,都是单峰。如果处理数据时发现一些积分为2H且J值大于8的所谓“d峰”,说明你把两个s峰积在一起了。
总的来说,有的组认为芳香区大多数是m,少数是d,极少数是s;有的组认为要尽量减少m的标注,能拆分识别为d和t最好。有的组认为观察到什么样的峰型就写什么样的峰型,哪怕这个峰型不可能出现在这个位置;但大多数课题组都要求结合常识进行基本判断再写。具体选取什么标准,取决于读者所在课题组的习惯。
二、复杂情况下氢谱峰的识别
例一:化合物的某个t峰被氯仿的单峰穿过,有两种识别方式:①把t峰的三个峰标出来,照样识别为t峰并计算J值;②把中间的氯仿的峰也标出来,整体识别为m峰(没有J值)。具体选哪种取决于课题组的习惯。
例二:化合物的某个t峰被另一个更复杂的峰(以d峰为例)穿过,也有两种处置方法:①如果s和d都能清晰地识别,那么各自标峰并算J值,积分时各自积各自的(积分范围涵盖各自对应的峰,H数一定会超)但写SI时积分写实际值;如果两个峰缠得太紧密,积在一起并标为m;②无论能不能分开,全部标为m。具体选哪种取决于课题组的习惯。
例三:如果积分总值因包含氯仿和水峰而变大,不同课题组有不同修改方法:①谱图上该怎么积分怎么积分,图上积分值该是多少是多少,但是文字版要改过来;②谱图上积分范围缩小,使得积分值与该氢的实际值相同,哪怕为了凑够这个值,该氢的峰积分不完全,文字版由于积分已经改了所以与实际值一致。注意,当匀场质量差,峰变矮胖且相互交叠导致积分值偏多,则先从芳香区积分在5以上的m峰出手,适当缩小积分范围凑出更小的积分值。然而,任何情况下,氢谱的积分范围扩大、缩小程度不能太离谱,如果太大仍然不够数,太小数仍然太大,说明匀场太差或有杂质,必须重新收。
当然,更专业也更有价值的永远是第一种方案,但难点在于能不能准确地判断峰型。判断依据:①峰的信号高度比:t峰是1/2/1,q峰是1/2/2/1 dd峰是1/1/1/1;②耦合常数:假设两个峰同属于d并计算J值,如果恰好是7.5或7.0(500M)那么推测很可能是正确的。
两个峰相互交缠的情况我遇见过两种:①烯烃一侧是拉电子基,另一侧是炔基,再加上烯烃J值本就大,两个烯H相互纠缠,粗看像dd;②苯乙酰基H和甲氧羰基H:化学位移都在4左右,s穿两个d中的一个。
读到此处,细心的读者应该能看出,受核磁仪器性能、装样质量高低、人为识谱习惯乃至核磁软件品类等诸多主观或随机因素的影响下,同一个化合物的核磁数据在不同文献中或由不同的人处理,不可能完全一样,甚至颇为不同。
三、氢谱峰的耦合常数如何计算?
其一,耦合常数的符号是斜体J,单位是Hz,俗称为“J值”。单峰(s)没有耦合常数,多重峰(m)也没有。
其二,双重峰(d)的耦合常数是两个峰的化学位移的差值与核磁兆数的乘积。400M就×400,500M就×500,600M就×600,850M就×850。新手常犯的错误是,在不同的核磁打氢谱,但耦合常数却乘以同一个兆数。值得注意的是,d峰的耦合常数并非没有上限。例如,有的峰看起来像d但耦合常数10+,除非分子内存在烯基H,否则你应该考虑是不是把两个单峰积在一起了。
其三,三重峰(t)的耦合常数是中间峰与任一侧峰的位移差(即中-左或右-中)与核磁兆数的乘积。由于理论上三重峰是对称结构,所以两侧位移差是一样的,选哪个都行(实操中t峰并不完全对称,怎么选看后文)。
其四,四重峰(q)的耦合常数是任两个相邻峰的化学位移差与核磁兆数的乘积。由于理论上四重峰是对称结构,所以任两个相邻峰的位移差都一样,选哪个都行(实操中q峰并不完全对称,怎么选看后文)。
其四,双二重峰(dd)有两个耦合常数。如将dd的四个峰从左到右分别记为1、2、3、4,耦合常数是(3-1和2-1)或(4-2和3-2)的化学位移差与核磁兆数分别相乘,大在前小在后。由于理论上双二重峰是对称结构,所以(3-1和2-1)或(4-2和3-2)两组差值选哪个都行(实操中dd峰并不完全对称,怎么选看后文)。
其五,双三重峰(dt)有两个耦合常数,小的是任一个t峰的J值,大的是两个t峰的中间峰的化学位移差与兆数的乘积。即把dt当做d算一个J值,当做t再算一次J值,大在前小在后。
其六,三二重峰(td)有两个耦合常数,小的是任一个d的J值,大的是任意两个相邻d峰化学位移差值与兆数的乘积。即把td当做t算一个J值,当做d再算一个J值,大在前小在后。
注意:实操中,三重峰、四重峰、双二重峰等并不完全对称。这与化合物本身性质、匀场质量、使用的核磁软件等都有关系。既不完全对称,两个的差值就可能不一样,算出两个不同的耦合常数,选哪个好?比如,500M氢谱中有个t峰,右-中化学位移差1.5 ppm,中-左化学位移差1.0 ppm,据此分别算出耦合常数7.5 Hz和7.0 Hz。怎么选?
我的建议是写7.5 ppm。原因如下:
我说过,有机化学是一门在繁杂无序中建立逻辑和秩序的科学,尽可能追求数据的相关性和一致性。我的经验是,绝大多数500M氢谱d/t峰的耦合常数是7.5 Hz,我也因此将7.5 Hz称为“基准值”。当出现争议时,耦合常数尽可能选7.5Hz,没有7.5 Hz就选7.0Hz。注意,我的措辞是“选”,不是“凑”。标峰是多少就是多少,差值算出来是啥就是啥,不是为了凑出7.5Hz乱标、错标峰,编造数据。如果算出耦合常数是8.0Hz或8.5Hz就老实写。
换言之,在两个可能的耦合常数中(500M),我习惯有7.5 Hz选7.5Hz,没有7.5Hz就选小的。这样一来,同一个化合物的大多数峰的耦合常数,同一份工作大多数化合物的耦合常数都是7.5 ppm,显得数据清晰、干净、质量高。当然,都往7.0 Hz靠拢也不是不可以,但可能会出现7.5 Hz与7.0 Hz大约2/1的情况,过于扎眼,可能引人怀疑。
此外,400M的耦合常数,常见7.6 Hz、8.0 Hz、8.8 Hz,也有8.4 Hz和9.0 Hz;对于600M的耦合常数,常见7.2 Hz和7.8 Hz,8.4Hz 也有一些。虽然400M/600M的规律性不强,但我的习惯是:在峰型识别准确的情况下,如果没有争议,那么耦合常数算出多少是多少;遇到争议时就选小。
当然,上述耦合常数的计算方法、习惯都是我的一家之言,各位读者请结合自身课题的化合物特点、使用核磁的兆数以及所处课题组的习惯自行甄别。有的组很在意耦合常数,有的并不在意,甚至直接让Mestrenova导出数据,导出多少就是多少,改都不改。
特别提醒:耦合常数×100后再除以核磁兆数,结果一定是有限小数且只有两位有效数字。检查数据时,如果发现400M氢谱的耦合常数乘以10后不能被4整除;500M氢谱的耦合常数乘以10后不能被5整除(比如7.2/7.8/8.4);600M氢谱的耦合常数乘以10后不能被6整除(比如7.5/8.0/8.5),那么计算耦合常数时一定选择了错的核磁兆数,必须修改。