
有机化学硕博经验分享(18):碳谱(¹³C-NMR)峰的识别、化学位移与耦合常数
2025年08月07日 11 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、碳谱化学位移的“四舍五入”
二、含氟化合物碳谱的识别与耦合常数的计算
正文部分:
一、碳谱化学位移的“四舍五入”
绝大多数碳谱是对氢去耦的定性碳谱,只有化学位移而没有积分,而且除非含氟或被氘代,否则几乎不会出现裂分。因此碳谱几乎都是单峰,既不需要计算耦合常数,也不存在峰的识别问题。碳谱处理起来比氢谱轻松太多。我打算说一下文字版的碳谱数据的整理问题。
先前说过,碳谱谱图上化学位移保留小数点后两位,但文字版要保留一位,需要靠人来四舍五入,不能交给软件。文字版的碳谱数据,任意两个相邻的化学位移值不能一致。
注意事项:①生成/录入数据后,一定要专门检查相邻两个碳谱峰的化学位移值是否一致。有些时候光顾着四舍五入,脑子麻木导致没发现问题。然而,碳谱峰位移值一般有四个有效数字,检查比较累。我的经验是,只比对小数点后一位,如果一样,立刻校对小数点前的数字。如果仍然一样就打开谱图,找到对应的峰并手动录入化学位移。比如192.4 170.8 165.9 135.5 133.4 132.8……我会这样对照:4-8,8-9,9-5,5-4,4-8……
②对于第二位(乃至第三位,不常见)小数才能分开的两个碳谱峰,不做任何处理,保留两位小数。举例:131.31 ppm和131.27 ppm,如果保留一位小数就都是131.3 ppm,故文字版不做任何处理,仍写作131.31 ppm和131.27 ppm。
有些时候保留后的数字是反直觉的。例如127.548 ppm和127.469 ppm,保留一位小数都是127.5 ppm,只能保留两位小数,分别记作127.55和127.47。读者看到上述两个数字时会好奇:如果分别保留一位小数则是127.6 ppm和127.5 ppm,恰好能分开吗?非也,你看到的两位小数正是保留后的结果。
补充:文字版的氢谱要保留小数点后两位,但也可能出现精确到小数点后三位才能分开的情况。例如dd峰挤在一起记作m时,化学位移最大和最小的H就可能离得很近。然而,这种情况很罕见。
二、含氟化合物碳谱的识别与耦合常数的计算
含氟化合物的收谱、数据处理的难度、工作量都较大。不仅需要多收一个氟谱,碳谱会裂分导致化合物的峰更矮,所以收谱时对样品纯度提出了更高要求。特别是带三氟甲基、氧三氟甲基和三氟甲磺酸酯基的产物,有时因氟裂分的碳峰还没出全,石油醚的峰就高到无法忍受。
我愿再次强调,含氟化合物能不拓就不拓,要拓就拓对位的,数据处理相对容易(裂分碳最多四个)。至于一个苯环上含有两个及以上的氟的化合物,想都不要想。且不说碳谱的裂分会多么复杂,就连如何解谱都很难找到参考。
其一,对/间/邻氟苯基
从直接与F相连的C开始,沿着碳链向远离F的方向数,裂分最多到第四个碳(C1-C4)。①与F直接相连的芳基碳(记作C1)裂成d峰,化学位移≈160 ppm, ¹Jᴄ₋ғ ≈ 240 Hz;②与C1直接相连的碳(记作C2)裂成d峰,化学位移≈130 ppm, ²Jᴄ₋ғ ≈ 20 Hz(跌至1/10);③与C2直接相连的碳(记作C3)裂成d峰,化学位移≈130 ppm, ³Jᴄ₋ғ ≈ 7.0 Hz;④与C3直接相连的碳(记作C4)裂成d峰,化学位移≈120 ppm, ⁴Jᴄ₋ғ≈ 3.0 Hz(微弱),如完全看不出有裂分,应视为正常峰。注意,上述J前数字需要上标。
注意,由于氟在苯环上,数碳时存在两个方向。对氟苯基几何对称,两个方向都一样,故最多只有四个碳裂分;间氟苯基、邻氟苯基不对称,所以六个碳都可能出现裂分。此外,当氟在邻位时,苯环以外的碳也会裂分,要专门去找。可见,间位和邻位氟的识谱、标峰、耦合常数计算量剧增,甚至会看到眼花。当一些裂分碳与其他未裂分碳混在一起,只能靠①裂分的碳峰高度一致;②耦合常数的合理范围等方法确认。
其二,三氟甲基苯
从三氟甲基碳(记作C1)开始,沿着碳链向远离F的方向数,裂分最多到第四个碳(C1-C4):①三氟甲基碳(C1)裂成q峰,化学位移 ≈ 120 ppm, ¹Jᴄ₋ғ ≈ 270 Hz;②与C1直接相连的芳基碳(记作C2)裂成q峰,化学位移120-130 ppm, ²Jᴄ₋ғ ≈ 30 Hz(跌至1/9);③与C2直接相连的碳(记作C3)裂成q峰,化学位移120-130 ppm, ³Jᴄ₋ғ ≈ 4.0 Hz(跌至个位数);④与C3直接相连的碳(记作C4)裂成q峰,化学位移120-130 ppm,⁴Jᴄ₋ғ ≈ 1.0 Hz。然而,受限于仪器兆数、扫描时间、匀场质量和样品纯度等因素,C4几乎不裂分。
可见,对三氟甲基苯的碳谱一般只需找出三个q峰。间、邻三氟甲基苯基我没做过,有请勇士对谱图情况做出补充。
其三,三氟甲氧基苯基
从三氟甲基碳(记作C1)开始,沿着碳-氧原子键向远离F的方向数,裂分最多到第三个原子(C1-C2):①三氟甲氧基碳(C1)裂成q峰,化学位移 ≈ 120 ppm,¹Jᴄ₋ғ ≈ 250 Hz;②与氧相连的芳基碳(记作C2),化学位移 ≈ 150ppm,³Jᴄ₋ғ ≈ 2.0 Hz(跌至个位数)。
可见,对三氟甲基氧苯的碳谱一般只需找出两个q峰。另外,敏锐的读者应该已经注意到,J前的数字1-4是用原子个数表达的距离F的远近(即两个偶合核之间相隔键的数目),不特指碳原子。
其四,三氟甲磺酸酯基苯基
三氟甲磺酸酯基的化学结构为-OSO₂CF₃,缩写为-OTf。从三氟甲基碳(记作C1)开始,沿着碳-杂原子键向远离F的方向数,只有C1会裂分:三氟甲基碳(C1)裂成q峰,化学位移 ≈ 120 ppm,¹Jᴄ₋ғ ≈ 320 Hz。
总结:四重峰(q),即正常长度的碳峰会裂成1/2/2/1的四个峰,四个峰的高度加起来等于正常碳峰高度,最小的只有正常高度的1/6。考虑到巨大的耦合常数,特别是CF₃三个q峰彼此接近,使得峰又矮又与其他峰混杂,难以区分。为了出峰只能多扫,而一旦导致基线变细而凸显芳香区杂峰或石油醚峰,碳谱就食之无味,弃之可惜。所以,迫不得已之时,q峰只扫出中间两个比较高的,两边矮峰不出就算了。如果含氟化合物比较纯,请抓住机会多扫几圈(ns = 300-500)。