仪器分析实验
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6.3 实验技术

6.3.1 样品的制备

测定时一般采用液体样品,固体样品需用合适的溶剂配成溶液,使其不含有未溶解的固体微粒、灰尘或顺磁性的杂质,且具有良好的流动性,常用惰性溶剂稀释,以避免导致谱线加宽。理想的溶剂要求不含被测的原子核,沸点低,对试样的溶解性能好,不与样品发生化学反应或缔合,且吸收峰不与样品峰重叠。CCl41H信号峰,价廉,是测定1H谱常用的溶剂,而在精细测定时,可采用氘代溶剂,如D2O、CDCl3等。不同溶剂由于极性、溶剂化作用、氢键的形成等而具有不同的溶剂效应。

6.3.2 标准参考样品

测定试样的化学位移δ必须用标准物质为参考,按加入的方式可分为外标(准)法和内标(准)法。外标法是将标准参考物装于毛细管中,再插入含被测试样的样品管内,同轴测定。内标法是将标准参考物直接加入样品中测量,以抵消磁化率的差别,内标法优于外标法。内标物应具有较高的化学惰性、易挥发、便于回收且有易于辨认的谱峰。对1H及13C谱,四甲基硅烷(TMS)是一个较理想的内标物,它有12个等价质子,只有一个尖锐的单峰。它的峰出现在高场,人为地规定其δ为零。一般化合物的谱峰常出现在它的左边,δ为正值,若在其右边出峰,δ为负值。TMS化学惰性,沸点较低(26.5℃),易回收。在高温操作时,则需改用六甲基二硅醚(HMDS)为内标物。在D2O做溶剂的样品测量时,由于TMS不溶于水,应选用4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠[(CH33SiO3Na,DSS]为内标。测定不同核所用的内标物不同,如对于31P核,用85%磷酸。内标物的用量应视试样量而定,测1H用四甲基硅烷(TMS)为内标时,一般制备0.4mL约10%样品溶液,加1%~2%TMS。

6.3.3 谱图解析

从核磁共振图谱上可以获得三种主要的信息:①从化学位移判断核所处的化学环境;②从峰的分裂个数及偶合常数鉴别谱图中相邻的核,以说明分子中基团间的关系;③积分线的高度代表了各组峰面积,而峰面积与分子中相应的各种核的数目成正比,通过比较积分线高度可以确定各组核的相对数目。综合应用这些信息就可以对所测定样品进行结构分析和鉴定,确定其相对分子质量,也可用于定量分析。但有时仅依据其本身的信息来对试样结构进行准确的判断是不够的,还要与其他方法相结合。

①化合物的结构信息

a.共振吸收峰的数目 提供分子中质子的不同类型情况。

b.共振吸收峰的位置 提供每种质子的电子环境,即邻近有无吸电子或推电子的基团。

c.共振吸收峰的强度 提供各类氢核(各基团)的数量比。

d.共振吸收峰的裂分情况 判断相邻碳原子上氢核数、质子类型情况,以及所处化学环境。

②解析顺序

a.了解清楚样品的基本情况,以便对样品有大概的认识;检查基线是否平稳,检查内标物TMS峰位是否准确、正常;积分曲线在无峰处应平直,区别溶剂峰、杂质峰。

b.根据化合物分子式,计算不饱和度,确定不饱和单元,然后根据积分曲线高度算出各个信号的对应得H数。可能条件下,宜在δ×10-6的区域先找出如CH3O—、、CH3—Ar、CH3CO—、、CH3—C—等孤立的CH3基(3H,S)信号,并按其积分曲线高度去复核其他信号相应的氢数,算出氢分布。

c.根据化学位移、耦合常数等特征,识别一些强单峰及特征峰。对于含活泼氢的未知物,可对比D2O交换前后光谱的改变,确定活泼氢的峰位及类型。

d.若在化学位移δ(6.5~8.5)×10-6的范围内出现强的单峰或多重峰,往往要考虑其是苯环上氢的信号。根据这一区域氢的数目,可以判断苯环的取代数。

e.参考化学位移、小峰数目及耦合常数,计算δJ,确定图谱中耦合部分。由共振峰的化学位移及峰裂分,确定归属。解析比较简单的多重峰,根据每组峰的化学位移及相对应的质子数,推测本身及相邻的基团结构。

f.对难解析的高级耦合系统,如有必要,可换用不同的溶剂再测定一次,有时由于化学位移的变化,共振谱会简化。如果条件允许可加入位移试剂或采用去耦实验、NOE(核的Overhauser)测定等特殊技术,或改用强磁场NMR仪测定,以利简化图谱,方便解析。

g.通过以上几个程序,一般可初步推断出可能的一种或几种结构式。然后从可能的结构式按照一般规律预测可能产生的NMR谱,与实际图谱对照,看其是否符合,进而推断出某种最可能的结构式。

应用示例:某化合物的化学式为C9H13N,其1H-NMR谱如图6-7所示,试推断其结构。

图6-7 化合物C9H13N的1H-NMR谱图

解:①计算不饱和度

②根据谱图上的积分曲线高度计算每组峰代表的氢核数。

因不饱和度为4,且在7.2处有共振峰,表明有苯环存在,且苯环有5个质子,表明为单取代苯环。

③代表2个1H的δ3.4/ppm吸收峰为亚甲基,而6个氢的δ3.4/ppm的吸收峰为两个亚甲基,且均为单峰,表明两者与之直接相连的原子上无氢的存在,两者没有直接相连。

④根据分子式C9H13N可知结构中有一个N存在。因甲基与亚甲基没有直接相连,故可初步判定分子中有—CH2N(CH32存在。

⑤结合以上推断,此化合物可能的结构为