基于二维NMR谱解析对碘苯甲酸乙酯结构的实验教学设计

刘雅琴， 余明新， 何 玲

（浙江大学化学系，杭州 310027）

0 引言

化学分析中，核磁共振波（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）与质谱、红外光谱、紫外光谱被认为是有机结构分析的四大表征手段。核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程［1］。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。

随着科学的进步和分析技术的革新，二维核磁共振谱（Two-Dimensional NMR，2D-NMR）更可靠、客观地解析有机化合物的结构。当前很多一维谱数据的归属依赖于二维NMR实验。二维谱的特点是将化学位移、耦合常数等核磁共振参数展开在二维平面上，这样在一维谱中重叠在一个频率坐标轴上的信号分别在两个独立的频率坐标轴上展开，这样不仅减少了谱线的拥挤和重叠，而且提供了自旋核之间相互作用的信息［2］。这些对推断一维NMR图中难以解析的复杂化合物结构具有重要作用，为化学、化工、药学、生命科学、医学和材料科学等领域提供了一种强有力的分析测试手段，发挥着越来越重要的作用［3-10］。为了开拓学生的专业视野，将核磁共振波谱仪引入到研究生的仪器分析实验课程中。虽然已经有些高校开展了核磁实验教学工作且相关的实验教学设计已经被报道［11-12］，但基于2D-NMR技术的实验教学设计并未见相关报道。二维NMR 技术对于确定化合物的结构及1H和13C-NMR信号峰的归属非常有效，因此本实验以对碘苯甲酸乙酯为分析对象，采用核磁共振氢谱（1H-NMR）、氢-氢相关谱（1H-1H COSY）、核磁共振碳谱（13C-NMR 和DEPT135）、氢-碳异核单量子相关谱（1H-13C HSQC）、氢-碳异核多键相关谱（1H-13C HMBC）对其结构进行完整解析。对碘苯甲酸乙酯虽然结构简单却很典型，含有伯、仲、叔和季4 种不同类型的碳原子以及杂原子，有利于成为教学讲解的模板化合物。这些举措对于学生们后续的科学研究具有很好的指导意义，有助于培养学生的独立解谱能力，也让高校的大型仪器更好地服务于师生的科研和教学支撑工作。

1 实验原理与仪器构造

NMR 是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。NMR 谱仪主要由磁体、探头、前置放大器、机柜、工作站组成，如图1 所示。

图1 核磁共振波谱仪的基本结构示意图

（1）磁体。为超导磁体，产生NMR 跃迁所需的磁场。在磁体内腔壁与探头之间装有多组匀场线圈，通过调节各组线圈中的电流，使之产生的附加磁场抵消静磁场的不均匀，保持磁场最大均匀性。

（2）探头。是核磁共振波谱仪的关键部分，对样品发射射频脉冲和接收原子核发生共振吸收时的感应信号都是通过NMR 探头中的线圈进行，还起到支撑样品的作用。

（3）前置放大器。主要功能是放大样品发生共振吸收时放射出的微弱信号。它被安置在磁体的旁边以尽可能早对NMR 信号进行放大来减小在电缆传输中的衰减。另外，前置放大器也传送和接收氘锁场信号。

（4）机柜。主要有射频（Radio Frequency，RF）发生器、检测器和功放等模块。RF发生器系统内的各个单元分别负责激发样品的射频脉冲的产生以及放大、数字化样品放射出的NMR 信号。当数据被接收和数字化后，信息被传输到计算机主机进行进一步的处理和储存。功放单元激发NMR 样品需要很大的信号振幅，功放单元放大从前一单元中产生的射频脉冲信号。从功放输出直接到高性能前置功放的电缆把射频RF信号通过探头传给样品。

（5）工作站。是操作控制台，包括计算机主机、显示器等输出设备。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

仪器：1H NMR、13C NMR、DEPT135、1H-1H COSY、1H-13C HSQC 和HMBC 以及ROESY 谱均用Agilent DD2600 型核磁共振波谱仪（美国Agilent 公司）测定，以氘代二甲亚砜为溶剂，1H NMR 的观测频率为599. 77 MHz，13C NMR 的观测频率为150. 83 MHz，1H-1H COSY实验谱宽为6648.9 Hz，采样数据点阵图t2×t1＝1024 ×256，1H-13C HSQC 实验中13C谱宽为30165.9 Hz，采样数据点阵t2×t1＝1024 ×256，1H-13C HMBC实验中13C 谱宽为36199.1 Hz，1H谱宽为9615.4 Hz，采样数据点阵t2×t1＝1024 ×256。

试剂：氘代二甲亚砜购自青岛腾龙微波科技有限公司，实验中的对碘苯甲酸乙酯由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供，经HPLC 测试纯度大于98%。所有试剂均为分析纯。

2.2 样品制备

称取对碘苯甲酸乙酯样品约30 mg，加入氘代二甲亚砜0.6 mL，使其完成溶解，转移到φ5 mm核磁管中待测。

2.3 实验流程

NMR实验操作流程如图2 所示。

图2 NMR实验操作流程

3 实验结果与讨论

教学实验必须具有理论依据明确、操作步骤简便、结果稳定、再现性高等特点［13］。为了达到上述要求，选取结构简单且典型的化合物对碘苯甲酸乙酯样品的一维氢谱（1H谱）、碳谱（13C 谱和DEPT135 谱）、二维相关谱（1H-1H COSY 谱、1H-13C HSQC 谱和HMBC谱）做了深入细致的探讨。

3.1 对碘苯甲酸乙酯结构分析

对碘苯甲酸乙酯含有伯、仲、叔和季4 种不同类型的碳原子，是一个有代表性结构的化合物。如图3 所示，实验中采集了对碘苯甲酸乙酯的一维氢谱（1H谱）、碳谱（13C谱和DEPT135 谱）、二维相关谱（1H-1H COSY谱、1H-13C HSQC 谱和HMBC 谱），并对谱图进行了详细解析。

图3 对碘苯甲酸乙酯的结构式

3.2 对碘苯甲酸乙酯谱图解析

（1）对碘苯甲酸乙酯的1H NMR 和1H-1H COSY谱分析。首先，在对碘苯甲酸乙酯的1H NMR谱中，以氘代DMSO为溶剂，显示有6 组质子信号，共9 个质子，δ2.51 为溶剂DMSO质子信号，δ3.34 为水的信号，如图4 所示，由高场到低场，积分面积比为3 ∶2 ∶2 ∶2；1H-1H COSY谱可获得化学键上相邻氢原子的偶合信息，如图5 所示，高场区有一个自旋系统，δ1. 32 与δ4.31 存在交叉峰，J＝7.2 Hz，构成A3M2五旋系统。观察分析峰型，δ1. 32 处呈现三重峰，δ4.31 处呈现四重峰，按照2nI+1 规律，结合化学位移可以判断出这两组峰位于末端的CH2CH3基团片段。

图4 对碘苯甲酸乙酯的1H NMR谱图

（2）对碘苯甲酸乙酯的13C NMR 和DEPT135 谱分析。类似地，对碘苯甲酸乙酯的13C NMR 谱显示样品分子有7 组碳原子信号，分子中含有9 个碳，其中2个等性碳原子在同一位置出峰；DEPT135 谱显示出3组伯碳或叔碳，1 组仲碳和3 组季碳，如图6 所示。然而，详尽归属NMR 数据需要结合二维NMR 谱，特别是HSQC和HMBC谱。

（3）对碘苯甲酸乙酯的2D NMR 谱图综合分析。通过以上对碘苯甲酸乙酯的1H-NMR 和1H-1H COSY谱可知，根据化学位移、峰型及峰面积的特征可判断δ1. 32 与δ4.31 分别是对应CH3（H-3）和CH2（H-2）基团。由1H-13C HSQC 谱（见图7）可知，δ1.32（H-3）与C δ（17.20）有碳-氢一键相关，可判断δ（17.20）为C-3，同理可推出δ（64.06）为C-2。1H-13C HMBC谱（见图8）显示，δ4.31（H-2）与δ168.40 和δ17.20（C-3）存在远程相关，结合化学环境可判断δ168.40 为C-1，因受酯基吸电子作用影响C-1 化学位移处于较低场。1H-13C HMBC谱显示，δ（168.40）（C-1）与Hδ 4.31（H-2）和δ7.71 存在远程相关，可判断δ 7.71 为H-5；HSQC谱可知，δ7.71（H-5）与C δ133.85 有碳-氢一键相关，可判断δ133.85 为C-5；1H-13C HMBC谱显示，δ7.71（H-5）与δ104.70 和δ168.40（C-1）存在远程相关，结合化学环境可判断δ104.70 为C-7，由于碘的重原子效应使其化学位移向高场大幅度移动［14，15］，故相对于其他季碳原子处于最高场。

图7 对碘苯甲酸乙酯的1H-13C HSQC谱图

图8 对碘苯甲酸乙酯的1H-13C HMBC谱图

再者1H-1H COSY 谱显示，δ7.71（H-5）与δ7.92存在耦合相关，可判断δ7.92 为H-6；HSQC 谱可知，δ7.92（H-6）与Cδ140.79 有碳-氢一键相关，可判断δ140.79 为C-6；1H-13C HMBC谱显示，δ7.92（H-6）与δ132.42 存在远程相关，结合化学环境可判断δ132.42为C-4。

3.3 对碘苯甲酸乙酯谱图归属总结

综上所述，根据对碘苯甲酸乙酯的核磁共振1H-1H COSY谱、1H-13C HSQC 和HMBC、ROESY 谱及其1H谱、13C 谱解析，并对对碘苯甲酸乙酯的HMBC相关谱的关键信号进行标示，如图9 所示。化合物对碘苯甲酸乙酯分子中的碳氢归属结果列于表1。

表1 对碘苯甲酸乙酯的13C NMR谱、DEPT谱、1H NMR谱、COSY谱、HSQC谱和HMBC谱归属

图9 对碘苯甲酸乙酯的HMBC相关谱的关键信号图

4 结语

为了开拓学生的专业视野，我系将大型仪器核磁共振波谱仪NMR引入到研究生的仪器分析实验课程中。根据样品的结构类型，本实验选择对碘苯甲酸乙酯实验进行NMR二维核磁共振波谱分析。本实验过程中，学生可以自主使用NMR 波谱大型仪器对样品进行测试分析，根据样品对碘苯甲酸乙酯分子的二维核磁共振1H-1H COSY谱、1H-13C HSQC谱归属了全部碳氢信号；1H-13C HMBC 谱显示出碳氢远程相关耦合的异核相关信息，进一步证实了碳氢信号的归属，各谱图归属合理，根据以上分析结果确证了对碘苯甲酸乙酯的化学结构。这使他们有效地掌握了相关测试手段，也让大型仪器全面支撑研究生教学，进一步提高了分析仪器的利用率。