太阳2平台的核磁共振

核磁共振(NMR)光谱学是化学家可用的最强大的光谱工具之一, providing a means to study molecular properties and structure.

核磁共振资源仪器

Harvey Mudd学院化学系拥有Bruker Avance NEO 400，这是一种最先进的傅立叶变换系统，具有400MHz低温磁铁和梯度探针，能够在大范围的原子核上进行高分辨率光谱分析, 谐振频率从 ¹⁰⁹Ag),³¹P.

数据分析软件

TopSpin is the data acquisition and analysis package running on the Avance NEO 400. TopSpin也运行在NMR工作站上，可以在pc和mac上下载用于离线数据分析. TopSpin可以分析Avance NEO 400生成的一维、二维和三维数据.

核磁共振信息

的re are three types of information available in NMR spectroscopy:

化学位移, 它提供了在分子内不同位置的平均有效磁场(由于核屏蔽)的信息.
自旋自旋耦合 (耦合常数和自旋多重度), which derives from 通过债券 interactions between spin-active 核.
信号强度, 用信号的积分来测量, which derives from the number of equivalent 核 present in a given environment.

当然, it is possible to garner additional information via other processes, 例如核大马力效应(NOE).

IconNMR

IconNMR是Avance NEO 400的数据采集软件. IconNMR provides an easy-to-use interface for common ¹H和¹³C实验在一系列常见的核磁共振溶剂. IconNMR also provides access to experiments on other 核 (such as ¹⁵N,¹⁹F, ³¹P).

IconNMR在设置，运行和处理NMR实验中处理以下任务:

示例加载;
锁住溶剂;
调整和匹配探头;
给磁铁垫上垫片;
获取FID;
Process the FID by Fourier transformation and phasing the resulting spectrum;
整合高峰;
Label peaks; and
绘制频谱图.

当然, your data are available for offline processing with TopSpin at any time. This may be useful if you do 不 like the phasing and/or integration done by IconNMR. You may also wish to expand or replot a section of your spectrum.

1H

实验名称-质子

讨论

这是最简单的, 最简单的核磁共振实验, taken right out of your organic chemistry textbook.

在这个实验中, 在低温磁体产生的静态磁场中，以质子的拉莫尔进动频率为中心的短射频脉冲会导致质子的净横向磁化. 当样品呈指数衰减到其平衡状态时，监测这种横向磁化, 提供自由感应衰减, 或支撑材. 的 FID contains all of the spectral information in the time domain. 对FID进行快速傅里叶变换，得到频域中的频谱. Before it can be read, the spectrum must be phased. Subsequent processing allows for integration and 挑选峰值.

注意你可以选择质子(16次扫描). More scans buy you better signal-to-noise (S/N), but take longer to execute. Since it takes roughly 5分钟 for the spectrometer to lock and achieve a good shim, 从8次扫描到128次扫描所需要的额外5分钟并不是那么多……

Recall that S/N ratio is proportional to the square root of the number of scans you take; doubling the number of scans increases your S/N by a factor of 2^1/2. More advanced users may wish to set the NS (number of scans) parameter manually.

在本页和以下几页中，介绍了乙苯的一系列光谱:

三连音在1.25 ppm with integral of 3 corresponds to the protons H_a in the methyl group, whereas the quadruplet at 2.65 ppm with integral of 2 corresponds to the methylene protons, H_b. 七岁的多胞胎.25 ppm with integral of 5 correspond to the aromatic protons H_c. 的 singlet at 0 ppm is due to the internal standard, tetramethylsilane (TMS).

注意化学物质的变化, 以外加磁场的PPM表示, 不随场强变化. 的 spin-spin coupling (J-constants) is 不 field-dependent, either.

乙苯的光谱

13C不解耦

的 ¹³C experiment without decoupling of attached protons is quite similar to the standard ¹H实验. A short radio-frequency pulse centered on the Larmor precession frequency of ¹³C核在由低温磁体产生的静态磁场中引起碳核的净横向磁化. 当样品呈指数衰减到其平衡状态时，监测这种横向磁化, 提供自由感应衰减, 或支撑材. 的 FID contains all of the spectral information in the time domain. 对FID进行快速傅里叶变换，得到频域中的频谱. Before it can be read, the spectrum must be phased. Subsequent processing allows for integration and 挑选峰值. 注意两者 ¹³C和 ¹H自旋¹/₂核. We expect to see a signal for each magnetically-unique carbon, 分成n+1个峰, where n is the number of protons attached to the carbon. 当然，信号来自 ¹³C is much weaker than that of a proton because only 1.一个分子中1%的碳是 ¹³差额是 ¹²C，它不产生核磁共振信号. 这也解释了为什么我们看不到相邻碳的自旋-自旋耦合两个相邻碳都是13C的概率是0.12%(相当小)!). 的磁回比 ¹³C只有质子的23%. 考虑到所有因素, this is a difficult and time-consuming experiment to attempt, 这就解释了为什么我们不经常这样做. 请注意，由于CDCl，三重态在77ppm₃(溶剂)在下面的光谱中. This signal is very strong because the sample is mostly CDCl₃. CDCl3中的碳分裂成三重态，因为与它相连的D是一个自旋+1的原子核:D可以处于三种自旋状态中的任何一种(-1), 0 or +1). 因此, any given carbon in the solvent “sees” one of three distinct environments, 取决于它所附D的自旋态.

乙苯的光谱

13 c CPD

实验- 13 c CPD

讨论

而 ¹³没有解耦的C光谱是费时的，有时很难解释, 在得到碳谱的同时将质子与碳核解耦，得到了惊人的结果. We obtain a singlet for each magnetically-unique carbon.¹³C spectroscopy garners information about the backbone of an organic molecule. 傅里叶变换仪器的奇迹使我们能够克服与低同位素丰度相关的信噪比问题 ¹³C和它相当差的磁回比.

In the CPD (Composite Programmed Decoupling) technique, 我们通过对质子进行复杂的射频脉冲序列，使质子与碳分离. 这意味着质子在获得碳谱的过程中不断地改变自旋状态. 结果是, the carbon “sees” only one net proton environment, yielding only one peak for each magnetically-unique carbon.

峰下的面积一般是不由于松弛效应，与实验中存在的碳数成正比. In order to achieve good results in integration, you must wait 10-20s between pulses. 通常情况下，我们都太没耐心了.

这是最快的 ¹³C实验进行. 因此，它是“标准”。 ¹³C实验在较新的光谱仪. 在下面的光谱中, the peak at 15 ppm is the methyl carbon C_a and the peak at 28 ppm is the methylene carbon Cb. 苯环上的四碳Cc(没有质子的那个)是144ppm. 的 remaining three peaks at 125, 127, and 128 ppm are the remaining aromatic carbons. Note that even though there are five additional carbons in the ring, there are only three magnetically unique signals. 另外，请注意由于CDCl引起的三元组₃(溶剂)在77 PPM下的光谱.

乙苯的光谱

13 c太阳2注册平台

实验- 13 c DEPT45

讨论

DEPT实验(偏振转移无失真增强)是碳编辑脉冲序列的一个例子. 复杂脉冲程序内部延迟的系统变化使不同的碳以不同的方式响应, 取决于连着的质子数.

DEPT 45实验得到a positive peak for every carbon with attached protons: C₁在16 ppm, C₂29 ppm, C₄, C₅，和C₆at 128.5, 128.9和129ppm. Note in the spectrum below that carbon in the CDCl₃solvent does 不 give a signal since it has no attached protons.

实验- 13 c DEPT90

讨论

在DEPT实验的这个变体中， 只有CH产率达到峰值; CH₀, CH₂，和CH₃ 是看不见的. 在我们的示例中，由于C，我们只看到三行₄, C₅，和C₆芳香烃的含量在百万分之126到129之间.

实验- 13 c DEPT135

讨论

在DEPT实验的这个变体中， CH₁, CH₃ 产正峰，而和₂ 是消极的. In our example, we see only three positive lines due to C₄, C₅，和C₆芳香烃的含量在百万分之126到129之间, while the CH₂ 29 PPM是负的.

二维核磁共振:HSQC

实验- HSQCGP

讨论

二维HSQC(异核单量子相干)实验允许您通过确定分子的连通性来确定 哪个质子和哪个碳相关. In these examples, “correlated” means directly bonded.

HSQCGP是一种反向探测实验，利用沿样品孔的磁梯度观察质子. 的re are many advantages to this approach; this experiment will yield superior signal-to-noise ratios in shorter times than traditional experiments.

在下面的光谱中, 质子光谱出现在顶部, while the “imputed” carbon spectrum appears along the left-hand side. Peaks within the grid arise from correlations between a given proton and carbon signal. 比如，甲基质子在1的位置.3 ppm on the proton axis are coupled to the methyl carbon at 16 ppm on the carbon axis.

乙苯的光谱

二维核磁共振:舒适

实验-COSYGP

讨论

二维相关光谱(COSY)实验允许您通过确定哪些质子是自旋-自旋耦合来确定分子的连通性. 当然, one could accomplish the same task by a detailed analysis of spin-spin splittings, 如果分辨率足够高. 尽管如此, 舒适的光谱, when practiced with the aid of magnetic field gradients, 是一种快速建立联系的方法吗.

在下面的例子中，乙苯的质子谱分别画在两个轴上. 请注意，方框内的对角线也是从上面看到的乙苯的光谱.” Off-diagonal peaks de不e splitting between protons on adjacent carbons. 注意甲基质子在1的偶联.3 PPM和2时的亚甲基质子.7 ppm. 7的芳香族复合体.3ppm与自身耦合. 同样，注意甲基和亚甲基质子都没有偶联到7位的芳族质子.3 ppm.

这个COSY实验给出了太阳2注册平台三键耦合的信息(从质子到它的碳), 到相邻的碳上, 然后是碳的质子. More extensive COSY spectra may be generated by advanced techniques, 允许一个人看四, 五年, 偶尔还有六键偶联.

最后, 另一类实验, known collectively as nuclear Overhauser effect (NOE) experiments, 提供有关 在太空中 而不是 通过债券 联轴器. 这类实验对利用核磁共振建立叔原子和结构具有重要意义.

乙苯的光谱

规格表

IconNMR实验

Currently defined IconNMR experiments of interest to the novice user are shown below.

More advanced users may select from a greater range of experiments. 除了, 实验参数, 如D1, NS, and TE may be changed with IconNMR’s EDIT PARAMETERS menu.

实验名称	描述	采样时间
质子	¹带积分的H谱 & 挑选峰值.	8扫描1.5分钟
13 c CPD	¹³具有门控去耦和峰值的C谱挑选	1024扫描 58分钟
13 c DEPT45	¹³C 45°DEPT(无失真增强极化转移)，只显示CH_x(积极的)	32个扫描 13分钟
13 c DEPT90	¹³C 90°DEPT，仅显示CH(均阳性)	32个扫描 2分钟
13 c DEPT135	¹³C 135°DEPT，示CH, CH₃积极、CH₂负	32个扫描 2分钟
COSYGS	二维质子-质子相关光谱学)有梯度的	5分钟
HSQCGP	二维逆探测汇丰(异核单量子相干)与梯度的碳氢相关	14分钟

IconNMR实验

参考文献

参考书目

Friebolin,霍斯特. (1998). 基本的一维和二维核磁共振光谱学. Weinheim: Wiley-VCH.
布劳恩,年代.; Kalinowski, H.-O.; Berger, S. (1998).150和更多基础核磁共振实验. Weinheim: Wiley-VCH.

致谢

Harvey Mudd College Bruker Avance DPX-400光谱仪的收购是通过以下慷慨支持实现的:

的 National Science Foundation Major 研究 Instrumentation Program CHE-9724364.

卡米尔和亨利·德雷福斯基金会化学科学特别资助项目.

陶氏化学基金会.

肯尼斯·诺里斯基金会.