1. 13C NMR 신호의 해석
- 13C NMR은 분자 내에 존재하는 서로 다른 탄소 원자의 개수를 나타냄.
- 각기 다른 환경에 있는 탄소는 단일 날카로운 공명 선(singlet)으로 관찰됨.
- 범위: TMS 기준선으로부터 0 ~ 220 δ 사이
2. 탄소의 화학적 이동과 전자 환경
- 탄소의 화학적 이동은 인접한 원자의 전기음성도에 영향을 받음.
- 산소, 질소, 할로겐과 결합한 탄소는 전자를 빼앗겨 탈차폐(deshielding)되므로 낮은 자기장(왼쪽, downfield)에서 흡수함.
- 파이(π) 시스템의 자기적 이방성(diamagnetic anisotropy)에도 영향을 받음.
- 일반적인 흡수 영역
3. 예시: 2-butanone과 para-bromoacetophenone
(a) 2-부탄온(2-butanone)의 스펙트럼
- 분자 내 4개의 탄소가 모두 다른 환경에 있어 4개의 신호가 나타남.
- 카보닐 탄소(C2)가 208.7 δ에서 가장 왼쪽(downfield)에 나타나며, 나머지 sp3 탄소들은 0 ~ 40 δ 영역에 나타남.
(b) para-브로모아세토페논(para-bromoacetophenone)의 스펙트럼
- 분자 내에 8개의 탄소가 존재하지만, 6개의 흡수 신호만 관찰됨.
- 이는 분자 내에 대칭면(symmetry plane)이 있어 4번-4'번 탄소와 5번-5'번 탄소가 각각 등가(equivalent)이기 때문임.
- 방향족 고리 탄소들은 128 ~ 137 δ 범위에서 4개의 신호로 나타나며, 카보닐 탄소는 역시 가장 왼쪽인 190 δ 부근에서 관찰됨.
4. 피크 크기의 불균형
- 두 스펙트럼 모두에서 피크의 크기가 일정하지 않은데, 이는 각 탄소의 이완 시간(relaxation time)이 다르기 때문임.
- 이완 시간: 각 탄소 원자의 국부적인 환경에 따라 rf 펄스를 받은 후 평형 상태로 돌아오는 시간
- 특히 수소가 붙지 않은 4차 탄소(quaternary carbon)는 이완 시간이 길어 다른 탄소들에 비해 신호가 훨씬 작게 나타나는 특징이 있음.
- 따라서 1H NMR과 달리 13C NMR 스펙트럼은 신호의 면적을 적분하여 탄소 수를 직접 비교하기 어려움.
Problem 13-17. Predict the number of carbon resonance lines you would expect in the 13C NMR spectra of the following compounds:
Answer.
(a) 4 (b) 7 (c) 4 (d) 5 (e) 5 (f) 4
Problem 13-18. Propose structures for compounds that fit the following descriptions:
(a) A hydrocarbon with seven lines in its 13C NMR spectrum
(b) A six-carbon compound with only five lines in its 13C NMR spectrum
(c) A four-carbon compound with three lines in its 13C NMR spectrum
Answer.
(a) Heptane
(b) 2-Methylpentane
(c) 2-Butanol
Problem 13-19. Classify the resonances in the 13C NMR spectrum of methyl propanoate, CH3CH2CO2CH3 (FIGURE 13-19).
Answer.
1번 탄소(-OCH3): 52 δ, 2번 탄소(C=O): 175 δ, 3번 탄소(-CH2-): 28 δ, 4번 탄소(-CH3): 9 δ