# Interpret Nmr Spectrum

> Systematically interpret nuclear magnetic resonance spectra (1H, 13C, DEPT, and 2D experiments) to elucidate molecular structure. Covers chemical shift assignment, coupling pattern analysis, integration, and correlation of multi-dimensional data into coherent structural proposals.

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# 解 NMR 光譜

析一維與二維核磁共振光譜以歸峰、定偶合關係、提合諸觀測數據之分子結構片段。

## 用時

- 自 NMR 數據定未知有機化合之結構
- 證合成物之同與純
- 於疊訊之複光譜中歸峰
- 合諸 NMR 實驗（1H、13C、DEPT、COSY、HSQC、HMBC）成結構之一貫圖
- 別區位異構、立體異構、或構象異構

## 入

- **必要**：NMR 光譜數據（至少一 1H 光譜及化學位移、多重性、積分）
- **必要**：分子式或分子量（自質譜或元素分析）
- **可選**：13C 與 DEPT 光譜（化學位移及多重性）
- **可選**：2D 光譜（COSY、HSQC、HMBC、NOESY/ROESY 關聯表）
- **可選**：採集用之溶劑與磁場強度
- **可選**：既知結構約束（如反應起始物、IR 證之官能團）

## 法

### 第一步：評光譜類與採集參數

解讀前立可得數據及其質：

1. **辨實驗類**：錄可得諸光譜（1H、13C、DEPT-135、DEPT-90、COSY、HSQC、HMBC、NOESY、ROESY、TOCSY）。記所觀察核與維度
2. **記採集參數**：記波譜儀頻率（如 400 MHz、600 MHz）、溶劑、溫度、參考標準
3. **辨溶劑與參考峰**：以下表尋並除溶劑訊

| 溶劑 | 1H 殘留 (ppm) | 13C 訊 (ppm) |
|---|---|---|
| CDCl3 | 7.26 | 77.16 |
| DMSO-d6 | 2.50 | 39.52 |
| D2O | 4.79 | -- |
| CD3OD | 3.31 | 49.00 |
| Acetone-d6 | 2.05 | 29.84、206.26 |
| C6D6 | 7.16 | 128.06 |

4. **評譜質**：察基線平、多重峰之解析、信噪比。標任何偽影（旋轉邊帶、13C 衛星、CDCl3 中 ~1.56 ppm 之 H2O 等溶劑雜峰）

**得：**可得實驗之全錄，已證溶劑／參考峰除於析之外，及質評。

**敗則：**若光譜信噪差或基線嚴重失真，記此限並慎行。標不可信別於噪之諸峰。

### 第二步：析 1H 化學位移

以特徵位移範圍歸每 1H 訊於化學環境：

1. **列諸訊**：於每峰記化學位移 (ppm)、多重性、偶合常數 J (Hz)、相對積分
2. **依位移區分類**：

| 範圍 (ppm) | 環境 | 例 |
|---|---|---|
| 0.0--0.5 | 遮蔽（環丙烷、M-H） | 環丙基 H、金屬氫化物 |
| 0.5--2.0 | 烷（CH3、CH2、CH） | 飽和脂肪鏈 |
| 2.0--4.5 | α 至雜原子／不飽和 | -OCH3、-NCH2、烯丙、苄基 |
| 4.5--6.5 | 乙烯基／烯 | =CH-、=CH2 |
| 6.5--8.5 | 芳香 | ArH |
| 9.0--10.0 | 醛 | -CHO |
| 10.0--12.0 | 羧酸 | -COOH |
| 0.5--5.0（寬、可交換） | OH、NH | 醇、胺、醯胺 |

3. **計氫數**：以相對分子式之積分比歸每訊之質子數。規為最簡整數比
4. **記可交換之質子**：D2O 搖動後消之訊（OH、NH、COOH）為可交換。記其有無及近似位移

**得：**諸 1H 訊之表，附位移、多重性、J 值、積分（H 數）、初步環境歸屬。

**敗則：**若積分比不合預期質子總數，察疊訊、藏基線之寬峰、或分子式之誤。

### 第三步：定偶合型與 J 值

自分裂型提連結資訊：

1. **辨多重性**：歸每訊為單 (s)、雙 (d)、三 (t)、四 (q)、雙雙 (dd) 等。複多重峰 (m) 者估偶合夥之數
2. **量偶合常數**：以 Hz 提 J 值。配互偶（若 H_A 偶 H_B，J = 7.2 Hz，H_B 必顯同 J 於 H_A）
3. **以類分 J 值**：

| J 範圍 (Hz) | 偶合類 |
|---|---|
| 0--3 | 同碳 (2J) 或長程 (4J、5J) |
| 6--8 | 鄰位脂肪 (3J) |
| 8--10 | 旋轉受限之鄰位 |
| 10--17 | 鄰位烯順 (6--12) 或反 (12--18) |
| 0--3 | 芳香間位 |
| 6--9 | 芳香鄰位 |

4. **圖偶合網**：集相偶之質子為自旋系統。每系統示分子之一連片段
5. **評屋簷效**：AB 型中，雙峰之內線強於外線，示化學位移相近

**得：**諸偶合常數已量並互配，自旋系統已辨，偶合類已分。

**敗則：**若多重峰複而不可以一階律析，記此高階型。疊訊或強偶核 (delta-nu/J < 10) 生非一階型，須模擬。

### 第四步：析 13C 與 DEPT 數據

自 13C 實驗定碳類與數：

1. **計各異 13C 訊**：比 13C 峰數於分子式。少於預期則示分子對稱
2. **依化學位移分類**：

| 範圍 (ppm) | 碳類 | 例 |
|---|---|---|
| 0--50 | sp3 烷 | CH3、CH2、CH、四級 C |
| 50--100 | α 至 O 或 N | -OCH3、-OCH2、端基 C |
| 100--150 | 芳香／乙烯基 | =CH-、ArC |
| 150--170 | 雜芳香／烯醇／亞胺 | C=N、芳香 C-O |
| 170--185 | 羧基／酯／醯胺 | -COOH、-COOR、-CONR2 |
| 185--220 | 醛／酮 | -CHO、>C=O |

3. **用 DEPT 編輯**：以 DEPT-135（CH 與 CH3 向上、CH2 向下、四級不現）與 DEPT-90（僅 CH）定每碳所連氫數
4. **算不飽和度**：DBE = (2C + 2 + N - H - X) / 2。比於光譜暗示之 π 鍵與環

**得：**每 13C 訊依類（CH3、CH2、CH、C）與化學環境分類，不飽和度已算並合觀測官能團。

**敗則：**若 DEPT 數據闕，自 HSQC 關聯（第五步）推氫連結。若碳數不合分子式，察重合訊或藏噪之四級碳。

### 第五步：關聯 2D NMR 數據

以二維實驗建連結：

1. **COSY (1H-1H 關聯)**：辨何質子隔 2--3 鍵。圖交峰以證並擴第三步之自旋系統
2. **HSQC (1H-13C 一鍵)**：歸每質子於其直連碳。此明連 1H 與 13C 之歸屬
3. **HMBC (1H-13C 長程)**：辨 2--3 鍵之 H-C 關聯。HMBC 為連跨四級碳、雜原子、羰基（無直 H-C 鍵）之片段之關鍵
4. **NOESY/ROESY（穿空間）**：辨空間近（< 5 埃）之質子，無論鍵連。用於立體歸屬與構象析
5. **建片段連結**：以 HMBC 關聯連 COSY 之自旋系統為更大片段。每 HMBC 交峰示一 2--3 鍵之 H 至 C 之徑

**得：**連結圖連諸自旋系統成一貫分子框架，NOE 數據可得則附立體資訊。

**敗則：**若 2D 數據不全或曖，記暫定之連。或須多結構提。以 HMBC 為片段組裝之先，彼橋 COSY 不能及之隙。

### 第六步：提並驗結構

結片段為全結構之提：

1. **組片段**：以 HMBC 關聯與不飽和度約束連第二至第五步之結構片段
2. **察分子式**：驗所提結構精配分子式（原子數、不飽和度）
3. **反推化學位移**：為所提結構預期 1H 與 13C 化學位移。比於觀測值；偏 > 0.3 ppm (1H) 或 > 5 ppm (13C) 須再察
4. **驗諸關聯**：確諸觀測 COSY、HSQC、HMBC 關聯皆由所提結構釋之。未釋交峰示訛或雜質
5. **慮替代**：若多結構合數據，列可解曖之區分實驗或關聯
6. **歸立體**：以 NOE 數據、J 值析（二面角之 Karplus 關係）、既知構象偏好，歸相對及可能絕對立體

**得：**單最適結構之提，諸 NMR 數據皆有校，或候選之序列附辨識之策。

**敗則：**若無單結構容諸數據，察：化合混合（餘峰具非整數積分比）、動態過程（構象交換生寬峰）、或順磁雜質（異常展寬）。若多結構仍同可行，再察分子式。

## 驗

- [ ] 諸溶劑與參考峰已辨並除於解讀
- [ ] 每 1H 訊歸化學位移區、多重性、J 值、積分
- [ ] 偶合常數互配（於偶合夥間配）
- [ ] 13C 訊依 DEPT 多重性與化學位移區分類
- [ ] 不飽和度已算，合所提結構
- [ ] 2D 關聯（COSY、HSQC、HMBC）皆由結構之提釋之
- [ ] 所提結構精配分子式
- [ ] 反推化學位移於容忍內合觀測值
- [ ] 可則以 NOE 或 J 值析處立體

## 陷

- **忽溶劑峰**：常溶劑生訊或疊分析物峰。解讀前恆辨並除溶劑殘留、水、油脂峰
- **強於二階型上施一階析**：強偶核（小化學位移差於 J）生失真多重峰，不可以簡單 n+1 律解。識屋簷效與非二項強度型為兆
- **略可交換質子**：OH 與 NH 訊或寬、或因濃度／溫度位移、或於質子溶劑中闕。D2O 搖動實驗明何訊可交換
- **假設諸 13C 峰皆可見**：四級碳弛豫長而強度低。短採集光譜或闕。HMBC 關聯常為唯一察法
- **誤解 HMBC 偽影**：HMBC 光譜或顯一鍵偽影（誤歸為長程）與弱四鍵關聯。以 HSQC 交察以濾一鍵漏透
- **忽對稱**：若觀測 13C 峰數少於分子式所預，則分子或具對稱元素。結構提前計此

## 參

- `interpret-ir-spectrum` — 辨官能團以約 NMR 結構之提
- `interpret-mass-spectrum` — 定分子式與碎裂以交叉驗
- `interpret-uv-vis-spectrum` — 述發色團與共軛之度
- `interpret-raman-spectrum` — 得對稱模式之互補振動數據
- `plan-spectroscopic-analysis` — 數據採集前擇並序光譜技術