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本文在系统的总结和分析前人对15N-NMR化学位移的研究成果的基础上,对15N-NMR化学位移的规律进行研究,最终确定用回归分析中的最小二乘法来确定计算15N-NMR化学位移的公式,并用F-检验法对所得计算公式进行检验。按照化合物类型和所含氮原子的结构,分别提出了19个15N-NMR化学位移计算公式,如下:
1.含碳氮单键化合物中氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
(1)脂肪胺氨基中氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:δcal=-380.2+△α+△β+△γ+△δ+C,式中,C为空间效应参数,△α、△β、△γ代表11种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.44,标准偏差为2.82;
(2)芳香族胺氨基中氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
δcal=δOn+c(△o+△m+△p),式中,n=1~4,δ01=-320.4,δ02=-325.8,δ03=-337.0,δ04=-294.8,δ01~δ04分别表示取代苯胺、N-甲基取代苯胺、N,N-二甲基取代苯胺和取代苯肼的基值,c表示校正系数,△o、△m、△p代表18种苯环上的取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.33,标准偏差为2.50;
(3)脂肪族酰胺、酰卤、氨基甲酸甲酯、硫代酰胺,R2NCO-X型化合物[R表示-H、-CH3、-(CH3)2、-(C2H5)]中酰胺基氮原子15N-NMR化学位移计算公式:δcal=δon+c(△α+△β+△γ)+C,式中,n=1~4,δ01=-267.6,δ02=-270.1,δ03=-275.2,δ04=-248.7,δ01~δ04分别表示取代酰胺、N-甲基取代酰胺、N,N-二甲基取代酰胺、N,N-二乙基取代酰胺中氨基15N-NMR化学位移时采用的基值,c表示校正系数,C为空间效应参数,△α、△β、△γ代表6种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为-0.1,标准偏差为3.12;
(4)脂肪族N-取代胺基醛和N-取代甲酰胺(X-NHCOR型(R表示-H、-CH3)中酰胺基氮原子15N-NMR化学位移计算公式:δcal=-269.5+c(△α+△β+△γ+)C,式中,c表示校正系数,C为空间效应参数,△α、△β、△γ代表3种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为1.06,标准偏差为2.70;
(5)取代苯酰胺、N,N-二甲基取代苯酰胺以及硫代的取代苯酰胺R2NCO(S)C6H4-X型(R表示-H、-CH3)中酰胺基氮原子15N-NMR化学位移计算公式:δcal=δOn+c(△o+△m+△p),式中,n=1~3,δ01=-278.4,δ02=-282.0,δ03=-232.5,δ01~δ03分别表示取代苯酰胺、N,N-二甲基取代苯酰胺、硫代苯酰胺中15N-NMR化学位移时采用的基值,△o、△m、△p代表16种酰胺基羰基上所连苯环上的取代基参数,c表示校正系数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.22,标准偏差为0.59;
(6)取代甲酰苯胺、取代苯酰苯胺、取代三氟甲烷-酰苯胺RCONHC6H4-X型(R表示-CH3、-C6H5、-CF3)中酰胺基氮原子15N-NMR化学位移计算公式:δcal=δOn+c(△o+△m+△p),式中,n=1~3,δ01=-240.2,δ02=-246.3,δ03=-246.8,δ01~δ03分别表示计算取代甲酰苯胺、取代苯酰苯胺、取代三氟甲烷-酰苯胺15N-NMR化学位移时采用的基值,△o、△m、△p代表8种酰胺基氮原子所连苯环上的取代基参数,c表示校正系数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.09,标准偏差为0.85;
2.含碳氮双键化合物中不饱和氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
(1)N-取代的异丙基亚胺和N-取代的苯基亚胺RHC=N-X(R表示-iC3H7、-C6H5)中亚胺基氮原子15N-NMR化学位移的计算:δcal=δ0n+c(△α+△β+△γ)+C,式中,n=1~2,δ01=-67.1,δ02=-70.2,δ01~δ02分别表示计算N-取代的异丙基亚胺和N-取代的苯基亚胺15N-NMR化学位移时采用的基值,c表示校正系数,C为空间效应参数,△α、△β、△γ代表4种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为-0.14,标准偏差为2.19;
(2)碳上取代的N-烃基亚胺XHC=NR(R表示-CH3、-C6H5、-iC3H7)中亚胺基氮原子15N-NMR化学位移的计算:δcal=δ0n+c(△α+△β+△γ),式中,n=1~3,δ01=60.6,δ02=-53.7,δ03=-32.3,δ01~δ03分别表示碳上取代的N-甲基亚胺、碳上取代的N-苯基亚胺、碳上取代的N-异丙基亚胺中15N-NMR化学位移时采用的基值,c表示校正系数,△α、△β、△γ代表3种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.85,标准偏差为1.90;
(3)肟(包括X-HC=N-OH和X-(CH3)C=N-OH)中不饱和碳氮键上氮原子15N-NMR化学位移的计算。
(4)吡啶类化合物中氮原子15N-NMR化学位移的计算。
3.含碳氮三键化合物中不饱和氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
(1)脂肪族腈类化合物RCN中氰基15N-NMR化学位移的计算:δcal=-202.4+△α+△β+△γ,式中,△α、△β、△γ代表9种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为-0.34,标准偏差为2.68;
(2)脂肪族异腈化合物RNC中异腈基15N-NMR化学位移的计算。
(3)芳香族腈中氰基15N-NMR化学位移的计算。
4.含氮氮键化合物中肼基氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
(1)脂肪族肼中肼基氮原子15N-NMR化学位移的计算:δcal=-334.9+△α+△β+△γ,式中,△α、△β、△γ代表烷基的取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为-0.70,标准偏差为3.80;
(2)芳香族肼中第二类氮原子15N-NMR化学位移的计算:δcal=-321.1+△o+△m+△p,式中,△o、△m、△p代表6种苯环上的取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.0,标准偏差为0.0;
5.含硝基化合物硝基氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
(1)脂肪族含硝基化合物硝基氮原子15N-NMR化学位移的计算:δcal=δ0n+c(△α+△β+△γ),式中,n=1~3,δ01=0.0,δ02=-20.0,δ03=-30.0,δ01~δ03分别表示同一碳上硝基化合物、同一碳上二元硝基化合物、同一碳上三元硝基化合物中15N-NMR化学位移时采用的基值,c表示校正系数,△α、△β、△γ代表9种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.07,标准偏差为2.86;
(2)芳香族硝基化合物硝基15N-NMR化学位移的计算公式:δcal=-9.9+△o+△m+△p,式中,△o、△m、△p代表13种苯环上的取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为-0.03,标准偏差为0.50;
6.有机氨基硅烷氮硅键氮原子15N-NMR化学位移的计算公式:
δcal=δOn+c(△α+△β+△γ),式中,n=1~3,δ01=-444.5,δ02=-415.9,δ03=-348.5,δ01~δ03分别表示N,N-二甲基氨基硅烷、N,N-二乙基氨基硅烷、N,N-二异丙基氨基硅烷中15N-NMR化学位移时采用的基值,c表示校正系数,△α、△β、△γ代表5种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为-0.05,标准偏差为2.29;
7.胺基磷类化合物氮磷键15N-NMR化学位移的计算公式:
胺基磷类化合物R2NPX1X2和R2NPOX1X2(R表示-Me、Et和i-Pr,X为取代基):δcal=δOn+c(△α+△β+△γ),式中,n=1~4,δ01=-374.5,δ02=-340.6,δ03=-313.1,δ04=-387.6,δ01~δ04分别表示N,N-二甲基胺基磷、N,N-二乙基胺基磷、N,N-二异丙基胺基磷、N,N-二甲基磷酰化合物中15N-NMR化学位移时采用的基值,c表示校正系数,△α、△β、△γ代表7种取代基参数。该公式的置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.11,标准偏差为4.63。
经过统计检验验证,说明以上各公式都能比较准确的估算对应化合物的15N-NMR化学位移。
另外,对各类化合物的15N-NMR化学位移影响规律做了详细的探讨,并将15N-NMR化学位移影响规律与相应的1H-NMR、13C-NMR、17O-NMR作不同程度的比较,简单分析了它们之间的关系。