核磁氢谱(中)-课件.ppt
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- 核磁氢谱 课件
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1、1核磁共振氢谱(中)1H Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy(PMR,1HNMR)2两种异构体,其NMR谱如下:CCHaCH2ClCHcCH3CH3HbdCCHaCH2ClCHcCH3CH3Hbd反式:Jab:12-18Hz顺式:Jab:7-11Hze.g3 从60MHz图看Ha与Hb偶合(H5.06.0ppm)吸收峰图形复杂不能按一级谱分析,220MHz图谱基本上可以用一级谱分析,将220MHz图谱拉宽图的Jab=15.3Hz,化合物结构为反式4JabJbcJadJabCCHaCH2ClCHCH3CH3Hbdc5.00-6.00ppm部分烯氢的裂分
2、:5 同碳质子间相隔两个化学键(同碳质子间相隔两个化学键(),偶合常数),偶合常数2JHH一般为负一般为负值,有时为正值。值,有时为正值。分子结构对分子结构对2JHH影响很大。影响很大。如:如:sp3碳原子的同碳质子偶合常数可从碳原子的同碳质子偶合常数可从-30Hz到到+6Hz CH2,CH3,CH4等偶合只有单峰。同碳质子为磁全同质子。等偶合只有单峰。同碳质子为磁全同质子。量子力学表明:磁等价的质子在受激允许跃迁时所吸收能量与量子力学表明:磁等价的质子在受激允许跃迁时所吸收能量与J值无关值无关(不分裂)。所以不分裂)。所以CH2,CH3及及CH4只有单峰只有单峰2 2同碳偶合(偕偶)同碳偶合
3、(偕偶)CHH67电负性取代基对电负性取代基对J同同的影响的影响 化合物化合物 J同同(Hz)化合物化合物 J同同(Hz)CH4 -12.4 CH2=CH2 +2.30.2 CH3Cl -10.8 CH2=CHPh +1.3 CH2Cl2 -7.5 CH2=CHCl -1.9 CH3OH -10.8 CH3CCl3 -138影响影响2JHH的因素的因素1 1键角键角的变化:随碳原子杂化轨道中的变化:随碳原子杂化轨道中S S成分增加,成分增加,也增加也增加2 2J JHHHH趋于正方向趋于正方向 CH42JHH(Hz)-12.4 -4.5 +2.5H2CCH2H2CH2CCH2 109.5 11
4、4 1209CH3-,CHHCHH,2JHH随取代基电负性增加而增加随取代基电负性增加而增加吸电子取代基连在碳上,吸电子取代基连在碳上,J正值增大。正值增大。10*若若位位有有吸吸电电子子基基则则2J向向负负方方向向变变化化 如取代基通过超共轭效应吸引偶合键上电子云如取代基通过超共轭效应吸引偶合键上电子云2JHH向负方向变化向负方向变化 CH4 O=C(CH3)2 -12.4 -14.9COCH3CHHH113远程偶合远程偶合远程偶合远程偶合:质子之间通过四个(质子之间通过四个(4JH-C-C-C-H)或四)或四个以上键偶合个以上键偶合多数情况下通过多数情况下通过键和张力环传递。(烯、炔、键和
5、张力环传递。(烯、炔、芳烃、杂环、小环或桥环)芳烃、杂环、小环或桥环)J值一般为值一般为03Hz12炔烃的远程偶合可达七个键以上炔烃的远程偶合可达七个键以上CH3-CC-CC-CC-CH2OH 9J=+0.4Hz 如:丙烯式偶合如:丙烯式偶合J值一般为负值一般为负HbHa顺式偶合顺式偶合HcHa反式偶合反式偶合0-3HzHCCCH2.5HCCCCH2.2HCCCCC3HCCCCCCCCC0.4H1.3HCCCCH2.9313丙烯型远程偶合常数为跨三个单键及一个双键的偶合丙烯型远程偶合常数为跨三个单键及一个双键的偶合CCHAHBCHC14CCCCHHCCCCHH远远J+1.0+5.0 与两面角有
6、关与两面角有关 高丙烯式偶合高丙烯式偶合 :15“W”效应:饱和化合物的远程偶合一般观察不到。但如质子相隔四个单键为“W”(或M型)(4JHH)固定碳架,饱和体系也可观察到强的偶合 HaHbCONHC(CH3)3ClHaClHbCONHC(CH3)3HaHb间有W效应无W效应4Jab=7Hz4Jab=0Hz16若环变小或质子通过几个“W”效应固定碳架相连则偶合常数增大,偶合增强(环张力增加)小环,三个W五元环,二个W 四元环,二个W 4JHH=+18Hz4JHH=+8Hz 4JHH=+10HzHHHHHH17HHX在共轭体系中,5根键处于锯齿状时,构成5 5J JH-HH-H,则发生远程偶合:
7、184芳烃质子间的偶合芳烃质子间的J常用来判断取代类型3J邻=69Hz4J间=13Hz5J对=01Hz取代芳烃:一元取代苯 当Z电负性增加时:3 3J1,21,2(邻)增加4 4J1,31,3(间),5 5J1,41,4(对)下降,3J2,3不变,另一邻位不变ZH1H5H2H3H4以上为同核偶合(不是同碳偶合),以下为异核偶合195质子与其它磁核的偶合v除1H间的偶合外,1H与13C,19F及31P等磁核的偶合在结构分析中常可见。1H与13C的偶合以后详细讨论。v1919F,3131P的天然丰度为100%,有机氟化物或有机磷化物中P或F与1H的偶合可明显地观察到,1919F和3131P与1 1
8、H间的偶合常数JH-FH-F,JH-PH-P比JH-HH-H大得多。v15N的天然丰度小可以不考虑。由于1414N有四极矩,其弛豫过程产生复杂的影响因素,往往使与1414N邻近的1 1H信号形成不同形状的宽峰而分辨不清20P,F原子核均为磁核I=1/2,1H31P偶合峰的裂分规律也符合n+1规律如:31P 1JH31P3JH31P2JH31P21CH3(CH2)3CH2CCH2POCH2CH3OCH2CH3Oa b c de bd质子2JH-C-P=23Hzn+1=2裂为2峰e质子3JH-C-O-P=7Hz(1个P+3个邻碳上的H)n+1=5 为五峰H(ppm):a 0.9 粗t b 1.2
9、粗m c 2.5 t d 3.0 d 2JHdP=23Hz e 4.0 五重峰 3JHeP=7Hz223杂原子上活泼氢的交换:(在测定活泼氢时加入重水D2O失去活泼氢峰)与杂原子(O,S,N)相连的活泼氢,一般能在分子内或分子外交换,交换速率不仅取决于杂原子种类、官能团性质也取决于样品测定时的环境(溶剂极性、溶剂浓度、测定温度等)。这些质子的共振信号对环境变化很敏感。23乙醇其1HNMR谱为CH3CH2OHHa 1.17t Hb 3.62q Hc 5.37s为何醇羟基上的氢不与CH2上的质子进行偶合呢?b应为5重峰,c应为3重峰(n+1规律),羟基质子应与Hb偶合为3Jbc型。乙醇的高分辨NM
10、R谱OHCH2CH324普通乙醇中有少量质子(H+)存在,ROH上的活泼H与质子交换速度太快,不与CH2质子发生有效偶合为单峰。CH2只表现与CH3质子偶合裂分(OH质子的H是醇、酸两种环境下的几率平均值,吸收峰在较低场)。(NMR仪如照相机一样无法判定何H为 何为 )HHROH+H+ROH+H+25如仔细除去微量的酸,纯乙醇的NMR为:Ha 1.17t Hb 3.62 五重 Hc 5.37t除去醇中游离酸相当困难,可用二甲亚砜(CH3)2SO或丙酮作溶剂测定醇的PMR。羟基质子与二甲亚砜形成很强的氢键,大大降低OH与H+交换速度,图谱中出现邻碳偶合。DMSOROHOSCH3CH326判定伯仲
11、叔醇H2.6ppm:DMSO的质子峰CH3SCH3O27H2.6ppm:DMSO的质子峰DMSOCH3CHOHCH3TMS28H2.6ppm:DMSO的质子峰的质子峰29杂原子上活泼氢的交换杂原子上活泼氢的交换A)N-H:许多伯胺:许多伯胺,仲胺、叔胺上质子可快速交换仲胺、叔胺上质子可快速交换,与与ROH一样一样(P176图图5.32,b单峰,单峰,1.5)-甲基苄胺的氢谱b30芳香伯胺(苯胺)一般也为单峰(图5-33 中的Hc)c对异丙基苯胺的氢谱(CDCl3)31但芳香仲胺质子交换速度慢故与但芳香仲胺质子交换速度慢故与14N(I=1)偶合)偶合(图(图5-34 的的Ha)但不能与)但不能与
12、C偶合偶合a二苯胺的氢谱二苯胺的氢谱(CDCl3)32酰胺酰胺(RCONH2)、吡咯、吡咯()及氨基甲酸酯及氨基甲酸酯(H2NCO2R)氨氨基上质子交换慢可与基上质子交换慢可与14N偶合,只出现宽信号偶合,只出现宽信号 NHH6-8己酰胺的氢谱(氘代DMSO)p177图5-3533H6.76(N-H););H2.8(CH3-N 双峰)双峰)N-H的裂分的裂分N甲基丙酰胺的氢谱(甲基丙酰胺的氢谱(CDCl3)C34铵盐中,铵盐中,N-H交换慢交换慢,也要裂分:也要裂分:-NHHCl,-CH2-裂分为裂分为3二苄胺盐酸盐的氢谱(二苄胺盐酸盐的氢谱(CF3COOH)35SH巯基质子交换也很慢,室温下
13、与邻碳质子偶合巯基质子交换也很慢,室温下与邻碳质子偶合 b双峰双峰S-Ha SH被被CH2偶合偶合b a苄硫醇的氢谱364 4酮酮-烯醇式互变异构:烯醇式互变异构:具有具有-二羰基结构的化二羰基结构的化合物有互变异构合物有互变异构CH3CCH2CCH3OOCH3CCHOHOCCH3 在互变过程中,两种异构体存在,寿命长,互变速度慢,所在互变过程中,两种异构体存在,寿命长,互变速度慢,所以两种异构体的质子信号在图谱中都出现(如,以两种异构体的质子信号在图谱中都出现(如,UV,IR都有)都有)两种质子信号强度比也可计算平衡中混合物异构体的百分含两种质子信号强度比也可计算平衡中混合物异构体的百分含量
14、,计算平衡常数量,计算平衡常数37CH3CCH2CCH3OOCH3CCHOHOCCH3b c b d e ab乙酰丙酮的PMR谱酮式烯醇式烯醇式1538 合成化合物或分离天然化合物后,结构都要进行表征合成化合物或分离天然化合物后,结构都要进行表征 一种手段很难确定一个未知物的结构,元素分析、一种手段很难确定一个未知物的结构,元素分析、UV、MS、NMR、IR都要一齐使用都要一齐使用 氢谱有偶合裂分造成信号峰的畸变,使峰的位置及裂距不能直氢谱有偶合裂分造成信号峰的畸变,使峰的位置及裂距不能直接代表有关质子的化学位移(接代表有关质子的化学位移()及偶合常数()及偶合常数(J),造成解析的困),造成
15、解析的困难,讨论识谱的一般规律及简单图谱的解析法难,讨论识谱的一般规律及简单图谱的解析法5.6 氢谱的解析氢谱的解析39一、几种常见的自旋系统一、几种常见的自旋系统1二旋系统:根据二旋系统:根据/J值差别区分值差别区分A2、AX及及AB系统三种:系统三种:当当/J20一级图谱,一级图谱,AX系统为双双峰系统为双双峰(dd)当当/J=0两质子为全同核,属两质子为全同核,属A2系统单峰系统单峰(s)其余其余/J:1.05.0为为AB系统二级图谱系统二级图谱4041(1)A2系统最简单最易解析系统最简单最易解析(2)AX系统:一级图谱可用系统:一级图谱可用n+1规律容易解析但较少规律容易解析但较少(
16、3)AB系统:系统:i)与)与AX系统一样有四峰,系统一样有四峰,A,B各占二条各占二条ii)每两峰间距离为)每两峰间距离为JAB,但两峰强度不等,外侧峰低,但两峰强度不等,外侧峰低,内侧峰高,内侧峰高A,B不能由图谱读出(不在两峰之中,而不能由图谱读出(不在两峰之中,而在重心上)在重心上)可据四峰位置计算化学位移可据四峰位置计算化学位移A及及B,以及强弱峰强度,以及强弱峰强度之比之比JAB可直接另取可直接另取JAB=21=43iii)峰裂分强度之比)峰裂分强度之比41323421ABABJDJDIIII42经验规律:经验规律:D,JAB及及AB存在如下关系式:存在如下关系式:D2=JAB2+
17、AB2 2+31=4OHaHbO43AB系统v常见于烯碳上的氢,苯环邻位上氢,间位上的氢和-O-CH2-O-上两个氢。OHaHbO环内烯碳上的氢HHHHHHHHHH442三旋系统(three spin system)A3,AX2,AMX;ABC,ABX及AB2六种其中A3,AX2,及AMX为近似一级图谱,可按n+1规律处理(1)AMX系统氧化苯乙烯:三元环上的三个质子为氧化苯乙烯:三元环上的三个质子为AMX自旋系统,自旋系统,HA,HM,HX三个质子互相偶合,三个质子互相偶合,J不等,共振信号各为一组四不等,共振信号各为一组四重峰重峰。三个质子的三个质子的值各为各组裂分峰的中点值各为各组裂分峰
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