三二节H核磁谱课件.pptx
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- 三二节 核磁谱 课件
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1、3.2 氢核磁共振波谱氢核磁共振波谱3.2.1 核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移nuclear magnetic resonance and chemical shift3.2.2 影响化学位移的因素影响化学位移的因素factors influenced chemical shift3.2.3 耦合常数耦合常数spin coupling and spin splitting3.2.4 谱图解析analysis of spectrograph2/1/2023NMR的主要直接信息 化学位移()耦合常数(J)信号强度(I)2/1/20233.2.1 化学位移化学位移chemical shift1
2、.1.屏蔽作用(屏蔽作用(shielding effectshielding effect)理想化的、裸露的理想化的、裸露的氢核;满足共振条件:氢核;满足共振条件:0=H0/(2 )产生单一的吸收峰;产生单一的吸收峰;但是,电子云的绕核运但是,电子云的绕核运动产生感应磁场,与外动产生感应磁场,与外磁场方向相反,屏蔽掉磁场方向相反,屏蔽掉部分外磁场。部分外磁场。2/1/2023实际实际作用在原子核的外磁场为:作用在原子核的外磁场为:H=(1-)H0 :屏蔽常数。屏蔽常数。越大,屏蔽效应越大。越大,屏蔽效应越大。实际实际吸收频率为:吸收频率为:=/(2 )(1-)H0由于电子云的屏蔽,使原子核的共
3、振吸收由于电子云的屏蔽,使原子核的共振吸收频率变小频率变小换言之,若想在换言之,若想在 0处处获得共振吸收,需更强的获得共振吸收,需更强的外磁场以抵消电子的屏蔽作用,外磁场以抵消电子的屏蔽作用,(相对于裸露相对于裸露的氢核的氢核)外磁场变大外磁场变大。屏蔽作用的大小与核外电子云密度有关。屏蔽作用的大小与核外电子云密度有关。2/1/2023 2.化学位移化学位移:chemical shift 在有机化合物中,各种氢核周围的化学环境不同,电在有机化合物中,各种氢核周围的化学环境不同,电子云密度不同,屏蔽效应不同,共振频率有差异,即引起共子云密度不同,屏蔽效应不同,共振频率有差异,即引起共振吸收峰的
4、位移,这种现象称为振吸收峰的位移,这种现象称为化学位移化学位移。由于化学位移的大小用与氢核所处的化学环境密切相关,因此可用来判断H 的化学环境,从而推断有机化合物的分子结构。2/1/20233.3.化学位移的表示方法化学位移的表示方法(1)(1)位移的标准位移的标准没有完全裸露的氢核,没没有完全裸露的氢核,没有绝对的标准。有绝对的标准。相对标准相对标准:四甲基硅烷(:四甲基硅烷(TMS)Si(CH3)4 (内标内标)规定:它的化学位移规定:它的化学位移 TMS=0(2)为什么用为什么用TMS作为基准作为基准?a.12个氢处于完全相同的化学环境,只产生一个尖峰;个氢处于完全相同的化学环境,只产生
5、一个尖峰;b.屏蔽强烈,位移最大。与有机化合物中的质子峰不屏蔽强烈,位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭;重迭;c.化学惰性;易溶于有机溶剂;化学惰性;易溶于有机溶剂;d.沸点低,易回收。沸点低,易回收。2/1/2023 样品样品 TMS=/(2 )(TMS-样品样品)H0 =/(2 )(1-)H0(3)化学位移的大小)化学位移的大小 相对TMS,不同化学环境的氢核的共振吸收的移动距离:电子的屏蔽产生的磁场极小,因此对吸收频率的改变也是非常小的,所以用相对位移定义化学位化学位移移 ,单位是ppm可以发现,可以发现,与氢核的屏与氢核的屏蔽常数、蔽常数、外外磁场强度成正比磁场强度成正比2/1/2
6、023 =(样样-TMS)/工作频率工作频率 106 (ppm)=(HTMS-H样样)/H工作磁场工作磁场 106 (ppm)两种表示方法:/(2 )(TMS-样品样品)H0代入上式可可以发现:以发现:(1)与与不同,不同,与外磁场强度无关,仅与与外磁场强度无关,仅与氢核的化学环境(氢核的化学环境()相关。)相关。因此,对同一核,因此,对同一核,不同工作频率的核磁共振谱仪测定的化学位移不同工作频率的核磁共振谱仪测定的化学位移结果相同。结果相同。化学位移化学位移 大小的定义:大小的定义:单位是ppm讨论:讨论:2/1/2023(2)屏蔽强,共振需要的磁场强度大,在高场出现,屏蔽强,共振需要的磁场
7、强度大,在高场出现,靠近靠近TMS,小:小:屏蔽弱,共振需要的磁场强度小,在屏蔽弱,共振需要的磁场强度小,在低场出现,远离低场出现,远离TMS,大。大。2/1/2023例题,例题,若用若用60 MHz60 MHz的核磁共振仪测量,某质子的吸的核磁共振仪测量,某质子的吸收峰与收峰与TMSTMS峰相隔峰相隔134Hz134Hz。计算该质子的化学位移值。计算该质子的化学位移值是多少?是多少?解:解:=134Hz/60MHz 106 =2.23 (ppm)改用改用100 MHz100 MHz的的NMRNMR仪进行测量,质子吸收峰与仪进行测量,质子吸收峰与TMS TMS 峰相隔的距离峰相隔的距离?即为相
8、对于即为相对于TMSTMS的化学位移值的化学位移值 =2.23 100=223Hz2/1/20233.2.2 影响化学位移的因素影响化学位移的因素 factors influenced chemical shift1.1.取代基的电负性取代基的电负性 2.2.磁各向异性(电环流效应)磁各向异性(电环流效应)3.3.氢键氢键4.质子交换对化学位移的影响质子交换对化学位移的影响5.5.其他影响因素其他影响因素屏蔽效应,去屏蔽效应屏蔽效应,去屏蔽效应2/1/20231 1取代基的电负性取代基的电负性诱导效应诱导效应 与质子相连元素的电负性越强,吸电子作用越强,价电子偏离质子,屏蔽作用减弱,信号峰在低
9、场出现,越大。例如:碘乙烷 CH3,=1.62.0,高场;高场;CH2I,=3.0 3.5,低场低场-去屏蔽效应去屏蔽效应甲醇甲醇 -O-H,-CH3,大大 小小 低场低场 高场高场2/1/2023电负性对电负性对化学位移的影响化学位移的影响H3C ClH2C ClHC ClClClCl3.055.337.24CH3CH3CH3CH3FClBrI4.263.052.682.60H3C Br2.68H3CH2CCH3(CH2)2CH3(CH2)3BrBrBr1.651.040.902/1/20232.磁各向异性效应(电子环流效应)磁各向异性效应(电子环流效应)价电子产生诱导磁价电子产生诱导磁场,
10、质子位于其磁力场,质子位于其磁力线上,与外磁场方向线上,与外磁场方向一致,去屏蔽。一致,去屏蔽。(1)双键)双键2/1/2023(2)叁键)叁键 价电子以圆柱形环绕叁键运行,产生诱导磁价电子以圆柱形环绕叁键运行,产生诱导磁场,分子轴向磁场与外磁场方向相反,产生屏场,分子轴向磁场与外磁场方向相反,产生屏蔽效应。蔽效应。2/1/2023(3)苯环)苯环 苯环上的苯环上的6个个 电子产生较强的诱电子产生较强的诱导磁场,质子位于导磁场,质子位于其磁力线上,与外其磁力线上,与外磁场方向一致,去磁场方向一致,去屏蔽。屏蔽。2/1/20232/1/20233.3.氢键效应氢键效应p 形成氢键后形成氢键后1H
11、核屏蔽作用减少,氢键产生去屏蔽核屏蔽作用减少,氢键产生去屏蔽效应,使吸收峰向低场移动,化学位移增大。效应,使吸收峰向低场移动,化学位移增大。p由于溶液的浓度、溶剂的选择对氢键形成的影响由于溶液的浓度、溶剂的选择对氢键形成的影响,活泼氢的吸收峰位置有较大范围的波动。,活泼氢的吸收峰位置有较大范围的波动。p 如醇羟基的活泼氢。如醇羟基的活泼氢。2/1/20234.4.质子交换对化学位移的影响质子交换对化学位移的影响(1)可交换氢(活泼氢)可交换氢(活泼氢)活泼氢可与同类分子或与溶剂分子的氢进行交换:与与N、O、S 等相连的等相连的 H,交换速度:,交换速度:OH NH SHROH(a)+ROH(b
12、)=ROH(b)+ROH(a)ROH(a)+HOH(b)=ROH(b)+HOH(a)(2)可交换氢的化学位移范围较宽,峰位不固定,易干)可交换氢的化学位移范围较宽,峰位不固定,易干 -扰其它质子的测定,故常用重水将其交换掉。扰其它质子的测定,故常用重水将其交换掉。ROH+DOD=ROD+HOD只在只在 4.7ppm 出现出现HOD的质子峰的质子峰利用重水也能确定活泼氢的位置。利用重水也能确定活泼氢的位置。2/1/20235.其他影响因素其他影响因素 溶剂、共扼效应等溶剂、共扼效应等2/1/20233.2.3耦合常数耦合常数1、自旋偶合与自旋裂分、自旋偶合与自旋裂分spin coupling a
13、nd spin splitting2、耦合规律、耦合规律Coupling theory3.耦合常数(耦合常数(J)spin coupling constant2/1/20231、自旋偶合与自旋裂分、自旋偶合与自旋裂分 spin coupling and spin splitting 每类氢核不总表现为每类氢核不总表现为单峰,有时多重峰。单峰,有时多重峰。峰的裂分原因峰的裂分原因:相邻两个氢核之间的自旋偶合自旋偶合;由自旋偶合所引起的谱由自旋偶合所引起的谱线增多的现象称为自旋线增多的现象称为自旋裂分。裂分。2/1/2023自旋耦合:自旋耦合:p 临近原子核自旋角动量之间相互影响,这种自旋临近原子
14、核自旋角动量之间相互影响,这种自旋角动量的相互作用造成角动量的相互作用造成NMR谱图中的信号峰发生裂谱图中的信号峰发生裂分。称之为分。称之为自旋耦合自旋耦合。p偶合常数(偶合常数(J):裂分峰的峰间距,用来衡量偶合:裂分峰的峰间距,用来衡量偶合作用的大小。作用的大小。p耦合作用一般在耦合作用一般在3个键之内发生。随着相邻距离增个键之内发生。随着相邻距离增大而减小。大而减小。2/1/2023例J AB相邻碳上氢核耦合示意图相邻碳上氢核耦合示意图2/1/2023概念:化学等价与磁等价概念:化学等价与磁等价 chemical equivalentand and magnetically equiva
15、lent化学等价(化学位移等价)化学等价(化学位移等价)若分子中两个相同原子(或两个相同基团)处于相同的若分子中两个相同原子(或两个相同基团)处于相同的化学环境,其化学环境,其化学位移相同化学位移相同,它们是化学等价的。相反,化,它们是化学等价的。相反,化学位移不同的核称为化学不等价。学位移不同的核称为化学不等价。例如例如:CH3CH2X 中的中的CH3 的的3个个H,是化学等价的,是化学等价的,CH2中的中的2个个H,是化学等价的,是化学等价的,而甲基和亚甲基的而甲基和亚甲基的H是化学不等价核是化学不等价核 (2)CH3CH3(3)CH3CH2OCH2CH32/1/2023 分子中分子中相同
16、种类的核(或相同基团)相同种类的核(或相同基团),不仅,不仅化学位移相化学位移相同同,而且还以而且还以相同的偶合常数相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合,表与分子中其它的核相偶合,表现共同的偶合常数,这类核称为磁等价的核。现共同的偶合常数,这类核称为磁等价的核。例如:例如:CHHHCHHFFCH2C CHHHHHH三个三个H核核化学等价化学等价磁等价磁等价二个二个H核核化学等价,化学等价,磁等价磁等价六个六个H核核化学等价化学等价磁等价磁等价 磁等价磁等价2/1/2023两核(或基团)磁等价的条件两核(或基团)磁等价的条件首先必须是化学等价(化学位移相同)首先必须是化学等价(化学位移相同)必须
17、对组外任一个核具有相同的偶合常数(数值必须对组外任一个核具有相同的偶合常数(数值和键数)和键数)Ha,Hb化学等价,磁不等价。化学等价,磁不等价。J Ha FaJ Hb FaFa,Fb化学等价,磁不等同。化学等价,磁不等同。C CHaHbFaFbYH2H3H4H2H33J5JCOH3CNHHXYH2H3H2H3磁不等同例子磁不等同例子:2/1/20232.耦合规律耦合规律 n+1 规律规律对于一组的核,相邻碳原子上磁等价氢核对之耦合规律:对于一组的核,相邻碳原子上磁等价氢核对之耦合规律:峰裂分数:峰裂分数:n+1 规律规律;n为相邻碳原子上的质子数;为相邻碳原子上的质子数;峰强度系数符合二项式
18、(a+b)n的展开式系数;2/1/20232Hb3HbHaHb1Hb2Hb3HaHb1Hb2HaHb1HaHb相邻碳上氢核的耦合作用相邻碳上氢核的耦合作用2/1/2023峰裂分数与强度峰裂分数与强度C CH3HC CH HH1:11:3:3:11:11:2:12/1/2023峰裂分数与强度峰裂分数与强度CCHHHHHCCH3HCH31:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:12/1/20233.耦合常数(耦合常数(J)单位:单位:赫兹赫兹Hz,一般不超过,一般不超过20 Hz自旋自旋耦合,可反映相邻核的特征,可提供化合物分子内相接和立体化学的信息 nJHX表达方式:耦合原子相
19、隔键数耦合常数J J 的大小表示偶合作用的强弱,它是化合物的大小表示偶合作用的强弱,它是化合物结构的属性,不随外磁场的变化而变化。结构的属性,不随外磁场的变化而变化。2/1/2023 (1).同碳偶合同碳偶合 指间隔指间隔2个单键的质子之间的偶合,即连在同个单键的质子之间的偶合,即连在同一个碳上的一个碳上的2个质子之间的偶合。用个质子之间的偶合。用 2J 表示表示CHHC=CHHJ=12 15J=0 32/1/2023(2).邻碳偶合邻碳偶合 指间隔指间隔3个单键的质子之间的偶合,即相邻个单键的质子之间的偶合,即相邻2个碳上的质子之间的偶合。用个碳上的质子之间的偶合。用 3J 表示表示例如,例
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