核磁共振波谱法详细解析.ppt

核磁共振波谱法 NMR 一 核磁共振和核磁共振波谱法1 核磁共振 NMR 概述 在外磁场的作用下 具有磁矩的原子核存在着不同能级 当用一定频率的射频照射分子时 可引起原子核自旋能级的跃迁 即产生核磁共振 2 核磁共振波谱 以核磁共振信号强度对照射频率 磁场强度 作图 所得图谱 3 核磁共振波谱法 利用核磁共振波谱对物质进行结构测定 定性和定量分析的方法 概述 UV Vis200 760nm紫外可见光价电子跃迁IR2 5 25 m红外线振动 转动能级跃迁NMR0 6 30m无线电波原子核自旋能级跃迁 概述 二 NMR与UV IR的区别 1 照射的电磁辐射频率不同 引起的跃迁类型不同 UV IR 测定A T NMR 共振吸收法共振吸收法 利用原子核在磁场中 核自旋能级跃迁时核磁矩方向改变产生感应电流来得到NMR信号 2 测定方法不同 三 核磁共振波谱法的应用1 测定有机物结构 化学及立体结构 构型 构像 互变异构 2 医学 核磁共振成像技术 医疗诊断 3 生化 生物大分子 酶结构测定 概述 质子类型 CH3 CH2 CH Ar H 和所处的化学环境 H分布情况 核间的关系 缺点 不含H基团无NMR信号 化学环境相近的烷烃 难区别 四 1H NMR和13C NMR给出的结构信息 1H NMR 13C NMR 丰富的C骨架信息 第一节基本原理 1 自旋分类 一 原子核的自旋 原子核 质子和中子组成的带正电荷的粒子 原子核自旋运动与自旋量子数I有关 I与原子核的质量数和电荷数 原子序数 有关 第一节基本原理 1 自旋分类自旋量子数I 偶数偶数I 0 奇数奇偶数I为半整数 1 2 3 2 偶数奇数I为整数 I 1 2 3 I 1 2的核 质量数电荷数自旋量子数 如 如 I 0核 自旋产生核磁矩 核磁矩的方向服从右手法则 其大小与自旋角动量成正比 原子核有自旋现象 因而有自旋角动量 2 核磁矩 磁矩方向 右手螺旋法则 为磁旋比 是原子核的特征常数 2 核磁矩 一 核自旋能级分裂 在无外加磁场时 自旋核磁矩的取向是任意的 若将原子核置于磁场中 核磁矩可有不同的排列 共有2I 1个取向 每一种取向用磁量子数m表示 则m I I 1 I 2 I 1 I 二 原子核的自旋能级和共振吸收 氢核磁矩的取向 例 I 1 2时 即 例 I 1时 I 1氢核磁矩的取向 个取向 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的 是量子化的 这种现象称为空间量子化 用 Z表示不同取向核磁矩在外磁场方向的投影 核磁矩的能量与 z和外磁场强度H0有关 在外加磁场中 自旋核发能级分裂 能级差和H0成正比 一 核自旋能级分裂 不同取向的核具有不同的能级 I 1 2 m 1 2的 z顺磁场 能量低 m 1 2的 z逆磁场 能量高 二 原子核的共振吸收 z 0 自旋轴 回旋轴 原子核的进动 陀螺的进动 原子核 1 进动 外加磁场H0 共振吸收与弛豫 m 1 跃迁只能发生在两个相邻能级间 三 自旋驰豫 驰豫历程 激发核通过非辐射途径损失能量而恢复至基态的过程 是维持连续NMR信号必不可少的过程 例 I 1 2核 T 300K H0 1 4092T Boltzmann分布 低能态核数n 仅比高能态核数n 多十万分之一当n n 时 NMR信号消失 饱和外磁场H0 温度 n n 对测定有利 自旋 晶格驰豫 处于高能态的核自旋体系将能量传递给周围环境 晶格或溶剂 自己回到低能态的过程 自旋 自旋驰豫 处于高能态的核自旋体系将能量传递给邻近低能态同类磁性核的过程 三 自旋驰豫 2 共振吸收条件 0 即照射的无线电波的频率必须等于核进动频率 才能发生核自旋能级跃迁 例 氢 1H 核 H0 1 4092T 60MHz 吸收 0 60MHz无线电波 核磁矩由顺磁场 m 1 2 跃迁至逆磁场 m 1 2 共振吸收 实现核磁共振就是改变照射频率或磁场强度 第三节化学位移 一 屏蔽效应 H0 1 4092T 60MHz 实验发现 由于H核周围的化学环境不同 H核发生共振吸收时 共振频率微小的差异 NMR通过微小的差异 化学位移不同 推测H周围的化学环境 H0 感应磁场方向 核 绕核电子在外加磁场的诱导下产生与外加磁场方向相反的感应磁场 次级磁场 抗磁场 屏蔽效应 由于感应磁场的存在 使原子核实受磁场强度稍有降低 一 屏蔽效应 H 1 H0 屏蔽常数 与被研究核的核外电子云密度有关电子云密度 屏蔽效应 扫频 H0一定 的核 低频端 右端 扫场 一定 的核 需H0较大才能共振 共振峰出现在高场 右端 一 屏蔽效应 高频 低频 左端为低场高频 右端为高场低频 低场 高场 109 08 07 06 05 04 03 02 01 00ppm C6H560000438Hz 例 C6H5CH2CH3 CH260000216Hz CH360000126Hz TMS60MHz H0 1 4092T 0固定 1 定义 由于屏蔽效应的存在 不同化学环境H核共振频率不同2 表示方法采用相对值的原因 绝对值不易测得 对于同一核 H0不同时 不同 不便于比较 采用相对值 与H0无关 二 化学位移 例 CH3Br 标准物 四甲基硅烷TMS H0 1 4092T CH3 60MHz 162Hz TMS 60MHz 二 化学位移 H0 2 3487T CH3 100MHz 270Hz TMS 100MHz 横座标用 表示 TMS的 0 最右端 向左增大 二 化学位移 3 常用标准物 TMS CH3 4Si 12个H化学环境相同 单峰 最大 屏蔽大 0 出现在最低频端 不与其他化合物发生反应 易溶于有机溶剂 沸点低4 H谱常用溶剂 D2O CDCl3 二 化学位移 内部因素 分子结构因素 局部屏蔽效应 磁各向异性效应和杂化效应等外部因素 分子间氢键和溶剂效应等 三 化学位移的影响因素 电负性 吸电子能力 H核电子云密度 去磁屏蔽效应 三 化学位移的影响因素 1 局部屏蔽效应 氢核核外成键电子云产生的抗磁屏蔽效应 相邻基团的电负性影响 正屏蔽区 次级磁场磁力线与外加磁场方向相反 实受H降低 屏蔽效应 右移 负 去屏蔽区 次级磁场磁力线与外加磁场方向相同 实受H增强 屏蔽效应 左移 2 磁各向异性 键产生的感应磁场 其强度及正负具有方向性 分子中H所处的空间位置不同 屏蔽作用不同的现象 C O 双键上下方形成正屏蔽区 平面上产生负屏蔽区 醛H 低场 乙醛 9 69 烯H 去屏蔽效应 5 25 2 双键 C O及C C H0 3 叁键 C C H C C R H0 键轴方向上下 正屏蔽区与键轴垂直方向 负屏蔽区乙炔氢 2 88 正屏蔽区乙烯氢 5 25 负屏蔽区 3 芳环体系 酸类R COOH10 12酚类ArOH4 7酰胺RCONH25 8醇 伯胺0 5 5 变动的化学位移 3 H键影响 核外电子云密度 OH在无H键时 0 5 1浓溶液 H键时 4 5 氢键形成与温度 浓度及溶剂极性有关 四 几类质子的化学位移 芳氢7 8 烯氢5 6 炔烃2 3 烷烃0 1 次甲基1 55 亚甲基1 20 甲基0 87 COOH11 12 RCHO9 10 ArOH4 5 ROH0 5 5 RNH20 5 5 四 几类质子的化学位移 OCH33 3 4 0 OCH2 4 0 4 3 CO CH31 9 2 6 CO CH22 0 2 4 CO CH2 CO3 6ArCH32 3 2 5 ArCH22 5 3 1 第四节偶合常数 乙苯NMR谱 一 自旋偶合与自旋分裂 屏蔽效应对NMR的峰位有重要影响各核的核磁矩间的相互作用将影响峰形 1 自旋 自旋偶合 核自旋产生的核磁矩间的相互干扰2 自旋 自旋分裂 由自旋偶合引起的共振峰裂分的现象偶合是分裂的原因 分裂是偶合的结果 一 自旋偶合和自旋分裂 3 自旋分裂的产生 X Y 无HB存在 HA共振峰为单峰 有HB存在 HB核磁距空间有两种取向 一种是顺磁场 一种是逆磁场 所以HB对HA构成了不同的局部磁场而产生2种干扰 X型分子 HB的核磁矩与外磁场H0方向相同 使HA实受磁场强度 去屏蔽效应 峰左移 Y型分子 HB的核磁矩与外磁场H0方向相反 使HA实受磁场强度 屏蔽效应 峰右移 在溶液中X型与Y型分子数目几乎相等 外磁场的作用几率相同 因此峰裂分的强度相同 同理 HB受HA的干扰 而使HB裂分为两个高度相等的峰 3 自旋分裂的产生 碘乙烷 CH3受 CH2 2个H的干扰裂分为三重峰 简单偶合时 峰裂距称为偶合常数 J Jab表示a与b核偶合常数 分裂二次形成三重峰 峰高 强度 比为1 2 1 重峰 1 2 1 峰分裂图 峰高比1 3 3 1 碘乙烷中 CH2四重峰分裂机制 在H H偶合中 峰分裂是由于邻近C原子上H核磁矩存在 轻微改变了被偶合核的屏蔽效应 发生了峰裂分 核间偶合作用通过成键电子传递 并非所有的原子核对相邻氢核都有自旋偶合干扰作用 35Cl 79Br 127I等 峰分裂的原因 4 自旋分裂的规律 n 1规律 某基团的氢与n个相邻氢偶合时 将被分裂为n 1重峰 而与该基团本身的氢数无关 此规律称为n 1律 按n 1律分裂的图谱为一级图谱 服从n 1律的一级图谱多重峰峰高比为二项式展开式的系数比 Pascal三角形 4 自旋分裂的规律 n 1规律 多重峰的位置以 为中心左右对称且各裂分峰间距相等 4 自旋分裂的规律 n 1规律 eg CH2DI一氘碘甲烷 1 2 12 2 1 2 1 1 1 12 1 1 1 若I 1 2时 峰裂分规律为 2nI 1 广义n 1律 n 1律只适用于I 1 2 简单偶合及J相等的情况 核间弱偶合 且偶合常数相等 峰裂分数为 n n 1重峰 服从n 1 Jac Jbc 3 2 1 6重峰 若某基团H与n n 个H相邻 发生简单偶合 1 5 10 10 5 1 核间弱偶合 偶合常数不等 峰裂分数为 n 1 n 1 个子峰 Jab Jbc Jac 每个氢得双二重峰1 1 1 1双二重峰不是一般的四重峰 1 3 3 1 醋酸乙烯酯 醋酸乙烯酯三个氢的自旋分裂图 1 定义 核间发生偶合 峰裂分的距离 J的大小反应偶合核间偶合的强弱 与外加磁场场强大小无关 二 偶合常数 J 表示方法 n表示偶合核间键数S表示结构关系 顺 反式 邻 间 对 C表示互相偶合核 偕偶 2J 同碳偶合H C H 烷烃 不裂分 单峰 烯烃2J 0 5Hz 邻偶 3J H C C H偶合为邻偶3J 6 8Hz 1 偶合核相隔键数键数 J 2 影响偶合常数的因素 远程偶合 相隔四个或四个以上键的偶合 J很小 Jm 1 4Hz Jp 0 2Hz 2 影响偶合常数的因素 苯环 第五节核磁共振氢谱的解析 一 峰面积和氢核数目的关系 在1H NMR谱上 各吸收峰覆盖的面积与引起该吸收的氢核数目成正比 峰面积常以积分曲线高度表示 每一相邻水平台阶高度则取决于引起该吸收的氢核数目 二 核磁共振氢谱的解析方法 一 送样要求 纯度 98 样品量 几毫克 二 解析顺序 计算不饱和度 根据积分高度计算H分布 例1 分子式C4H7BrO2 三 解析示例 a1 78 d b2 95 d c4 43 sex 及 d10 70 s 测量各峰的积分高度 a为1 6cm b为1 0cm c为0 5cm d为0 6cm Jac 6 8Hz Jbc 6 7Hz a峰H数 2 0 1 6 1 0 5 0 6 7 3Hb峰H数2Hc峰H数1Hd峰H数1H根据 d 10 7 s 认定为 COOH峰a为1 6 0 6 3Hb为1 0 0 6 2Hc为1H 解 1 U 2 2 4 8 2 1 含一个双键 2 氢分布a b c d 1 6 1 0 5 0 6 d 10 7 1H 单峰 COOH a 1 78 3H 双峰 CH CH3 b 2 95 2H 双峰 CH2 CH c4 43 1H 六重峰 1 5 10 10 5 1 说明与5个H相邻 又 Jac Jbc A2MX3自旋系统 3 峰归属 4 该化合物结构为 或 a 1 22 d b 2 80 sep c 3 44 s d 6 60 m 多重峰 及 e 7 03 m a b c d e 8 06 04 02 00ppm 例2 分子式C9H13N 可能有苯环 2 氢分布 a 6H 1 8cm b 1H 0 3cm c 2H 0 6cm d 2H 0 6cm e 2H 0 6cm 解 3 推断 a 1 22 二重峰 6个H 可能为 b 2 80 七重峰 1个H 可能为 c 2 80 2H 单峰 C峰为NH2峰 d 6 60 2H e 7 03 2H 4 可能结构为 5 核对 不饱和度吻合 查对Sadtler标准图谱NMR波谱 证明结论合理 本章重点 饱和与驰豫屏蔽效应磁各项异性效应化学位移化学等价核磁等价核偶合常数自旋偶合与自旋分裂 1 名词解释 3 Larmor方程 进动 4 自旋系统命名 5 n 1律 6 NMR吸收条件 7 1H NMR光谱解析 Thankyou 例 一化合物的摩尔质量为122 分子式为C8H10O 试根据核磁共振谱图推测其结构 解析 1 计算不饱和度 2 推测结构式 分裂峰质子数可能基团相邻基团1 2三重峰3CH3CH23 9四重峰2CH2CH36 5 7 2多重峰5 可能结构式为 a1 31 t b4 19 q c6 71 s Jab 7Hz a b c 解 U 8 1 12 2 3 脂肪族化合物 例3 分子式C8H12O4 氢分布a b c 3 2 1 a 1 31 6H t CH2CH3 b 4 19 4H q O CH2CH3 氢分布a b c 3 2 1总氢数为12H 则为6H 4H 2H 对称结构 峰归属 c 6 71 2H s 烯氢 因为是单峰 说明二个氢的化学环境完全相同 烯H5 28 6 71说明 X 说明含两个 COO 基团 联连方式 或 结论 有二种可能结构 顺式 反式 经查对Sadtler光谱 证明未知物为 反式丁烯二酸二乙酯 屏蔽效应 磁各向异性效应 驰豫历程 自旋偶合 自旋分裂 化学位移 偶合常数 化学等价核 磁等价核 本章小结 1 共振吸收条件 0 m 1 2 影响化学位移的因素 3 自旋分裂 一级图谱的裂分规律 2 基本理论 3 光谱解析 1 基本概念 复习 一 核磁共振 NMR 概述 二 NMR与UV IR的区别 1 照射的电磁辐射频率不同 引起的跃迁类型不同 2 测定方法不同 质子类型和所处的化学环境 H分布情况 核间的关系 三 1H NMR给出的结构信息 复习 第一节基本原理 一 原子核的自旋 1 自旋分类 自旋量子数I 2 核磁矩 I 0核 自旋产生核磁矩 3 自旋核在磁场中的行为 空间量子化 4 核自旋能级分裂 I 1 2核 复习 二 原子核的共振吸收 1 进动 2 共振吸收条件 0 m 1 跃迁只能发生在两个相邻能级间 复习 基态核数n 仅比激发态核数多十万分之