2-1HNMR-化学位移.ppt

4 2核磁共振氢谱 1HNMR 发展最早 研究得最多 应用最为广泛 质子的旋磁比 较大 天然丰度接近100 核磁共振测定的绝对灵敏度最大 1H是有机化合物中最常见的同位素 1HNMR谱是有机物结构解析中最有用的核磁共振谱之一 化学位移值 代表谱峰位置 化学环境积分曲线高度与相应的质子数目成正比 氢的数目谱峰呈现出的多重峰形 耦合作用 高场 低场 CH3CH2CONH2 4 2 11H的化学位移 1 影响化学位移的因素2 各类1H的化学位移 1 影响化学位移的因素 电子效应诱导效应化学位移随着相邻电负性基团的电负性的增大而增大 相邻电负性基团越多 吸电子诱导效应越大 屏蔽越弱 值也越大CH3ClCH2Cl2CHCl3 3 055 307 27吸电子作用是通过化学键传递的 相隔化学键越多 影响越小 CH3OHCH3CH2OHCH3CH2CH2OH CH33 391 180 93 CH2I 3 1 出现在低场 CH3 1 8 出现在高场 判断下列化合物中Ha Hb化学位移的大小 a b a b a b c c b d a 下面化合物中所标出的质子其1HNMR化学位移从低场到高场的顺序为 共轭效应 2 相连碳原子的杂化态影响 乙烷0 88 乙烯5 23 乙炔2 88 电负性 Csp Csp2 Csp3 3 磁的各向异性效应 化合物中非球形对称的电子云 如 电子系统 因电子的流动而产生诱导磁场 这个磁场是各向异性的 在不同区域 磁场方向不一致 与外磁场H0方向相同的区域 对其中的质子产生顺磁屏蔽作用 去屏蔽作用 发生低场位移 与外磁场方向相反的区域 对其中的质子产生抗磁屏蔽作用 屏蔽作用 发生高场位移 产生各向异性的常见基团 双建 三键 苯环 饱和三元环 双键的各向异性效应 电子产生诱导磁场 烯氢质子位于去屏蔽区 5 6 醛基上的氢除位于双键的负屏蔽区 还受相连氧原子强烈电负性的影响 使其共振峰移向更低场 9 0 10 0 解释下列化合物中Ha和Hb质子化学位移差异的原因 Hb位于C O的去屏蔽区 Ha位于C C的屏蔽区 苯环的各向异性效应 苯环上的6个 电子产生比烯氢更强的诱导磁场 在更低场 大于烯氢 约为6 0 9 0 18 轮烯有18个H12个环外H 受到强的去屏蔽作用 环外氢 8 96个环内H 受到高度的屏蔽作用 环内氢 1 8 叁键的各向异性效应 炔氢正好位于正屏蔽区 故共振峰出现在较高场 较小 小于烯氢 一般2 3 单键的各向异性效应 形成单键的sp3杂化轨道是非球形对称的 也有各向异性效应 但很弱 在沿着单键键轴方向是去屏蔽区 而键轴的四周为屏蔽区 电子环流引起的各向异性效应是通过空间传递 不是通过化学键传递 注 醛基H不仅位于去屏蔽区 而且受羰基的吸电子诱导作用 产生强烈去屏蔽 4 氢核交换 分子内交换反应当一个分子有两种或两种以上的结构 这些结构之间可互变 其转换速度不同时 会影响谱峰位置和形状 环己烷 89 测定 Ha与Hb显示两个峰常温下测定 显示一个峰 温度低于 89oC时 正己烷构象固定 2 3键和5 6键的作用使Ha处于屏蔽区 而Hb处于去屏蔽区 Hb Ha 0 5ppm a 沿环单键的互变 甲基环己烷 室温下以直立和平伏质子的形式存在 这些构象是不可重合的 低温下 一张谱图包含了这两种形式 类固醇这样的环己烷中 在室温下环是 冻结 的 每个CH2基团中的直立和平伏质子不是化学等价的 b 酮 烯醇互变 乙酰丙酮中 烯醇和酮式之间的互变异构非常缓慢 谱图中表现出两种形式的吸收峰 在加高温度下测定 转化速率升高 可以得到单一的平均化了的谱图 c 围绕部分双键 受阻旋转 的互变 DMF 活泼氢的快速交换反应分子中的 OH NH2 SH和 COOH等活泼氢可在分子间进行快速交换 因此 酸性氢核的化学位移是不稳定的 与交换快慢 交换是否进行有关 交换速率 OH NH SH 5 氢键的影响 两个电负性基团与氢相连 产生吸电子诱导作用 共振发生在低场 分子间氢键 与样品浓度 测定温度以及溶剂等有关 因此相应质子 不固定 醇羟基和脂肪胺基 0 5 5 酚羟基 4 7 分子内氢键 强度与分子结构有关 温度升高 不利于氢键形成 质子化学位移向高场移动 NMR是研究氢键的一种有力的工具 乙醇的羟基随浓度增加 分子间氢键增强 化学位移增大 6 范德华效应当两个质子在空间结构上非常靠近时 电子云就会互相排斥 从而使这些质子周围的电子云密度减少 屏蔽作用下降 共振信号向低场移动 这种效应称为范德华效应 这种效应与相互影响的两个原子之间的距离密切相关 由于溶质分子受到不同溶剂影响而引起的化学位移变化称为溶剂效应 例如 在氘代氯仿溶剂中 2 88 2 97 逐步加入各向异性溶剂苯 和 甲基的化学位移逐渐靠近 然后交换位置 7 溶剂效应 溶剂效应的产生是由于溶剂的磁各向异性造成或者是由于不同溶剂极性不同 与溶质形成氢键的强弱不同引起的 由于存在溶剂效应 在查阅或报道核磁共振数据时应注意标明测试时所用的溶剂 如使用混合溶剂 还应说明两者的比例 其它氢核 炔氢 2 3烯氢 4 5 8芳氢 ArH 6 0 9 0醛氢 9 10羧基氢 COOH 10 12 4 2 2 各类1H的化学位移 1 2 相邻没有电负性基团的饱和碳上的氢 CCHn 烯烃或炔烃 H 2 4 5 相邻有电负性基团 如 C O O N S Cl Br等 的饱和碳上的氢 XCHn 苯环 H 活泼氢 单峰 化学位移不固定 如 OH 1 0 5 5 相邻有电负性基团的饱和碳上H的化学位移 苄基氢 烯丙位H 与卤素相连 与O 醇 醚 酯 相连 与C O 酮 酸 酯 醛 酰胺 相连 CHC O2 3 注 相邻有两个及两个以上电负性基团取代时 值会超过上述范围 注意 上述范围只是在相邻只有一个电负性基团的情况 若多个电负性基团存在或是多种因素影响时 化学位移可以发生较大的变化 例 羟基ROH1 5 5酚ArOH4 12烯醇C C OH15 19羧基RCOOH10 13氨基RNH21 5酰胺RCONH25 9 质子类型 值 活泼H的化学位移 a 醇中的质子 1 5 5 分子间氢键取决于浓度 温度和溶剂效应 非极性溶剂中浓度降低或升高温度 峰在较高场 醇分子表现为略微的 聚合 形式 分子内氢键不受溶剂和浓度影响 升高温度稍微向高场位移 交换快时呈单峰 中等交换速率时 多重峰合并成宽峰 交换慢时 呈现耦合裂分峰 乙醇中CH2质子裂分的 杆状 图 当结构中存在多个活泼氢 羧基 氨基 羟基等 由于相互之间交换速率快 只产生一个平均的活泼氢信号 不发生偶合裂分 b 水 水在不同溶剂中的化位移 若 大部分 水以滴状或薄膜状悬浮在氘代氯仿中时 4 7 c 酚 通常为尖峰 快速交换 不发生耦合 吸收峰一般位于低场 4 0 8 0 邻位有羰基存在时 由于分子内氢键使吸收峰移向低场 10 0 12 0 如邻羟基苯乙酮 12 05邻氯苯酚形成微弱的氢键 5 6 6 5 位移范围较宽 但较苯酚的窄 d 烯醇 乙酰丙酮 存在稳定的烯醇式 且室温下酮式和烯醇式交换缓慢 观察到两种形式的NMR特征 普通酮类化合物 烯醇含量极少 呈现酮的吸收峰 2 3 丁二酮在谱图上只观察到酮式结构 但如下所示环状 二酮只有稳定的烯醇式出现在NMR谱中 e 羧酸 弱极性溶剂中 羧酸通常以稳定的氢键二聚体形式存在 因此其质子吸收范围较窄 10 0 13 2 极性溶剂使二聚体部分断裂 吸收峰位移 羧酸质子与水或醇的质子交换很快而给出一个单峰 吸收峰的位置与浓度有关 巯基质子和烯醇质子并不与羧酸质子发生交换而观察到各自的吸收峰 f 氮原子上的质子 氮原子上质子的交换速率和14N核的电四极矩使谱图复杂 交换快速时 NH表现为尖锐单峰 相邻CH上质子不被NH裂分 大多数脂肪族胺属此种情况 0 5 3 0 中等交换速率时 NH部分去耦表现为一个宽峰 但相邻CH上质子不被NH裂分 如N 甲基对硝基苯胺 交换缓慢时 NH质子能 看到 以中等速度变化的14N核的三种自旋 表现为宽峰 相邻CH上质子被NH裂分 吡咯 吲哚 酰胺 胺甲酸酯属此种情况 5 0 8 5 在CDCl3中芳香族胺 3 0 5 0 铵盐中氮原子上的各质子交换速率很慢 6 0 8 5 相邻CH上质子被NH裂分 有时可观察到NH裂分为三个宽的驼峰 J 50Hz 由氮核引起的裂分 分辨率高时 可能观察到相邻CH质子的耦合引起的每个驼峰的裂分 J 7Hz 使用三氟乙酸作为溶剂 同时作为质子化试剂 可以将胺分类为伯胺 仲胺 叔胺 g 巯基质子 巯基质子交换缓慢 因而通常不与同一分子或另一分子中的羟基 羧基或烯醇质子发生快速交换 因而可以看到各自的吸收峰 因交换缓慢 常可观察到与邻碳质子的耦合作用 J 8Hz 巯基质子与氘的交换是足够快的 因而可以用重水交换而使其信号消除 硫醇SH 1 2 1 6 硫酚SH 2 8 3 6 可变 当结构中存在多个活泼氢 羧基 氨基 羟基等 若相互之间交换速率快 只产生一个平均的活泼氢信号 不发生偶合裂分 若交换慢 则表现为各自的