核磁共振波谱法详细解析课件.ppt
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1、核磁共振波谱法 ( NMR ),核磁共振波谱法,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。,一、核磁共振和核磁共振波谱法 概 述在外磁场的作用下,,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,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,UV-Vis 200-760nm 紫外可见光 价电子跃迁IR 2.5-25m 红
2、外线 振动转动能级跃迁 NMR 0.6-30m 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-Vis 200-760nm 紫外可见光,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:,UV、IR测定A(T)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,三、核磁共振波谱法的应用 概
3、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,质子类型(-CH3, -CH2,CH,Ar-H)和所处的,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.自旋分类一 、原子核的自旋,第一节 基本原理,1.自旋分类 自旋量子数I, 偶数
4、 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: ,第一节 基本原理 1.自旋分类 偶数 偶数,I0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( ),I0核,自旋产生核磁矩 ,核磁矩的方向服从右手法则,其大,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( ),磁矩方向:右手螺旋法则 为磁旋比,是原子核的特征常数。2.,(一) 核自旋能级分裂,在无外加磁场时,自旋核
5、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,(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,氢核磁矩的取向,例:I=1/2时,,即:,氢核磁矩的取向顺磁场 低能量 逆磁场 高能量例:I=1/,例:I=1时,,I=1 氢核磁矩的取向,个取向,,例:I=1时, I=1 氢核磁矩的取向个取向, m = 1,,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
6、的能量与z和外磁场强度H0有关:,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,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。,在外加磁场中,自旋核发能级分裂,能级差和H0成正比0H0H,(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, , ,(二)原子核的共振吸收z0自旋轴回旋轴原子核的进动陀,共振吸收与弛豫,共振吸收与弛豫,m=1, 跃迁只能发生在两个相邻能级间,m=1
7、, 跃迁只能发生在两个相邻能级间m=+1m=,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:,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,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,
8、三、自旋驰豫,低能态核数n+仅比高能态核数n-多十万分之一自旋晶格驰豫,*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。,*2. 共振吸收条件0 即照射的无线电波的频率必须等于,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
9、同,推测H周围的化学环境,第三节 化学位移一、屏蔽效应 H0=1.4092T, ,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,H0感应磁场方向核绕核电子在外加磁场屏蔽效应:由于感应磁场的,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,H=(1-)H0 屏蔽常数,,(高频),(低频),左端为低场高频
10、,右端为高场低频,(低场),(高场),10 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0ppm (),C6H560000438Hz,例:C6H5CH2CH3,CH260000216Hz,CH360000126Hz,TMS60MHz,H0=1.4092T,0 固定,(高频)(低频)左端为低场高频,右端为高场低频(低场)(高场,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,1. 定义:由于屏蔽效应的存在,不同化学环境 H核共
11、振频,例: CH3Br, 标准物:四甲基硅烷TMS H0=1.4092T, CH3=60MHz+162Hz, TMS=60MHz,二、化学位移,例: CH3Br, 标准物:四甲基硅烷TMS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, H0=2.3487T, CH3=100MHz+,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、
12、化学位移,3. 常用标准物:TMS (CH3)4Si二、化学位,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,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,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)。,电负性,吸电子能力 ,H核电子云密度,(去磁屏蔽效,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
13、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,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,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,C=O+双键上下方形成正屏蔽区,2)双键(C=O及C=C),3)叁键(CC ),H-CC-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)叁键(CC )H-CC-
14、RH0+键轴方向上下:,3)芳环体系,3)芳环体系,酸类 R-COOH 10 12酚类 ArOH 4 7酰胺 RCONH2 5 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,酸类 R-COOH 10 12变动的化学位移 3.,四、几类质子的化学位移,四、几类质子的化学位移,芳氢78烯氢56炔烃23烷烃01 次甲基1.55;亚甲基1.20;甲基0.87 -COOH 1112 -RCHO 910 ArOH 45 ROH 0.55 RNH2 0.55,四、几类质子的化学位移,芳氢78烯
15、氢56炔烃23烷烃01四、几,-OCH3 3.34.0; -OCH2- 4.04.3; -CO-CH3 1.92.6; -CO-CH2 2.02.4; COCH2CO3.6 ArCH3 2.32.5; ArCH2 2.53.1;,-OCH3 3.34.0; -OCH2- 4.0,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,第四节 偶合常数乙苯NMR谱 8.0 7,1.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
16、合和自旋分裂,1.自旋自旋偶合:一、自旋偶合和自旋分裂,3自旋分裂的产生,XY,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。,3自旋分裂的产生 XY 无 HB 存在,,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。,X 型分子HB 的核磁矩与外磁场 H0 方向相同,使 HA,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。,Y 型分子 HB 的核磁矩与外磁场
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