第14核磁共振.ppt
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1、核磁共振波谱法nuclear magnetic resonance,NMR,第一节 概述 第二节 基本原理 第三节 化学位移 第四节 自旋偶合 和自旋系统 第五节 解析方法 本章小结,核磁共振波谱法,最早美国两所大学1945年同时发现NMR哈佛的Purcell和Pound发现石腊质子有NMR现象斯坦福大学的Bloch和Honson发现H2O中质子有NMRPurcell和Bloch因此而获得诺贝尔奖。1953年第一台仪器商品化,当时仅30MHZ至今50多年中,这门学科共12位科学家获诺贝尔奖,第一节 概述,到目前为止,我们所学的光谱分析中除荧光分析外,均为吸收光谱,NMR亦是吸收光谱除原子吸收光
2、谱,均为分子吸收光谱,NMR亦是分子吸收光谱。,一.产生二.与Vis-UV,IR比较,一.产生:,上图五个部分:磁铁:提供稳定的高强度磁场 H扫场线圈:附加磁场,可调节 D接收线圈:产生感应电流 R照射线圈:与外磁场H0垂直,有60兆,90兆等 兆数越高,图谱越精密,易解释。注:三个线圈互相垂直,互不干扰。,NMR谱获得方法有两种:扫场:固定照射频率,依次改变磁场强度H0 常用 扫频:固定磁场强度H0,依次改变照射频率0,二.与Vis-UV,IR比较:,都属于分子吸收光谱,共振吸收:利用原子核在磁场中能级跃迁时,核磁距方向改 变而产生的感应电流来测定核磁共振信号,例:CH3CH2OH 紫外几乎
3、无吸收(仅末端吸收),无 骨架 红外有OH NMR:OH,CH2,CH3 三种类型H,1H提供三个信息:分子中处于不同环境的氢的数目。(氢分布)分子中各个H的化学环境.(质子类型)每个H相邻基团的结构(亦可归入2)核间 关系 13C提供碳的骨架信息。教学大纲要求仅学习氢谱。愈深究者,请选修有机分析。,NMR分类:有1H,13C谱。特点:灵敏度高,不损坏样品。,应用:1、有机物结构分析(结构式、构型构象、互变异构),2、定量分析(抗菌素的含量测定),3、疾病检测(成像),一、原子核的自旋与磁矩二、核磁共振三、核磁共振条件四、能级分布与弛豫历程,第二节 基本原理,一.原子核的自旋与磁矩(无机已学过
4、),有自旋现象核的自旋特征用自旋量子数I表示。若I0,有自旋现象,产生磁矩。原子序数偶数 自旋量子数I=0质量数偶数 原子序数奇数 自旋量子数I=1 原子序数奇数质量数奇数 自旋量子数为半整数 原子序数偶数 I=1/2的核只有两个能级 用于结构分析,1、自旋分类,讨论:,12C、16O等I=0,无自旋现象,磁矩为零,无NMR信号。1H、13C、19F等I0其中,I=1/2是主要讨论象。I0,自旋产生磁矩,其核磁矩用u表示。由右手法则可知磁矩的方向;而大小取决于自旋量子数和磁旋比。=I(I+1)h/2,由右手法则可知核磁矩的方向;其大小取决于自旋量子数和磁旋比0。,原子核置于外磁场H0中,核自旋
5、能级分裂,有2I+1种取向,每一个取向代表一个分裂的能级用磁量子数m表示每一种取向:mI,I1,I2,I1,I,2空间量子化能级分裂,m=1/2 与H0同向,顺 磁场,能量低 m=-1/2 与H0反向,逆 磁场,能量高,E=-m h/2 H0-分裂能级的能量E1=-1/2m h/2 H0E2=-(-1/2)m h/2 C=1/2m h/2 H0E=E2-E1=h/2 H0由上式可知:H0越大,E越大,NMR谱越清晰,二核磁共振,、进动,氢质子于外磁场H0中,两种取向不完全与外磁场平行,5424 和 125 36,产生进动。,进动:原子核在外磁场作用下,自旋轴绕回旋轴(磁场轴)旋转,Larmor
6、方程:进动频率:H0外磁场强磁旋比 核一定时:H0,增加 H0一定时:小,1H:=2.67519*108T-1S-1 C:=6.72615*107T-1S-1,能级的能量差:,三、核磁共振条件,在外磁场中,原子核能级产生裂分,由低能级向高能级跃迁,需要吸收能量。,产生共振需吸收的能量:E=h 0,即光照频率 0=进动频率 光=进,能级的能量差:,产生共振吸收条件:0=(光=进)m=+1 跃迁只能发生在两个相邻能级间。例:I=1/2 m=1/2 m=-1/2 基态 激发态 只有两个能级,跃迁简单。,当 H0=14902 高斯时,进=60MHz,吸收照=60MHz 若改变 H0=23500 高斯,
7、进=100MHz,则照=100 MHz m(1/2)m(-1/2),四、能级分布与弛豫过程,不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算:,若强射频照射,激发后的核不易回到基态,称吸收饱和现象,NMR信号消失,在T=27 C,H0=1.4092T时,n+/n-=1.0000099 NMR信号由仅多 的百万分之十的基态核净吸收而产生,驰豫:激发核通过非辐射途径损失能量而恢复 至基态的过程。而NMR中:,第三节化学位移,理想化、裸露氢核,满足共振条件:0=H0/(2)产生单一的吸收峰;实际上,氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下,运动着的电子产生与外磁场方向相反的感应磁场。这种
8、在外磁场中核外电子环流产生与外加磁场方向 相反感应磁场(次级磁场)对抗外磁场的作用,称 为局部抗磁屏蔽,是屏蔽效应之一。,1.化学位移的产生,磁性核受屏蔽效应的大小,由围绕它的电子云密度决定。(电子云密度大,屏蔽效应也大)分子中处于不同化学环境的同种磁性核(如化学键的类型、临近基团的诱导或共轭效应等不同),由于外围电子云分布情况各不相同,屏蔽效应不同,因此共振条件略有区别,这是化学位移产生的原因。可根据化学位移的不同,推断核所处的化学环境。电子对核的屏蔽效应与外磁场强度成正比:Hi=H0 屏蔽常数,由于感应磁场与外磁场方向相反,使原子核受磁场强度稍有降低核实受磁场强度H:H=(1-)H0 屏蔽
9、常数 Larmor方程为:由上式:固定H0,大的H核,小,照小才产生共振,峰移向低频 固定照,大的H核,H0较大才能产生共振,峰向高场移动。,2、局部抗磁屏蔽效应,NMR谱右端为高场低频;左端低场高频。化合物中化学环境不同的氢核,不同,不同例:CH3CH2OH 分子中三种不同类型氢,在三个不同位置上产生共振峰。因此拿到谱,一看有几组峰,就知分子含几种不同环境的氢。,注:,高频,低频,低场,高场,3化学位移的表示,由于屏蔽常数很小,不同化学环境氢核的化学位移差别很 小,不易测出其绝对值。IUPAC建议化学位移采用。即以某一标准物质的共振峰为原点,测出各峰与原点的距 离,这种相对距离叫做化学位移。
10、,单位ppm一般采用的标准物质为四甲基硅烷(TMS),(CH3)4SiTMS作为标准物质有以下优点:1、1H环境一样,为单峰 2、甲基屏蔽效应很强,信号在高场区(最右)3、化学惰性 4、沸点低,易回收,1)定义式:标准物TMS=0,TMS左边的峰为正值,右边的峰为负值 扫频(固定H0)扫场(固定照射频率0),优点:a.相对值计算准确方便。(类似于相对偏差计算)b不受H0影响。,例:标准物TMS 样品 CH3Br。1)H0=1.4092 T,CH3=60MHz+162Hz,TMS=60MHz 2)H0=2.3500 T,CH3=100MHz+270Hz,TMS=100MHz 不同H0的仪器,不同
11、,但化学位移一致。TMS=0。,注意:,从左到右:共振核增大,相应减小,高场低频出峰从右到左:共振核减小,相应增大,低场高频出峰,(2)常用标准物有机溶剂:四甲基硅烷(TMS)重水溶剂:4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠(DSS)(3)溶剂根据溶解度氢谱常用溶剂:氘代溶剂(贵,注意节约),三、影响化学位移的因素质子类型,1.相邻基团或原子的电负性去屏蔽效应,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,去屏蔽效应增大,信号峰在低场(高频)出现,值增加。,CH3X型化合物的化学位移,2.磁各向异性(远程屏蔽效应)质子在分子中所处的空间位置不同,屏蔽作用不同的现象为 磁各向异性。即在分子
12、中,质子与某个官能团的空间关系,往往会影响质子的化学位移,此即各向异性。,在外磁场的诱导下,分子中电子运动产生感应电流的磁场称为次级磁场次级磁场与外磁场的磁力线方向相反,屏蔽效应 增大,属于“+”屏蔽区,值减小,高场低频;次级磁场与外磁场磁力线方向相同,屏蔽效应降,属于“-”屏蔽区,值增大,低场高频;,例1.苯环上的6个电子产生较强的次级磁场,质子位于负屏蔽区,低场高频。,中间次级磁场与外磁场 方向相反处于正屏蔽区;而环外围则处于负屏蔽区。苯环上氢的化学位移=7.27 低场。,例2.双键(C=O及C=C)双键电子形成结面,结面电子产生诱导磁场,质子位于负屏蔽区,低场高频。醛基上质子处于去屏蔽区
13、,共振峰低场=9.69当看910ppm处有峰时,为醛上H峰,常用此峰来鉴定醛。乙烯上质子处于去屏蔽区,共振峰低场=5.25,例3.叁键(乙炔上氢):碳-碳叁键的电子以键轴为中心呈对称分布(共4块电子云),在外磁场诱导下,形成绕键轴的电子环流,产生诱导磁场,质子位于正屏蔽区,高场低频。键轴方向上、下正屏蔽区键轴垂直方向负屏蔽区乙炔=2.88 正屏蔽区,3氢键:可用吸电子效应解释氢键的形成,降低核外电子云密度,小,变大,低场移动羟基氢:在极稀溶液中=0.51.0 OHO 在浓溶液中=45 O的电负性较大使H的 电子云密度 此类氢为活泼氢(选修课中详细讨论)。能形成分子内氢键的基团,向低场移动更显著
14、。因氢键形成与温度,浓度,极性等多因素有关,大范围内变动,四化学位移与分子结构的关系:,一般规律:1 芳氢 烯氢 炔氢 烷氢 7.27 5.25 2.88 52.C-CH-C C-CH2-C C-CH3 1.55 1.20 0.873-COOH-CHO ArOH R-OH RNH2 11-12 9-10 4-8 3-5,饱和烃,-CH3:CH3=0.87ppm-CH2:CH2=1.20ppm-CH:CH=1.55ppm,H=3.24.0ppmH=1.8ppmH=2.1ppmH=23ppm,烯烃,烯烃质子:H=4.57.0ppm,芳香烃,芳烃质子:H=6.58.0ppm,供电子基团取代时:-OR
15、,-NR2 H=6.57.0ppm,吸电子基团取代时:-COCH3,-NO2 H=7.28.0ppm,见示例,示例,区别结构单元:CH3COO-和CH3OCO-讨论:IR、UV很难区别H1-NMR容易区别,CH3COO-中H=23 CH3OCO-中H=34,-COOH:H=1013ppm,-OH:(醇)H=1.06.0ppm(酚)H=412ppm,-NH2:(脂肪)H=0.43.5ppm(芳香)H=2.94.8ppm(酰胺)H=9.010.2ppm,-CHO:H=910ppm,要求记住13 种:R-CH3 R-CH2-R C-CH-C R-C-CH 0.71.3 1.2 1.4 1.5 1.8
16、 1.9 2.6 Ar-CH Br-CH Cl-CH R-O-CH2.1 2.5 2.7 3.6 3.0 4.0 3.2 4.0 苯 醛 烯 炔 酸 7.27 9.0 10.0 4.6 7.7 2.0 3.1 9.7 12,五.质子化学位移的计算(自学),1.饱和烃:BSi B:CH3,0.87;CH2,1.20;CH,1.55 Si:各取代基的贡献。2.烯氢:=5.28+同+顺+反3.芳氢=7.27 Si 多取代基时,相应位有迭加性。(有机分析选修讨论),各环境()处的H数计算:例:C11H16 7.2 2.45 0.9 积分高度(格)7.4 3 13.6 方法如下:总积分高度:7.4+3+
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