核磁共振氢谱2-化学位移

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规定:以四甲基硅(TMS)为标准物质,其化学位移为零, 根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定化学位移值。
试样的共振频率
TMS的共振频率
试样 TMS 106 0
感生磁场 H'非常小,只有
外加磁场的百万分之几, 为方便起见,故× 106
化学位移
仪器的射频频率
单位:ppm
选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质的原因?
6.30
6.22
7.04
7.75 7.38
O 7.40 N 6.68 H
S 7.29
呋喃
吡咯
噻吩
(CDCl3) (CDCl3) (CDCl3)
N 8.29
吡啶 (DMSO)
6.47
N 7.29 H 吲哚 (DMSO)
8.04 7.51
N 9.10 喹啉 (DMSO)
四、 活泼氢
• 常见的活泼氢:-OH,-NH2,-SH。 • 在溶剂中活泼氢交换速度较快,浓度、温度、溶
碳碳叁键:直线构型,π电子云呈
圆筒型分布,形成环电流,产生 的感应磁场与外加磁场方向相反。
H质子处于屏蔽区,屏蔽效应强, 共振信号移向高场, δ减小。 δ= 1.8~3 H-C≡C-H: 1.8
+:屏蔽区;-:去屏蔽区
sp2杂化碳原子上的质子:双键、苯环
sp
去屏蔽效应:核外电子产生的感应磁场与外加磁场 方向相同,核所感受到的实际磁场 B有效 大于外磁场。
四、 Van der Waals效应
Hc Hb Ha
OH a 4.68
b 2.40 c 1.10
Hc Hb HO
Ha a 3.92 b 3.55 c 0.88
△δHa = 0.76ppm, △δHb = 1.15ppm
Van der Waals效应 • 两核靠得很近时,带负电荷的核外电子云就会相互 排斥,使核裸露,屏蔽减小,δ增大。 • 靠近的基团越大,该效应越明显。
3.5
3.0
2.8
2.5
2.1
1.8
δ
4.26
3.14 3.05
2.68
2.16
0.23
0
吸电子诱导效应:去屏蔽效应,化学位移增大 给电子诱导效应:屏蔽效应,化学位移减小
化合物 δ
CH4 0.23
CH3Cl CH2Cl2 CHCl3
3.05
5.33
7.27
化合物 电负性
δ
C-CH3 C: 2.5 0.7~1.9
• 用积分曲线表示峰面积。积分曲线的高度与峰面 积成正比关系。
• 例:乙醇CH3CH2OH 3 组质子的积分曲线高度比为 3:2:1
积分曲线 (integration line)
甲基与苯环质子的积分曲线高度比为 3:2
乙醚的核磁共振氢谱
CH3CH2OCH2CH3
3.4 影响化学位移的因素
氢核受到核外电子的屏蔽作用越大,峰越往高场移动, 化学位移δ值越小。
六、 氢键的影响 • 氢键的形成 降低了核外电子云密度,有去屏蔽效应, 使质子的δ值显著增大。δ值会在很宽的范围内变化。
• 随样品浓度的增加,缔合程度增大,分子间氢键 增强,羟基氢δ值增大。
PhOH中酚羟基H的化学位移与浓度的关系:
浓度 δ/ppm
100% 20% 10% 5% 2% 1% 7.45 6.8 6.4 5.9 4ห้องสมุดไป่ตู้9 4.35
• 芳环氢的化学位移可按下式进行计算: δ = 7.30 -∑Si 7.30是苯的化学位移, Si为取代基对芳环氢的影响参数(P104,表3.5)。
一般情况:吸电子基团,化学位移增大 供电子基团,化学位移减小
•杂环芳氢的的化学位移值
杂环芳氢的化学位移受溶剂的影响较大。一般α位
的杂芳氢的吸收峰在较低场
八、 溶剂效应 • 溶剂不同使化学位移改变的效应。 • 原因:溶剂与化合物发生相互作用。
如形成氢键、瞬时配合物等。 • 一般化合物在CCl4和CD3Cl中NMR谱重现性好。
在苯中溶剂效应则较大。
苯的溶剂效应: 1、苯对环己酮衍生物1H-NMR谱的影响
在氯仿与苯中测定的化学位移差值Δ(δCDCl3-δC6H6)对环己 酮羰基邻位的直立氢或直立甲基为正值(屏蔽),而对邻 位平伏氢或甲基氢则为很小的正值或负值(去屏蔽)。
氘代溶剂的干扰峰
CDCl3
7.27(s)
CD3CN
2.0
CD3OD
3.3(5), 4.5(OH)
CD3COCD3 2.1(5) , 2.7(水)
CD3SOCD3 2.5 (5), 3.1(水)
D2O
4.7(s)
C6D6
7.3(s)
积分曲线 (integration line)
• 1H NMR谱中的峰面积 (peak area) 正比于等价质子 的数目
(1)屏蔽效应强,共振信号在高场区,绝大多数吸收峰 均出现在它的左边。
(2)结构对称,是一个单峰。
(3)容易回收(b.p低),与样品不反应、不缔合。
低场
高场
9 8 7 6 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3
TMS
化学位移用表示,以前也用表示, 与的关系为: = 10 -
例:在60MHz的仪器上,测得CHCl3与TMS间吸收 频率之差为437Hz,则CHCl3中1H的化学位移为:
分子间氢键:受环境影响较大,样品浓度、温度影响 氢键质子的化学位移。
分子内氢键:化学位移与溶液浓度无关,取决于分子 本身结构。
O
O
R C CH2 C R'
OH
O
R C CH C R' 11~16 ppm
H
O
O
R
R'
七、 温度的影响 温度可能引起化合物分子结构的变化. 如环烷烃的构型翻转受阻。
重氢环己烷C6D11H 的低温1H-NMR谱
苯:7.27; 乙烯:5.25;醛氢:9-10
CH2 CH2
H2C
H2C
CH2 0.30 CH2 0.90
CH2 1.30
CH2 2.70
CH2 3.81
对番烷
H
H
HH H
H2.99H
HH H
H
H 9.28
H
H
H
HH
18轮烯
sp3杂化原子上的质子:单键 C-C单键的σ电子产生的各向异性较小。
剂对δ值影响较大。 • 高温使OH、NH等氢键程度降低, δ值减小。 • 识别活泼氢可采用重水交换。

样品- 标样 106= 437 106=7.28
0
60 106
四、 核磁共振波谱的测定
• 样品:纯度高,固体样品和粘度大的 液体样品必须溶解。
• 溶剂:氘代试剂。 • 标准:四甲基硅烷(内标法,外标法) • 记录纸:
五、 NMR谱的结构信息
化学位移 积分高度 偶合常数
化学位移 偶合常数 积分高度
6.73
7.81
5.25
H
H
C=C
H
H
4.03
H
OCH3
C=C
H
H
6.27 CH3
H
C=O
C=C
H
H
7.78
6.70
8.58
Ha
OCH3
Ha1 O
Hb
COCH3
OCH3
Hb Ha2
8.08
A
B
C
7.94
三、 化学键的各向异性效应
• 各向异性效应:氢核与某功能基因空间位置不同, 受到屏蔽作用不同,导致其化学位移不同。
第三章 核磁共振氢谱
3.1 核磁共振的基本原理 3.2 核磁共振仪 3.3 化学位移 3.4 影响化学位移的因素 3.5 各类质子的化学位移 3.6 自旋偶合和自旋裂分 3.7 偶合常数与分子结构的关系 3.8 常见的自旋系统 3.9 简化1H NMR谱的实验方法 3.10 核磁共振氢谱解析及应用
3.3 化学位移
例:BrCH2Cl Br: 2.33; Cl: 2.53 δ = 0.23 + 2.33 + 2.53 = 5.09ppm(实测:5.16ppm)
二、 不饱和碳上质子的化学位移
炔氢 叁键的各向异性屏蔽作用,使炔氢的化学位移出现 在1.6 –3.4ppm范围内.
烯氢(4.5-7ppm) 烯氢的化学位移可用以下经验公式计算:
δ = 5.25 + Z同 + Z顺 + Z反
5.25是乙烯的化学位移值,Z是取代基对烯氢化学位 移的影响参数(P103,表3.4)。
一般情况下影响规律:同碳取代基使化学位移增大 顺>反
三、 芳氢的化学位移
苯的化学位移为δ7.30ppm。 • 当苯环上的氢被取代后,苯环的邻、间、对位的
电子云密度发生变化,化学位移向高场或低场移动。
二、 共轭效应
7.11 6.86
6.81
OR NH2
<7.27
7.27
7.45 8.21
7.66
>7.27
NO2 COR
• 给电子共轭效应:增大苯环电子云密度,屏蔽效应 增强,δ值向高场移动。 • 吸电子共轭效应:降低苯环电子云密度,去屏蔽效
应增强,δ值向低场移动。
H
OH
C=O
H
H
H
7.27
N-CH3 N: 3.0 2.1~3.1
O-CH3 O: 3.5 3.2~4.2
CH3—CH2—CH2—X
γ βα
0.93 1.53 3.49 —OH 1.06 1.81 3.47 —Cl
试比较下面化合物分子中 Ha Hb Hc 值的大小。
CH3
CH3-O-CH2-C-CH3
a
b
c
Cl
b>a>c
• 诱导效应 • 共轭效应 • 各向异性效应 • Van der Waals效应 • 氢键效应和溶剂效应
一、 诱导效应: Y-CH中Y的电负性越大,H周围电子云密度越低, 屏蔽效应越小,越靠近低场出峰,δ值越大。
化合物 CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I
CH4
TMS
电负性 4.0
σ为屏蔽常数
核的共振频率为:
=
2
·B0(1-σ)
• 核外电子云密度高,屏蔽作用大(σ值大),核的 共振吸收向高场(或低频)移动,化学位移减小。
• 核外电子云密度低,屏蔽作用小(σ值小) ,核的 共振吸收向低场(或高频)移动,化学位移增大。
三、 化学位移的表示方法:
化学位移的差别很小,精确测量十分困难,并因仪器 不同(Bo)而不同,现采用相对数值。
2、苯对二甲基甲酰胺1H-NMR谱的影响 由于共轭效应,赋予N-CO 键以部分双键性质,氮上 两个甲基是不等价的。
在苯中,苯与二甲基甲酰胺形成复合 物,苯环较多地靠近带正电荷的氮而 远离带负电荷的氧,使α-甲基受到苯 环的屏蔽,所以向高场位移。
在CDCl3-C6D6混合溶剂中,随着苯溶剂 的增加,α-甲基的化学位移逐渐移向 高场,最后越过β-甲基。
αβ
3.5 各类质子的化学位移及经验计算
RCOOH
RCHO Ar-H
O=C-CH 2C=C-CH 2-
C=C-H
C C CH 2CH 2-
-CH 2-X -CH 2-O-CH 2-NO 2
RCH 2-
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
各类质子的化学位移值范围
• 有机化合物中质子化学位移规律:
饱和碳原子上的质子的 值:叔碳 > 仲碳 > 伯碳
与H相连的碳上有电负性大的原子或吸电子基团 (N, O, X, NO2, CO等), 值变大。电负性越大, 吸电子能力越强, 值越大。
值:芳氢 > 烯氢 > 烷氢
一、 饱和碳上质子的化学位移
甲基 甲基的化学位移在0.7~4ppm之间。
亚甲基(CH2)和次甲基(CH):1-2ppm Shoolery经验计算: δ:-CH< = 0.23 + ∑Ci 0.23是甲烷的化学位移值,Ci是与次甲基(亚甲 基)相连的取代基的影响参数(P95,表3.1)。
一、 化学位移的定义: 氢核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁
场强度下显示吸收峰,称为化学位移。
二、 化学位移的由来 : 核外电子的屏蔽效应
在外加磁场作用下,由 于核外电子在垂直于外加磁 场的平面绕核旋转,从而产 生与外加磁场方向相反的感 生磁场B’。
H核的实际感受到的磁场强度为:
Beff = B0 -σ·B0 = Bo(1-σ)
• 原因:在外磁场的作用下,由电子构成的化学键 会产生一个各向异性的附加磁场,使得某些位置的 核受到屏蔽,而另一些位置上的核则为去屏蔽。
化学键的各向异性,导致与其相连的氢核的化学位移 不同。
例如: CH3CH3 CH2=CH2 HC≡CH δ(ppm): 0.86 5.25 1.80
sp杂化碳原子上的质子:叁键
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