核磁共振波谱

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NMR自发辐射的几率实际为零,必须有某种 过程存在,使高能级的原子核能够回到低能 级,以保持低能级布居数大于高能级,这个过 程就是弛豫. 饱和:
2.核磁共振谱线宽度
测不准原理: ∆E﹒∆t ≈ h
∆E﹒T2 ≈ h T2:相互作用时间
∆E = h∆
∆ ≈1/T2
五. 脉冲-傅里叶变换核磁共振波谱仪
( A = 7, B = -1, c = 5 )
(2).取代基的电负性
CH3-CH2-Li: 8.9 -SiR3: 8.0 -CN : 7.6
-Cl : 7.2
-OC2H5: 7.0 (3).键长 (4).键角
H
H
H
Li
-SiR3 -CH3 -Cl -F
3 J顺
19.3 14.6 10.0 7.3 4.7
δ 4.26 3.24
3.05 2.16 0.88
0 -1.95
(2)相连碳原子的s-p杂化
(3)环状共轭体系的环电流效应
Ha Hb
a= 9.28ppm b= - 2.99ppm
CH3
CH3= - 4.25ppm
= 8.14-8.69ppm
CH3
(4) 相邻键磁各向异性
CC
CO
CC
X射 线 (X-rays)
紫外光
可见光
红外光
微波
无线电波
(ultravialet light) (visible light) (infrared radiation) (microwave) (radio wave)
0.1 nm 100nm
400nm
800nm
100um
1m
粒子性:
E=hν
m:
E=mc2
(2).分子中存在快速运动
R-CH2-CXYZ
R
Y
Z
Ha
Hb
X
A
Ha
Y
Z
Hb
R
X
B
(Ha)=PAXY + PBYZ + PCXZ (Hb)=PAXZ + PBYX + PCYZ
Hb
Y
Z
R
Ha
X
C P: 概率 PA PB PC (Ha) (Hb)
(3).判断前手性中心上两个相同基团的关系
3.耦合常数
J:单位 Hz.反映了耦合强弱,即两原子 核相互作用能的大小,与仪器无关,与两核间 相隔化学键的数目有关. H1 NMR 远程耦合 C13 NMR 长程耦合 表示: 1H—12C—12C—1H 3J
13C—1H 1J
四.弛豫过程
1.弛豫过程 relaxation 自发辐射:几率和两个能级能量之差∆E成正比.
2 3
( s r )
s: 样 品 溶 剂 的 容 积 导 磁 率 r: TMS 溶 剂 的 容 积 导 磁 率
CH3
H2 H2
DSS: H3C Si CH2 C C SO3Na
CH3
2. 影响化学位移的因素
(1)取代基电负性
CH3F CH3OCH3 CH3Cl CH3I CH3CH3 Si(CH3)4 CH3Li
2. 3J : 3JH-C-C-H, J邻, Jvic vicinal coupling
影响3J数值的因素
(1).二面角:
Karplus 公 式
J0cos2 + c
( = 0o - 90o)
3J =
J180 cos2 + c ( =90o - 180o)
3J = A + Bcos + c cos 2
重复使用,时间间隔一般也小于几秒,在样品 进行累加测量时,相对CW仪器远为节约时间. 3).脉冲F T仪器采用分时装置,信号的接收在脉 冲发射之后,因此不致有CW仪器中发射机能 量直接泄漏到接收机的问题. 4).可以采用各种脉冲系列.
第二节 核磁共振氢谱
一. 化学位移 1. 基准 TMS
corr = obs +
为满足
B
= 2
有两种方式:
a.固定静磁感应强度B0,扫描电磁波频率v
b.固定电磁波频率v ,扫描静磁感应强度B0
扫频 扫场
仪器称连续波(continuous wave)核磁共振谱仪
主要参考书
1.宁永成,有机化合物结构鉴定与有机波谱学,科学出版社, 2000 2.沈淑娟,波谱分析法,华东化工学院出版社,1992 3.姚新生,陈英杰,有机化合物波谱分析,人民卫生出版社 4.梁晓天,核磁共振-高分辩氢谱的解析和应用,科学出版社 5.赵天增,核磁共振氢谱,北京大学出版社 6.沈其丰,徐广智,13C核磁共振及其;应用,化学工业出版
c
E = h = h = hc
1

第二章 核磁共振波谱
第一节 概论
一.基本原理
1.原子核的磁矩 自旋量子数 I
(1).中子数,质子数均为偶数 I=0, 12C, 16O, 32S (2).中子数,质子数其一为偶数 I为半整数
I=1/2: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P I=3/2: 7Li, 9Be, 11B, 23Na I=5/2: 17O, 25Mg, 27Al I=7/2, 9/2 (3).中子数,质子数均为奇数, I为整数 2H, 6Li, 14N, I=1
3 J反
23.9 20.4 16.8 14.6 12.8
3.长程耦合J
不饱和烃: a. H-C=C-C-H, H-C-C=C-C-H b.共轭体系 c.含有累积不饱和键的体系
H-C(=C=C)n-H, H-C-C(=C=C)n-H d.芳环氢与侧链氢的耦合
4.芳环与杂芳环
芳环: 3J: 6-9HZ, 4J: 1-3HZ, 5J: 0-1HZ 杂环:有杂原子, 3J与所考虑的氢相对杂原子的
社,1986
二.化学位移
1.屏蔽常数σ

2 B
= d + p + a + s
d: diamagnetic, 抗 磁 屏 蔽 的 大 小. p: paramagnetic, 顺 磁 屏 蔽 的 大 小 a: 相 邻 基 团 磁 各 向 异 性 的 影 响 s溶 剂 介 质 的 影 响
CC
Ha
3
2
1 He
4
5
6
(5)相邻基团电偶极和范德华力
△σe =-A×10-12Ez-B×10-18E2
Hc HbHd Ha
b = 3.53 ppm c = 0.88 ppm
(6)介质的影响
a.样品溶液,溶剂分子接近溶质分子,使分子电 子云形状改变,产生去屏蔽作用.
b.溶剂分子磁各向异性,使溶质分子不同部分的 屏蔽和去屏蔽.
酚: 10.5-16(分子内缔合)
烯醇: 15-19 其它酚: 4-8
羧酸: 10-13
肟: 7.4-10.2
R-SH: 0.9-2.5 ArSH: 3-4
R-CONHR: 6-8.2 RSO3H: 11-12 RNH2,R2NH: 0.4-3.5 ArNH2,Ar2NH,ArNHR: 2.9-4.8 ArCONHAr: 7.8-9.4
电四极矩,自旋角动量
a. I=1/2 b. I>1/2
Q = 2/5 Z(b2 - a2)
= P
h P = (+1) 2
r: gyromagnetic ratio, 磁旋比,是原子核的重要属性
2.核动量矩及磁矩的空间量子化
原子核不同能级之间的能量差 E = - mhB
原子核磁矩在Z轴的投影 2 = 2 = m h
2)几个核组之间分别用不同的字母标注,若它们 化学位移相差很大,标注用的字母在字母表中 的距离也大,反之亦然。如两个核组间Δδ大则 标为A与X,Δδ小标为A与B。
3) 核组内的核若磁等价,则在大写字母右下角用 阿拉伯数字注明该核组核的数目。
4) 若核组内的核磁不等价则用上角标'加以区别。 若一核组内有三个磁不等价核可以标为AA’A’’。
磁矩与磁场的相互作用能 = - B
相邻能级间的跃迁能量差
E = - mhB
相邻能级间能级差
2 B
E =
E = hB
3.核磁共振的产生
光照满足式 ∆m=+1 or - 1
E = - mhB
h = hB
B
= 2
4.连续波核磁共振谱仪
1.连续波谱仪(cw) 缺点
2.时畴信号,频畴谱 记录共振频率和弛豫时间,得FID干涉图.变 量为t,为时畴信号.这种谱有多种频率存在, 人们不能识别,把它转换成频畴谱,这个”转 换”就是计算机完成的傅里叶变换.
3.博里叶变换波谱仪的优点:
1).在脉冲作用下,该同位素所有的核同时共振. 2).脉冲作用时间短,为微秒数量级,若脉冲需要
2.化学位移δ
核磁谱图:横坐标 :从左到右磁感强度增强,
频率减小方向
化学位移δ:距原点的相对距离.
样品 - 标准
=
标准
+ 106
B标准 - 样品
=
标准
+ 106
总化学位移式子
样品 - TMS
=
+ 106
核磁共振仪所用频率
三. 自旋-自旋耦合
1.自旋-自旋耦合峰分裂
(1)."n+1”规律:n表示产生耦合的原子核数目. (2).每相邻两条普线间距离相等. (3).谱线间强度的相对比为1:3:3:1,为 (a+b)3 展
(1)、定义
相互耦合的核组成一个自旋体系。体系内 部的核相互耦合但不和!体系外的任何一个核耦 合。在体系内部并不要求一个核和它以外的所 有核都耦合。 由上述可知体系与体系之间是隔离的。

H3C
H3C
O
O
H S N CH2 C O CH3
O
HN CH2
CH3
(2). 命名
1) 化学位移相同的核构成一个核组,以一个大写 英文字母标注。
波谱解析
第一章 绪 论
化学
化学结构
波谱法:物质在光(电磁波)的照射下,引起分子内部
某种运动改变,从而吸收或散射某种波长的光,将入
射光强度变化或散射光的信号记录下来,得到一张信
号强度与光的波长,波数(频率)或散射角度的关系图,
用于物质结构,组成及化学变化的分析,叫波谱法.
光有波粒二相性:
光波按波长分区
一个自旋体系内两个核组之间相互作用的强弱
与它们的化学位移之差密切相关: 用Δν/J的数值衡量
当Δν>>J时,两核组间的相互作用是弱的,谱 图简单.
当Δν≈J或J> Δν时,两核组间的相互作用 是强的,谱图峰组复杂.
强耦合的两核组以A,B表示,弱耦合的两核组以A,x 表示,具体以何种Δν/J的数值来划分没有统一规定,一般 Δν/J>6可认为弱耦合
二.耦合常数J
反映有机结构的信息,特别是反映立体化学的 信息.绝对值的大小易于从核磁谱图中找出.
1.1J, 2J
氢核的1J只有氢核在和有磁矩的异核直接相连时才 表现出来,重要的1J为1JC-H
2J同碳二氢的耦合常数.称同碳耦合.J同或Jgem a. 端烯的两个氢. b.CH2 c. CH3
位置有关.紧接杂原子3J较小,远离杂原子的 3J较大.
三.自旋耦合体系及核磁共振谱图的分类
1.化学等价 HO
柠檬酸
O
CH3
(1).各核相对静止的情况
VE
两基团可互换,它们是等位的,无论在任何溶剂中,它们 都在同一频率共振,它们是等频的,即都是化学等价.
若分子中的两相同基团通过对称面交换,它们是对映异 位.在非手性溶剂中是等频的,即化学等价,在手性溶剂中 是异频的,即化学不等价.
取代三种可能:
a. X/T=T/X,二者可以相互重叠,两个X是等位的.
b. X/T与T/X成镜象关系,两个X是对映异位的.
c. X/T与T/X是非对映异位的,两个X是非对映异
位的.
O
H3C
H
H3C
CH(CH3)2
Hale Waihona Puke Baidu
(4).同一碳原子上相同二基团(或二核)化学等价性
a. 固定环上CH2的两个氢不是化学等价的. b.单键不能快速旋转时,同碳上二相同基团不是化
开式各项系数.若产生耦合的原子核数目为n,则 耦合分裂的谱线间强度的相对比(a+b)n展开式 各项系数值.
2. 能级图
总结:
1.无耦合时的一条谱线在有耦合时分裂为 两条谱线,后者相对前者位置左右对称,距 离为± J
2
2.有耦合时引起的谱线分裂间距,对A核和X 核来讲都为J.
3.有耦合时形成的两条分裂谱线强度相等. 二者之和等于原谱线强度.
c.溶质分子的极性基团,诱导周围电介质产生电 场,反过来影响其余部分质子的屏蔽.
d.氢键
(7)氢键
羧酸: 10ppm
H OO
H3C
CH3
3.化学位移的具体数值
记大体位置
杂环化合物的化学位移
6.30
7.40
O
7.04
7.19
S
6.22
6.68
N H
活泼氢的化学位移
醇: 0.5-5.5
学等价的. c.与手性碳相连的CH2的两个氢不是化学等价的. d. 不与手性中心相连的CH2按平分XCX角的对称
面讨论.
2. 磁等价
两个核磁等价必须同时满足下列两条件:
a.它们是化学等价的. b.它们对任意另一核的耦合常数J相同,(数值和符号)
HA'
HB'
HA'
Y
X
Y
X
HB
HA
HB
HA
Y
3.自 旋 体 系
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