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1、第七章 核磁共振波谱法,Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy For Short： NMR,7.1 核磁共振基本原理,1. NMR简介,与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸收。,NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。,在强磁场中，原子核发生自旋能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来电磁
2、辐射(109-1010nm, 4-900MHz)时，将发生核自旋能级的跃迁-产生所谓NMR现象。,射频辐射原子核(强磁场下能级分裂) 吸收能级跃迁NMR,一、概述,测定有机化合物的结构，1H NMR氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）,2. 发展历史,1924年：Pauli 预言了NMR的基本理论，即：有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；,一、核磁共振的产生,1、原子的核磁矩在外磁场空间的量子化,I ：自旋量子数； I不为零的核都具有磁矩。 h：普朗克常数；,根据量子力学的原理，原子核磁矩的大小取决于核的自旋角动量(p):,1946年：Harvard 大
3、学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； 1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR仪器； 1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化(早期多使用的是连续波NMR 仪器)。,具有自旋角动量(p)的核在自旋时会产生核磁矩() :,= P,右手定则, 为磁旋比，不同的核有不同的磁旋比。,当将自旋核置于外加磁场H0中时，根据量子力学原理，由于磁矩与磁场相互作用。磁矩相对于外加磁场
4、有不同的取向，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可以用磁量子数(m)描述：,对于具有I、m的核量子化能级的能量为：,H0：外加磁场强度(G-高斯); ：核磁子(5.04910-31J.G-1); ：以为单位的磁旋比.,m=I , I-1 ,I-2,.-I 2I+1个取向,对于具有I=1/2 m=+1/2、-1/2的核:,对于具有I=1 m=1, 0 , -1的核:,对于任何自旋角量子数为 I 的核，其相邻两个能级的能量差：,拉莫尔进动(Larmor Precession),当将自旋核置于外加磁场H0中时，根据经典力学模型会产生拉莫尔进动：,拉莫尔进动频率0与角速度0的关系为；,两种进动取向不同
5、的氢核之间的能级差：,0 = 20 = H0,-磁旋比 H0-外磁场强度,0 = H0/ (2),链接 核磁共振现象,E= H0 (磁矩),例1；1H1 H=2.7927 H0=14092G,2、核磁共振现象的产生,对于自旋角量子数为I的核，其相邻两个能级的能量差：,例2；13C6 C=0.7021 H0=14092G,二、驰豫过程,1、饱和现象,根据波尔兹曼分布定律：H=2.7927 H0=14092G ：核磁子(5.04910-31J.G-1) 298K, E=2H0,当n0= n*时，就观察不到NMR信号，这种现象称为“饱和”。,2、驰豫,驰豫现象是NMR得以保持的必要条件。由于受到核外
6、电子云的屏蔽作用，无法通过碰撞释放能量。,驰豫现象：高能态的核以非辐射形式释放能量，回到低能态，维持n0略大于n*，致使核磁共振信号存在，这种过程称为“驰豫”。,1) 自旋-晶格驰豫(纵向驰豫):分子的各种运动形成许多不同频率的磁场(晶格场)；如果其中存在与核能级相同的磁场(晶格场)，就可以进行能量转移的驰豫过程。,2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)同类核具有相同的核能级，高能态的核可以通过磁场释放能量给低能态的同类核；结果没有改变 n*/n0 ，但是通过自旋-自旋驰豫降低了激发态的寿命。,7.2 屏蔽效应与化学位移,一、屏蔽效应与化学位移,1、屏蔽效应：理想化的、裸露的氢核，当满足共振条件时，
7、产生单一的吸收峰；,在外磁场作用下，氢核外运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：,：屏蔽常数，与质子所处的化学环境有关； 核外电子云密度越大，越大，表明受到的屏蔽效应越大。,链接：屏蔽作用,H =（1-）H0,但这只是在理想情况下，实际上并不存在裸露的氢核。在有机化合物中，氢核不但受周围不断运动着的价电子影响，还受到相邻原子的影响。,由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要更大的外磁场强度(相对于裸露的氢核)来抵消屏蔽用作用的影响。,固定H0： 大，v 小,固定v ： 大， H0大,2、化学位移,二、化学位移的表示方法,1化学位移的标准物质
8、,没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。 相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 (TMS)-内标物 规定其位移常数 TMS=0,2为什么用TMS作为基准?,(1) 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰； (2) 屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭 (3) 化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同(结构中不同位置)共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。,3位移的表示方法,与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定: TMS=0 其他种类氢核的位移为负值，负号不加。 小，屏蔽强，共振需要的磁场强度
9、大，在高场出现； 大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现；,有机化合物由于电子屏蔽效应产生的化学位移只有百万分之十。,固定 v = 60 MHZ H0： 14092 0.142G 10-6,固定H0=14092 G v： 60 MHZ 600 HZ 10-6,三、核磁共振波谱,1、核磁共振波谱,2、核磁共振波谱图提供物质的结构信息,峰 的 数 目: 标志分子中磁不等性质子的种类，多少种； 峰的强度(面积)比: 每类质子的数目(相对)，多少个； 峰 的 位 移 值(): 每类质子所处的化学环境、化合物中位置； 峰 的 裂 分 数 : 相邻碳原子上质子数； 偶 合 常 数 (J): 确定化合
10、物构型。 仅能确定质子（氢谱）；与红外谱图联合解析。,链接:异丙苯谱图,7.3 影响化学位移的因素,一、电负性（诱导效应）,与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，NMR吸收峰在低场、高化学位移处。,例1：碘乙烷,例2：甲醇,7.24 5.33 4.26 3.40 3.05 2.68 2.16 0.23 0,例3：CH3X的-CH,3Cl 2Cl F O Cl Br I H Si 4.0 3.5 3.1 2.8 2.5 2.1 1.8,CHCl3 CH2Cl2 CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I CH4 Si(CH3)4,=1.62.0,=
11、3.03.5,9, 低场,=3.5, =0.23,二、磁各向异性效应, =0.23, =5.28,=1.83.0, =7.3,链接动画,链接动画,链接动画,小, 大, H0低,大, 小 , H0高,小, 大, H0低,四、氢键效应,小, 大, H0 低,正丁烯-2-醇 1% 纯液体 1 5, =5.28,三、共扼效应, =3.57, =3.99, =5.87, =5.50, =0.23,乙烯醚 p- 共轭,乙烯酮 - 共轭,五、各种环境中质子的化学位移,/ppm 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,/ppm 4 3 2 1 0,/ppm 4 3 2 1 0,一、自旋偶合与
12、自旋裂分现象,为什么每类氢核不总表现为单峰、有时出现多重峰？,CH3CH2I,1、自旋-自旋偶合与裂分,7.4 简单自旋偶合与自旋裂分,原因：相邻两个氢核核磁距之间的自旋偶合（自旋干扰）,甲基3个H 化学等价、磁等价，在外加磁场下核磁距有8个取向； 对H的影响： 顺磁场为 + 反磁场为 -,几 率 1/8 3/8 3/8 1/8,面积比 1 ： 3 ： 3 ：1,偶合能量 -3 - + +3,2、自旋偶合与裂分规律,1) 裂分数目 2nI+1 I=1/2： 质子裂分数目 n+1,2) 裂分峰呈对称关系 距离相等、峰形相似、强度相等,3) 裂分峰的强度比：(a+b)n 展开的各项系数,例1： C
13、H3OCH2CH3 裂分峰数目： 1 4 3 强 度 比： 1:3:3:1 1:2:1,例2： CH3CH2CH3 裂分峰数目： 7 3 强 度 比： 1:6:15:20:15:6:1 1:2:1,例3： NH3 14N7 I=1 2n I +1=3 H的裂分峰数目：3 强度比： 1:2:1,n = 0 1 n = 1 1 : 1 n = 2 1: 2: 1 n = 3 1: 3: 3: 1 n = 4 1:4: 6: 4: 1 n = 5 1:5:10:10:5:1 n = 6 1:6:15:20:15:6:1,3、偶合常数（J）,自旋偶合等间距裂分峰之间的距离成为偶合常数（J），反映了核之
14、间的偶合作用的强弱。,与化学位移不同，偶合常数（J）与H0、v无关，受化学环境的影响也很小。,偶合作用是通过成键电子传递，偶合常数（J）的大小与传递的键数有关-用 nJ 表示，n表示传递的键数。,例4： CH3O-CO-CH2 CH2CH3 a b 裂分峰数目： 1 3 12 3 ( na +1) ( nb +1),同碳偶合- 2J 数值变化范围大，与分子结构有关；,根据传递的键数偶合可以分为：,3J=68 HZ,2J=42 HZ,邻碳偶合-3J =016HZ，广泛应用与立体化学研究，是NMR的主要研究对象。,3J=612 HZ,3J=410HZ,2J=2.3HZ,同碳偶合、邻碳偶合: 2J 、 3J 称为近程偶合，是NMR的主要研究对象。,远程偶合：nJ , n 大于3，此时nJ小于1 HZ，一般不考虑。,nJ 邻：610HZ 间：13 HZ 对：01 HZ,二、核的化学等价与磁等价,1. 化学等价：具有相同位移值的核称为化学等价核，具有相同的化学环境。,2. 磁 等 价：具有相同位移值、并且对组外的其他核的偶合常数也相同。磁等价的核不产生裂分。,4个H 化学等价, 磁等价,6个H 化学等价, 磁等价,C
