第三章-核磁共振氢谱2-化学位移.ppt

1、第三章第三章 核磁共振氢谱核磁共振氢谱 3.1 核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理 3.2 核磁共振仪核磁共振仪3.3 化学位移化学位移3.4 影响化学位移的因素影响化学位移的因素3.5 各类质子的化学位移各类质子的化学位移3.6 自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分3.7 偶合常数与分子结构的关系偶合常数与分子结构的关系3.8 常见的自旋系统常见的自旋系统3.9 简化简化1H NMR谱的实验方法谱的实验方法3.10 核磁共振氢谱解析及应用核磁共振氢谱解析及应用一、一、一、一、化学位移的定义：化学位移的定义：化学位移的定义：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氢核由于在

2、分子中的化学环境不同而在不同共振氢核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振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。磁场强度下显示吸收峰，称为化学位移。磁场强度下显示吸收峰，称为化学位移。磁场强度下显示吸收峰，称为化学位移。3.3 化学位移化学位移二、二、化学位移的由来化学位移的由来：核外电子的屏蔽效应核外电子的屏蔽效应 在在外外加加磁磁场场作作用用下下，由由于于核核外外电电子子在在垂垂直直于于外外加加磁磁场场的的平平面面绕绕核核旋旋转转，从从而而产产生生与与外外加加磁磁场场方方向向相相反反的的感感生磁场生磁场B。H核的实际感受到的磁场强度为：核的实际感受到

3、的磁场强度为：核的共振频率为：核的共振频率为：=BB0 0(1-)为屏蔽常数为屏蔽常数 B Beffeff =B B0 0 -B B0 0=B Bo o(1-)核外电子云密度高，屏蔽作用大核外电子云密度高，屏蔽作用大(值大值大)，核的，核的 共振吸收向高场（或低频）移动，化学位移减小。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，屏蔽作用小核外电子云密度低，屏蔽作用小(值小值小)，核的，核的 共振吸收向低场（或高频）移动，化学位移增大。共振吸收向低场（或高频）移动，化学位移增大。三、三、化学位移的表示方法：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，并因仪器化学位

4、移的差别很小，精确测量十分困难，并因仪器不同（不同（Bo）而不同，现采用相对数值。）而不同，现采用相对数值。规定：规定：以四甲基硅（以四甲基硅（TMS）为标准物质，其化学位移为零，）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。根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定化学位移值。试样的共振频率试样的共振频率TMS的共振频率的共振频率单位：单位：ppm仪器的射频频率仪器的射频频率选用选用TMS(四甲基硅烷四甲基硅烷)作为作为标准物质标准物质的原因的原因?(1)屏蔽效应强，共振信号在高场区屏蔽效应强，共振信号在高场区,绝大多数吸收峰绝大多数吸收峰 均出现在它的左边。均出现

5、在它的左边。(2)结构对称，是一个单峰。结构对称，是一个单峰。(3)容易回收容易回收(b.p低低)，与样品不反应、不缔合。，与样品不反应、不缔合。化学位移用化学位移用 表示，以前也用表示，以前也用 表示，表示，与与 的关系为：的关系为：=10-0-1-2-31234566789 TMS低场低场高场高场例：在例：在60MHz的仪器上，测得的仪器上，测得CHCl3与与TMS间吸收间吸收频率之差为频率之差为437Hz，则，则CHCl3中中1H的化学位移为：的化学位移为：四、四、核磁共振波谱的测定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

6、标法，外标法）记录纸：化学位移 偶合常数 积分高度五、五、NMR谱的结构信息谱的结构信息化学位移化学位移 积分高度积分高度 偶合常数偶合常数 氘代溶剂的干扰峰氘代溶剂的干扰峰CDCl3 7.27(s)CD3CN 2.0 CD3OD 3.3（5）,4.5(OH)CD3COCD3 2.1（5）,2.7(水水)CD3SOCD3 2.5（5）,3.1(水水)D2O 4.7(s)C6D6 7.3(s)1H NMR谱中的峰面积谱中的峰面积(peak area)正比于等价质正比于等价质子的数目子的数目用积分曲线表示峰面积。积分曲线的高度与峰面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。积成正比关

7、系。例：乙醇例：乙醇CH3CH2OH 3 组质子的积分曲线高度比为组质子的积分曲线高度比为 3：2：1n 积分曲线积分曲线 (integration line)n 积分曲线积分曲线 (integration line)甲基与苯环质子的积分曲线高度比为甲基与苯环质子的积分曲线高度比为 3 3：2 2乙醚的核磁共振氢谱乙醚的核磁共振氢谱 CH3CH2OCH2CH3 3.4 影响化学位移的因素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，氢核受到核外电子的屏蔽作用越大，峰越往高场移动，化学位移化学位移值越小。值越小。诱导效应诱导效应共轭效应共轭效应各向异性效应各向异性效应Van

8、der Waals效应效应氢键效应和溶剂效应氢键效应和溶剂效应吸电子诱导效应：去屏蔽效应，化学位移增大吸电子诱导效应：去屏蔽效应，化学位移增大给电子诱导效应：屏蔽效应，化学位移减小给电子诱导效应：屏蔽效应，化学位移减小一、一、诱导效应：诱导效应：YCH中中Y的电负性越大，的电负性越大，H周围电子云密度越低，周围电子云密度越低，屏蔽效应越小，越靠近低场出峰，屏蔽效应越小，越靠近低场出峰，值越大。值越大。化合物化合物CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3ICH4TMS电负性性4.03.53.02.82.52.11.84.263.143.052.682.160.230化合物化合物CH4CH3C

9、lCH2Cl2CHCl30.233.055.337.27化合物化合物CCH3NCH3OCH3电负性性C:2.5N:3.0O:3.50.71.92.13.13.24.2 试比较下面化合物分子中试比较下面化合物分子中 Ha Hb Hc 值的大小。值的大小。CHCH3 3CHCH2 2CHCH2 2XX 0.93 1.53 3.49 OH 0.93 1.53 3.49 OH1.06 1.81 3.47 1.06 1.81 3.47 ClCl b a c二、二、共轭效应共轭效应 给电子共轭效应：增大苯环电子云密度，屏蔽效应增给电子共轭效应：增大苯环电子云密度，屏蔽效应增强，强，值向高场移动。值向高场移

10、动。吸电子共轭效应：降低苯环电子云密度，去屏蔽效应吸电子共轭效应：降低苯环电子云密度，去屏蔽效应增强，增强，值向低场移动。值向低场移动。7.27 6.73 7.817.788.586.708.087.94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，氢核与某功能基因空间位置不同，受到屏蔽作用不同，受到屏蔽作用不同，导致其化学位移不同。导致其化学位移不同。原因：在外磁场的作用下，由电子构成的化学键原因：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会产生一个各向异性的附加磁场,使得某些位置的使得某些位置的核受到屏蔽核受到屏蔽,而另一些位置上的核则为去屏蔽。而另一些位

11、置上的核则为去屏蔽。三、三、三、三、化学键的各向异性效应化学键的各向异性效应化学键的各向异性效应化学键的各向异性效应例如：例如：CHCH3 3CHCH3 3 CH CH2 2=CH=CH2 2 HCCH HCCH(ppm(ppm):0.86 5.25 1.80):0.86 5.25 1.80化学键的各向异性，导致与其相连的氢核的化学位移化学键的各向异性，导致与其相连的氢核的化学位移不同。不同。spsp杂化碳原子上的质子：叁键杂化碳原子上的质子：叁键碳碳叁键碳碳叁键:直线构型，直线构型，电子云呈电子云呈圆筒型分布，形成环电流，产生圆筒型分布，形成环电流，产生的感应磁场与外加磁场方向相反。的感应磁

12、场与外加磁场方向相反。H质子处于屏蔽区，屏蔽效应强，质子处于屏蔽区，屏蔽效应强，共振信号移向高场，共振信号移向高场，减小。减小。=1.83 H-CC-H:1.8：屏蔽区；：去屏蔽区：屏蔽区；：去屏蔽区去屏蔽效应：去屏蔽效应：核外电子产生的感应磁场与外加磁场核外电子产生的感应磁场与外加磁场方向相同，方向相同，核所感受到的实际磁场核所感受到的实际磁场核所感受到的实际磁场核所感受到的实际磁场 B B有效有效有效有效 大于外磁场。大于外磁场。大于外磁场。大于外磁场。spsp2杂化碳原子上的质子：杂化碳原子上的质子：双键、苯环双键、苯环苯：苯：7.277.27；乙烯：乙烯：5.255.25；醛氢：；醛氢

13、：9 9101018轮烯轮烯对番烷对番烷sp3杂化原子上的质子：杂化原子上的质子：单键单键C-C单键的单键的电子产生的各向异性较小。电子产生的各向异性较小。Ha=0.76ppm,Ha=0.76ppm,HbHb=1.15ppm=1.15ppmVan der Waals效应效应 两核靠得很近时，带负电荷的核外电子云就会相互两核靠得很近时，带负电荷的核外电子云就会相互 排斥，使核裸露，屏蔽减小，排斥，使核裸露，屏蔽减小，增大。增大。靠近的基团越大，该效应越明显。靠近的基团越大，该效应越明显。四、四、Van der Waals效应效应 随样品随样品浓度浓度的增加，缔合程度增大，的增加，缔合程度增大，分

14、子间氢键分子间氢键 增强，增强，羟基氢羟基氢值增大。值增大。六、六、氢键的影响氢键的影响 氢键的形成氢键的形成 降低了核外电子云密度，降低了核外电子云密度，有去屏蔽效应，有去屏蔽效应，使质子的使质子的值显著增大。值显著增大。值会在很宽的范围内变化。值会在很宽的范围内变化。PhOH中酚羟基中酚羟基H的化学位移与浓度的关系：的化学位移与浓度的关系：浓度浓度100%20%10%5%2%1%/ppm7.456.86.45.94.94.35分子间氢键：分子间氢键：分子间氢键：分子间氢键：受环境影响较大，样品浓度、温度影响受环境影响较大，样品浓度、温度影响受环境影响较大，样品浓度、温度影响受环境影响较大，

15、样品浓度、温度影响 氢键质子的化学位移。氢键质子的化学位移。氢键质子的化学位移。氢键质子的化学位移。分子内氢键：分子内氢键：化学位移与溶液浓度无关，取决于分子化学位移与溶液浓度无关，取决于分子 本身结构。本身结构。重氢环己烷重氢环己烷C6D11H 的低温的低温1H-NMR谱谱七、七、温度的影响温度的影响温度可能引起化合物分子结构的变化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。如环烷烃的构型翻转受阻。八、八、溶剂效应溶剂效应 溶剂不同使化学位移改变的效应。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。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。如形成

16、氢键、瞬时配合物等。一般化合物在一般化合物在CCl4和和CD3Cl中中NMR谱重现性好。谱重现性好。在苯中溶剂效应则较大。在苯中溶剂效应则较大。在氯仿与苯中测定的化学位移差值(CDCl3-C6H6)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)。苯的溶剂效应苯的溶剂效应:1 1、苯对、苯对环己酮衍生物环己酮衍生物1 1H-NMRH-NMR谱的影响谱的影响 2 2、苯对二甲基甲酰胺、苯对二甲基甲酰胺1 1H-NMRH-NMR谱的影响谱的影响 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

17、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-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，-甲基的化学位移逐渐移向高场，最后越过-甲基。各类质子的化学位移值范围各类质子的化学位移值范围 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 RCH2-O=C-CH2-C=C-CH2-CCCH2-CH2-CH2-X-CH2-O-CH2-NO2C=C-HAr-HRCHORCOOH3.5 各类质子的化学位移及经验计算各类质子的化学位移及经验计算p饱和碳原子上的质子的饱和碳原子上的质子的 值：叔碳值：叔碳 仲碳仲碳 伯碳伯碳p与与H相连的碳

18、上有电负性大的原子或吸电子基团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），等），值变大。电负性越值变大。电负性越大，吸电子能力越强，大，吸电子能力越强，值越大。值越大。p 值：芳氢值：芳氢 烯氢烯氢 烷氢烷氢有机化合物中质子化学位移规律：有机化合物中质子化学位移规律：一、一、饱和碳上质子的化学位移饱和碳上质子的化学位移 甲基甲基甲基的化学位移在甲基的化学位移在0.74ppm之间。之间。亚甲基（亚甲基（CHCH2 2)和次甲基和次甲基(CH)(CH)：1-2ppm1-2ppmShooleryShoolery经验计算：经验计算：-CH=0.23+-CH=0.23+CiCi

19、0.230.23是甲烷的化学位移值，是甲烷的化学位移值，CiCi是与次甲基（亚甲是与次甲基（亚甲基）相连的取代基的影响参数（基）相连的取代基的影响参数（P95P95，表，表3.13.1）。）。例：例：BrCH2ClBr:2.33;Cl:2.53=0.23+2.33+2.53=5.09ppm(实测：实测：5.16ppm)二、二、不饱和碳上质子的化学位移不饱和碳上质子的化学位移 炔氢炔氢叁键的各向异性屏蔽作用，使炔氢的化学位移出现叁键的各向异性屏蔽作用，使炔氢的化学位移出现在在1.6 3.4ppm范围内范围内.烯氢（烯氢（4.5-7ppm4.5-7ppm）烯氢的化学位移可用以下经验公式计算：烯氢的

20、化学位移可用以下经验公式计算：=5.25+=5.25+Z同同 +Z顺顺 +Z反反 5.255.25是乙烯的化学位移值，是乙烯的化学位移值，Z是取代基对烯氢化学位是取代基对烯氢化学位移的影响参数（移的影响参数（P103P103，表，表3.43.4）。）。一般情况下影响规律：同碳取代基使化学位移增大 顺反三、三、芳氢的化学位移芳氢的化学位移苯的化学位移为苯的化学位移为7.30ppm。当苯环上的氢被取代后，苯环的邻、间、对位的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。电子云密度发生变化，化学位移向高场或低场移动。芳环氢的化学位移可按下式进行计算：芳环氢

21、的化学位移可按下式进行计算：=7.30-Si 7.30是苯的化学位移，是苯的化学位移，Si为取代基对芳环氢的影响参数（为取代基对芳环氢的影响参数（P104，表，表3.5）。）。一般情况：吸电子基团，化学位移增大一般情况：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。一般杂环芳氢的化学位移受溶剂的影响较大。一般位位的杂芳氢的吸收峰在较低场的杂芳氢的吸收峰在较低场 四、四、活泼氢活泼氢 常见的活泼氢：常见的活泼氢：-OH-OH，-NH-NH2 2，-SH-SH。在溶剂中活泼氢交换速度较快，浓度、温度、溶在溶剂中活泼氢交换速度较快，浓度、温度、溶剂对剂对值影响较大值影响较大。高温使高温使OHOH、NHNH等氢键程度降低等氢键程度降低,值减小值减小。识别活泼氢可采用重水交换。识别活泼氢可采用重水交换。完完