【7.5.1.】核磁H谱图(NMR)

核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR )NMR是研究原子核对射频辐射(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。

此外,核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。

根据量子力学原理,与电子一样,原子核也具有自旋角动量,其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I决定。

迄今为止,只有自旋量子数等于1/2的原子核,其核磁共振信号才能够被人们利用,经常为人们所利用的原子核有:1H、11B、13C、17O、19F、31P,其中最常见的核磁H谱图以及C谱图。

核磁共振有包含了 H1-NMR, C13-NMR, DEPT, COSY 等分析技术

核磁共振谱有两大类:高分辨核磁共振谱仪和宽谱线核磁共振谱仪。

  • 高分辨核磁共振谱仪只能测液体样品,谱线宽度可小于1赫,主要用于有机分析。
  • 宽谱线核磁共振谱仪可直接测量固体样品,谱线宽度达10赫,在物理学领域用得较多。高分辨核磁共振谱仪使用普遍,通常所说的核磁共振谱仪即指高分辨谱仪。

一、基本的几个概念

化学位移(chemical shift):同种核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁感应强度下的吸收峰,这称为化学位移。

屏蔽效应和化学位移起因:分子中磁性核不是完全裸漏的,质子被价电子包围着,这些电子在外界磁场的作用下发生循环的流动,会产生一个感应磁场,感应磁场与外界磁场相反,所以,质子实际上感受到有效的磁感应强度应是外界磁场强度减去磁场强度。

核外电子对核产生的这种作用称为屏蔽效应

1.1 影响化学位移的因素

电负性

电负性大的原子(或者基团)吸电子能力强吸电子基团降低了氢核周围电子云的密度,屏蔽效应就降低了,质子化学位移向低场移动,左移同理,给电子基团—–》 氢核周围电子云密度上升 —–》 化学位移向高场

各向异性效应

当分子中某些基团的电子云排布不成球形对称,它对临近的氢核产生一个各向异性效应的磁场,从而使得某些空间位置接受屏蔽,某些空间位置上去屏蔽(就是没有被屏蔽)

以下,我给出三个例子,来自我的笔记(出处:基础有机化学邢大本)

耦合常数 coupling constant

在磁场作用下,分子中的质子会产生自旋,邻近质子之间也会产生相互影响从而影响对方的核磁共振吸收,这种相互作用称为自旋偶合,自旋偶合的度量称为自旋的偶合常数(coupling constant)。

n+1信号,就是一个质子发生的信号会被分裂成两个(n个质子发生的信号会被分裂成n+1个)

但是注意了,如果一个质子被两个质子裂分,的确会看到一个三重峰(被裂分成了2+1个峰),但是这仅仅是这个两个质子(-CH2亚甲基)是在同一个环境中,如果两个质子不是等位氢,那么你就会看到两个双重峰。

所以我们看到三重峰啥意思呢??

有个碳旁边的一个碳,它是CH2

两个二重峰啥意思?

有个碳旁边有两个碳,每个碳上都有个H

四重峰,旁边有 CH3, 双双双重峰,旁边有个三个CH(两个CH是双双重峰,三个就是双双双了,能理解?)

二、 示例

2.1 例1

首先 积分比为 1:3:6

对应的分别是 七重峰 单峰 双重峰

算一下不饱和度 ((4*2+2)-10)/2=0

算不饱和度的目的是看这个结构式里有没有双键或者环。

  • 不饱和度=1 含有一个双键,或者环
  • 不饱和度=2 含有两个双键,或者一个三键,或者两个环,或者一个双键和一个环
  • 不饱和度=4 可能含有苯环

这个结构式里面全部都是碳碳单键,因为不饱和度为0

分析峰值:

  1. 七重峰 根据n+1,说明旁边有六个等位氢把一个氢原子裂分了很可能是 两个CH3
  2. 单峰,说明有一个碳上一个氢都没有(当n=0时,n+1=1 单峰)
  3. 双重峰,说明一个氢被另外一个氢裂分,积分为6,说明有六个等位氢被一个氢裂分了。

为什么是醚而不是醇? 从峰的耦合常数我们可以看出来,与电负性基团相连(醚键),向低场位移。

或者。。。。查红外光谱,看官能团的峰位。这时候就体现出红外的作用了。

三、其他讨论

  1. Chemdraw是有机分析中常用的一款软件,有化学结构的核磁谱图预测功能,可以协同来分析化合物。
  2. MestReNova是专门用来分析核磁数据的软件,下方网址为使用教程。https://wenku.baidu.com/view/d50e7bcb76c66137ef0619c4.html

参考资料

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