核磁基本常识

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资源描述

核磁中常用术语:屏蔽常数σ(shieldingconstant)反映核外电子对核的屏蔽作用的大小,也就是反映了核所处的化学环境。对于同一种同位素的原子核来说,由于核所处的化学环境不同,其共振频率亦会稍有变化,这是因为核外电子对原子核有一定的屏蔽作用,实际作用于原子核的磁感强度不是B0而是B0(1-σ)。σ=(σd+σp+σa+σs)σd(diamagnetic)反映抗磁屏蔽的大小。σp(paramagnetic)反映顺磁屏蔽的大小。σa表示相邻基团磁各向异性(anisotropic)。σs表示溶剂、介质的影响。对所有的同位素,σd、σp的作用大于σa和σs。对于1H,只有σd,但对1H以外的所有同位素,σp比σd重要的多。化学位移δ某种同位素原子核因处于不同的化学环境(不同的官能团),核磁共振谱线位置是不同的。核磁谱图的横坐标从左到右的方向表示磁感强度增强的方向。此方向也是频率减小的方向。因为σ总是远远小于1的,所以峰的位置不便精确测定,故在试验中采用某一标准物质作为基准,以基准物质的谱图位置作为核磁谱图的坐标原点。不同官能团的原子核谱峰位置相对于远点的距离,反映了它们所处的化学环境,故称为化学位移(chemicalshift)δ。δ=𝐯样品−𝐯标准𝐯标准*106(v表示共振频率)δ表示的是距原点的相对距离。单位是ppm(百万分之一),无量纲单位。或者δ=𝐁标准−𝐁样品𝐁标准*106(B表示磁感强度)四甲基硅烷TMS(tetramethylsilane)最常用作测量化学位移的基准。因为TMS只有一个峰(四个甲基对称分布)。甲基氢核的核外电子及甲基碳核的核外电子的屏蔽作用都很强,无论氢谱或碳谱,一般化合物的峰大都出现在TMS峰的左边,按“左正右负”的规定,一般化合物的各个基团的δ均为正值;TMS沸点仅为27℃,很容易从样品中除去,便于样品回收。TMS与样品间不会发生分子缔合。在氢谱、碳谱中都规定δTMS=0。δ是一个相对值,它与所应用的磁感强度无关。用不同磁感强度的仪器(也就是用不同的电磁波频率的仪器)所测定的δ数值均相同。不同的同位素因σ变化幅度不等,δ变化的幅度也不同,如1H的δ小于20ppm,13C的δ可达600ppm,195Pt的δ可达13000ppm。若推广到一般情况,与所讨论的核相偶合的核有n个(其耦合作用均相同),自旋-自旋耦合产生的谱线分裂数为n+1,这称为n+1规律。氢谱:氢谱横坐标为化学位移δ,δ=0处的峰是TMS的谱峰。横坐标从左到右代表磁场增强,也是δ减小的方向。纵坐标代表谱峰的强度。图谱上方呈若干水平阶梯状的曲线是积分曲线,相邻二水平阶梯间的高度代表其下方所对应的峰面积。氢谱提供重要的结构信息:化学位移、耦合常数、峰的裂分情况、峰面积。峰面积能定量的反映氢核的信息。在核磁氢谱中,氢的峰面积与氢的数目成正比。国际理论与应用化学协会(IUPAC)氢谱中影响化学位移的因素:1、取代基电负性由于诱导效应,取代基电负性越强,与取代基连结于同一碳原子上的氢的共振峰越移向低场,反之亦然。以甲基的衍生物为例:化合物:CH3FCH3OCH3CH3ClCH3ICH3CH3Si(CH3)4CH3Liδ(ppm):4.263.243.052.160.880-1.95常见有机官能团的电负性均大于氢原子的电负性,因此δCH2比相应的δCH3更大,而相应的δCH则更大。2、相连碳原子的s-p杂化(hybridization)与氢相连的碳原子从sp3(碳碳单键)到sp2(碳碳双键),s电子的成分从25%增加至33%,键电子更靠近碳原子,因而对相连的氢原子有去屏蔽作用,即共振位置移向低场。至于炔氢谱峰相对烯氢处于较高场,芳环氢谱峰相对于烯氢处于较低场,则因另有较重要的影响因素所致。3、环状共轭体系的环电流效应乙烯的δ值为5.23ppm,苯的δ值为7.3ppm,而他们的碳原子都是sp2杂化,这是因为存在着环电流效应。4、相邻键的磁各向异性(magneticanisotropy)5、相邻基团电偶极和范德华力的影响6、介质的影响当用氘代氯仿做溶剂时,有时加入少量氘代苯,利用苯的磁各向异性,可使原来相互重叠的峰组分开,这是一项有用的实验技术。通过滴加不同量的氘代苯,测定各基团δ值的变化,可以得出有关分子结构信息。由于介质的不同会引起δ值的改变,因此核磁共振的数据或谱图必须注明所以溶剂。7、氢键无论分子内还是分子间氢键的形成都使氢受到去屏蔽作用,羧酸强氢键的形成使羧酸氢的δ值常超过10ppm。由于氢键对化学位移的影响较大,羟基、氨基等基团的δ值可以在一个较大的范围内变化,其数值与样品的浓度、温度相关。

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