氢核的化学位移
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核磁共振氢谱(化学位移)核磁共振氢谱 (PMR或1HNMR)核磁共振技术是20世纪50年代中期开始应用于有机化学领域,并不断发展成为有机物结构分析的最有用的工具之一。
它可以解决有机领域中的以下问题:(1)结构测定或确定,一定条件下可测定构型和构象;(2)化合物的纯度检查;(3)混合物分析,主要信号不重叠时,可测定混合物中各组分的比例;(4)质子交换、单键旋转、环的转化等化学变化速度的测定及动力学研究。
NMR的优点是:能分析物质分子的空间构型;测定时不破坏样品;信息精密准确。
NMR通常与IR并用,与MS、UV及化学分析方法等配合解决有机物的结构问题,还广泛应用于生化、医学、石油、物理化学等方面的分析鉴定及对微观结构的研究。
一、基本概念核磁共振(简称为NMR)是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率(兆赫数量级的射频)的电磁波作用时,在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。
检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。
因此,就本质而言,核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的,属于吸收光谱(波谱)范畴。
根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。
发展1.1946 年斯坦福大学的F. Bloch 和哈佛大学E.M .Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号,由于该重要的科学发现,他们两人共同荣获1952 年诺贝尔物理奖。
NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域,主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。
2.1950 年前后W .G. Proctor等发现处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率,即化学位移。
接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线,即自旋—自旋耦合,这一切开拓了NMR 在化学领域中的应用和发展。
3.20 世纪60 年代,计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广,引起了该领域的革命性进步。
随着NMR 和计算机的理论与技术不断发展并日趋成熟,NMR 无论在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展,具体表现在以下几方面:1)仪器向更高的磁场发展,以获得更高的灵敏度和分辨率,现己有300、400、500、600MHz,甚至1000MHz的超导NMR 谱仪;2)利用各种新的脉冲系列,发展了NMR 的理论和技术,在应用方面作了重要的开拓;3)提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR 测定新技术,在归属复杂分子的谱线方面非常有用。
各种的化学位移值经验计算方法及常见氢核的化学位移化学位移是核磁共振(NMR)技术中常用的参数之一,用于描述分子中的氢原子(或其他核)相对于参考物质(通常是三氯甲烷或二氯苯)的相对化学环境。
化学位移的数值通常以部分百万(ppm,常见的是ppm)表示。
计算化学位移值的经验方法有很多,下面我将介绍几种常见的方法:1. 基于Lewis结构:根据分子的Lewis结构推测氢原子的化学位移。
通常,带有电负性较大的原子和共价键上的卤素原子会导致周围氢原子的化学位移增加。
2.基于电子云环绕:根据分子中的电子云环绕情况预测化学位移。
共振的π电子云通常会导致化学位移减小,而孤对电子通常会导致化学位移增加。
3.基于环境效应:根据分子中邻近原子的类型和相对位置推测氢原子的化学位移。
例如,与电负性较大的原子相邻的氢原子通常具有较大的化学位移。
4.基于结构类似性:通过与已知结构类似的分子比较,推测分子中氢原子的化学位移。
这种方法通常适用于分子结构较为相似的情况。
常见氢核的化学位移值如下:1. 烷基氢(CH₂)的化学位移范围通常在0.8 ppm到2.5 ppm之间。
2. 烯基氢(CH)的化学位移范围通常在4.5 ppm到6.5 ppm之间。
3. 苯环上的氢原子(CH)的化学位移范围通常在7.0 ppm到8.5ppm之间。
4. 醇基氢(OH)的化学位移范围通常在1.5 ppm到5.0 ppm之间。
5. 胺基氢(NH)的化学位移范围通常在1.5 ppm到3.5 ppm之间。
化学位移是核磁共振技术中一个重要的参数,可以为化学结构和分子环境提供有用的信息。
通过了解各种氢核的化学位移值范围及其计算方法,可以更好地应用核磁共振技术进行分子结构和化学分析。
化学位移计算公式化学位移是描述化学反应中原子相对于其他原子的位置变化的参数,常用于研究化学反应的速率和反应机理。
在化学反应中,位移可以通过观察分子中化学键的变化来确定。
化学位移的计算公式可以根据化学反应的类型和分子的结构来确定。
以下是几种常见的化学位移计算公式的详细介绍。
1.氢核磁共振(NMR)化学位移氢核磁共振(NMR)是一种广泛应用于化学和生物化学研究的技术。
在氢核磁共振谱中,化学位移通常用化学位移差(δ)的形式表示,单位为ppm(parts per million)。
计算公式如下:δ=(v-v0)/νr其中,δ为化学位移差,v为峰的共振频率,v0为参考化合物(通常是四甲基硅烷,TMS)的共振频率,νr为仪器的扫描频率。
2. 紫外可见(UV-Vis)吸收光谱化学位移紫外可见吸收光谱是一种研究物质吸收特性的方法。
在UV-Vis吸收光谱中,化学位移通常用峰的位置(λ)的变化表示,单位为纳米(nm)。
计算公式如下:λ=λ0-Δλ其中,λ为吸收峰的位置,λ0为参考化合物的吸收峰位置,Δλ为λ相对于λ0的偏移量。
3.红外光谱化学位移红外光谱是一种用于研究化学物质中的键的震动和振动状态的方法。
在红外光谱中,化学位移通常用波数(ν)的变化表示,单位为cm-1、计算公式如下:ν=ν0±Δν其中,ν为吸收峰的波数,ν0为参考化合物的波数,Δν为ν相对于ν0的偏移量。
正负号表示吸收或发射光谱。
以上是几种常见的化学位移计算公式,不同类型的化学反应需要使用不同的公式来计算化学位移。
化学位移的计算可以提供关于化学反应机制和反应速率的重要信息,对于理解和设计化学反应具有重要意义。
各种的化学位移值经验计算方法及常见氢核的化学位移化学位移是一种用来描述核磁共振谱中化学环境对核磁共振信号位置的影响的物理量。
它通常由质子或碳-13核的共振频率与参考化合物的共振频率之差表示。
在核磁共振光谱中,化学位移值常用以表示分子内部不同环境对核磁共振信号的影响程度。
不同的原子在不同的化学环境中的化学位移值是不同的,可以通过实验测定或计算方法来获得。
一、实验测定方法:1.经验计算法:根据化学位移-结构关系的经验规律,通过对已知化合物的化学位移进行理论计算,用于预测未知化合物的化学位移。
经验计算方法主要包括加和法、平均法和功能群法,其中最常用的就是加和法和平均法。
-加和法:通过将各个官能团的官能团位移值进行加和,即将各个官能团的贡献值相加得到整个化合物的化学位移值。
-平均法:通过将一个官能团上的官能团位移值与相同官能团的其他分子的官能团位移值进行比较,取平均值得到该官能团的化学位移值。
2.核磁共振实验:通过实验测定未知化合物的核磁共振光谱,确定化学位移值。
-高分辨率核磁共振光谱:使用高分辨率核磁共振仪器对未知化合物进行测定,根据峰的位置与标准物质的峰位置进行对比,计算得到化学位移值。
-核磁共振差谱:通过对比两个样品的核磁共振光谱,找出两个样品之间差异的峰信号,通过对差谱的质子峰进行解析,可以得到未知化合物中质子的化学位移值。
二、常见氢核的化学位移:1. 甲基(-CH3):通常位于0.8-1.2 ppm之间。
2. 亚甲基(-CH2-):通常位于1.2-2.0 ppm之间。
3. 亚甲(-CH):通常位于2.0-2.5 ppm之间。
4. 醇羟基(-OH):通常位于2.5-4.0 ppm之间。
5. 脂肪酸(-CH2-COOH):通常位于2.5-3.5 ppm之间。
6. 脂肪醛(-CHO):通常位于9-10 ppm之间。
7. 芳香骨架上的氢(Ar-H):通常位于6.5-8.5 ppm之间。
8. 酮羰基(C=O)附近的氢:通常位于2-3 ppm之间。
2.1核磁共振氢谱中的几个重要参数1、化学位移(1)影响化学位移的主要因素:a.诱导效应。
电负性取代基降低氢核外电子云密度,其共振吸收向低场位移,δ值增大,如CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I CH4TMSδ(ppm) 4.06 3.40 3.05 2.68 2.16 0.23 0X电负性 4.0 3.5 3.0 2.8 2.5 2.1 1.6对于X-CH<YZ型化合物,X、Y、Z基对>CH-δ值的影响具有加合性,可用shoolery公式估算,式中0.23为CH4的δ,Ci值见下表。
例如:BrCH2Cl(括号内为实测值)δ=0.23+2.33+2.53=5.09ppm(5.16ppm)利用此公式,计算值与实测值误差通常小于0.6ppm,但有时可达1pmm。
值得注意的是,诱导效应是通过成键电子传递的,随着与电负性取代基距离的增大,诱导效应的影响逐渐减弱,通常相隔3个碳以上的影响可以忽略不计。
例如:b.磁各向异性效应。
上面所述的质子周围的电子云密度,能阐明大多数有机化合物的化学位移值。
但是还存在用这一因素不能解释的事实:如纯液态下的乙炔质子与乙烯质子相比,前者在高场共振;相反苯的质子又在低场下发生共振。
这些现象可用磁各向异性效应解释。
当分子中某些基团的电子云排布不是球形对称时,即磁各向异性时,它对邻近的H核就附加一个各向异性磁场,使某些位置上核受屏蔽,而另一些位置上的核受去屏蔽,这一现象称为各向异性效应。
在氢谱中,这种邻近基团的磁各向异性的影响十分重要。
现举例说明一下:叁键的磁各向异性效应:如乙炔分子呈直线型,叁键轴向的周围电子云是对称分布的。
乙炔质子处于屏蔽区,使质子的δ值向高场移动。
双键:π电子云分布于成键平面的上、下方,平面内为去屏蔽区。
与SP杂2化碳相连的氢位于成键的平面内(处于去屏蔽区),较炔氢低场位移。
乙烯:5.25ppm;醛氢:9-10ppm。
化学键的各向异性还可由下述化合物(1)至(4)看出:化合物(1)、(3)中的标记氢分别处于双键和苯环的屏蔽区,而化合物(2)、(4)中相应的氢分别处于双键和苯环的去屏蔽区,δ值增大。
氢键核磁化学位移的影响
氢键是一种重要的分子间相互作用力,可以在生物分子中起到关键作用。
而核磁共振技术可以用来研究分子结构和相互作用。
在氢键中,氢原子与另一个原子(通常是氮、氧或氟)之间发生相互作用,导致氢原子的核磁化学位移发生变化。
这种变化可以通过核磁共振技术进行测量。
氢键的强度和几何结构都会影响氢原子的核磁化学位移,因此这种技术可以用来研究氢键的性质和影响。
例如,氢键的强度和方向可以影响蛋白质中氨基酸侧链的核磁化学位移,进而影响蛋白质的折叠和功能。
因此,研究氢键对核磁化学位移的影响可以帮助我们更好地理解生物分子的结构和功能。
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常见氢核化学位移氢核化学位移是核磁共振(NMR)技术中的一个重要参数,用于描述氢原子在分子中的化学环境。
通过测量氢核化学位移,可以获得关于化学结构、化学键环境等信息,对于化学物质的结构鉴定和分子间相互作用的研究具有重要意义。
氢核化学位移的定义是相对于参考化合物(通常是TMS,四甲基硅烷)的化学位移差值。
由于TMS分子中的氢原子与外部磁场的相互作用非常弱,其化学位移被定义为零。
而其他化合物中的氢原子由于与周围原子的电子云相互作用不同,其化学位移会发生偏移,即产生化学位移差值。
氢核化学位移的数值通常用单位ppm表示,即化学位移与参考化合物(TMS)化学位移的比值乘以百万。
氢核化学位移的数值与分子中的化学环境有关,对于不同的化学环境,氢核化学位移的数值会有所不同。
常见的氢核化学位移包括α位移、β位移和γ位移。
α位移通常出现在烷基或芳香环上,其数值较小,一般在0-4 ppm之间。
β位移通常出现在烯烃或炔烃上,其数值较大,一般在4-8 ppm之间。
γ位移通常出现在酮、醛等官能团上,其数值较大,一般在8-10 ppm之间。
当然,具体的数值还受到分子中其他官能团和结构的影响。
除了上述常见的氢核化学位移外,还存在一些特殊的化学位移现象。
例如,芳香化合物中的氢原子由于芳香环电子云的共振效应,其化学位移较低,一般在6-9 ppm之间。
另外,氢键形成时,氢原子的化学位移也会发生变化,一般在1-5 ppm之间。
氢核化学位移的测量可以通过核磁共振仪器进行。
核磁共振技术利用原子核的自旋和磁矩来研究物质的结构和性质。
在核磁共振谱图中,氢核化学位移表现为峰的位置和强度。
通过分析峰的位置和峰的强度,可以确定氢核化学位移的数值,并进一步推断分子的结构和化学环境。
氢核化学位移是核磁共振技术中的一个重要参数,用于描述氢原子在分子中的化学环境。
通过测量氢核化学位移,可以获得有关化学结构和分子间相互作用的信息,对于化学物质的结构鉴定和分子间相互作用的研究具有重要意义。
氢核的化学位移
13.5.3.1电子屏蔽效应在外磁场B0中,氢核外围电子在与外磁场垂
直的平面上绕核旋转时,将产生一个与外磁场相对抗的感生磁场,其结果对于氢核来说,相当于产生了一种削弱外磁场的屏蔽,13-39所示。
这种现象叫作电子屏蔽效应。
感生磁场的大小与外磁场的强度成正比,用σB0表示。
其中σ叫作屏蔽常数,它反映了屏蔽效应的大小,其数值取决于氢核周围电子云密度的大小,而电子云密度的大小又和氢核的化学环境,即与之相邻的原子或原子团的亲电能力、化学键的类型等因素有关。
氢核外围电子云密度越大,σ就越大,σB0也越大,氢核实际感触到的有效磁场Beff就越弱,即有图13-39 氢核的电子屏蔽效应 Beff=B0-σB0=(1-σ)B0 假如考虑屏蔽效应的影响,欲实现核磁共振,则有所以实现核磁共振的条件应为:通常采纳固定射频v,并缓慢转变外磁场B0强度的办法来满足上式。
此时v、γ均为常数,所以产生共振汲取的场强B0的大小仅仅取决于,的大小。
化合物中各种类型氢核的化学环境不同,核外电子云密度就不同,屏蔽常数σ也将不同,在同一频率v的照耀下,引起共振所需要的外磁场强度也是不同的。
这样一来,不同化学环境中氢核的共振汲取峰将浮现在NMR波谱的不
同磁场强度的位置上。
如上所述,当用同一射频照耀样品时,样品分子中处于不同化学环境的同种原子的磁性核所产生的共振峰将浮现在
不同磁场强度的区域,这种共振峰位置的差异叫作化学位移。
在实际工作中,要精确测定磁场强度比较棘手,因此常将待测磁性核共振峰
所在的场强Bs和某标准物质磁性核共振峰所在的场强Br举行比较,
用这个相对距离表示化学位移,并用δ代表:因为磁场强度与射频
频率成正比,而测定和表示磁性核的汲取频率比较便利,故有在NMR 中,射频普通固定,如240 MHz, 600 MHz等,样品和标准氢核的汲取频率虽然有差异,但都在射频频率v 附近变幻,相差仅约万分之一。
为了使δ的数值易于读写,可改写为: 13.5.3.2影响氢核化学位移的因素影响化学位移的因素无数,主要有诱导效应、磁各向异性效应、
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