影响化学位移的因素共20页文档
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主讲教师:胡高飞 7.4 影响化学位移的因素(2)三、氢键对δ的影响Hydrogen Bonding Deshields Protons分子形成氢键后,氢核周围的电子云密度降低,产生去屏蔽效应,化学位移移向低场, δ增大。
分子内氢键:O O O HC H 3•在水杨酸甲酯中,由于强的分子内氢键作用,NMR 吸收信号中 O-H 约为 14 ppm ,处于非常低场。
•注意形成了一个新的六元环分子间氢键:化学位移取决于形成了多少氢键 醇的化学位移可以在0.5 ppm (自由OH )至约5.0ppm (形成大量氢键)间变化氢键拉长了O-H 化学键并 降低了质子周围的价电子密度 - 去屏蔽效应导致NMR 谱中化学位移移向低场OH R O R H HO R(a)10kg/L ,(b) 5kg/L ,(c) 0.5kg/L ,乙醇溶剂CCl4,T =40℃OCO R H H C O O R •羧酸具有强的氢键 – 形成了二聚体 •对于羧酸 O-H 吸收在NMR 谱中化学位移位于10 ~ 12 ppm ,一般处于最低场四、H核交换对δ的影响化合物的质子分为可交换氢和不可交换氢与 N、O、S等原子连接的氢称为可交换氢,又称活泼氢与C、Si、P等原子连接的氢称为不可交换氢CH3COOH a+H b OH b CH3COOH b+H a OH bδ观察=N aδa+N bδbN-摩尔分数δa、δb-分别为H a与H b纯品的化学位移值四、H核交换对δ的影响活泼氢:R-OH δ=0.5-5.5Ar-OH δ=4.0-7.7RCOOH δ=10.0-13.0R-NH2δ=5.0-8.0Ar-NH2δ=3.5-6.0R-CO-NH2δ=5.0-8.5R-SH δ=1.0-2.0Ar-SH δ=2.8-3.6五、溶剂对δ的影响采用不同的溶剂,化学位移也会发生变化,强极性溶剂的作用更加明显。
溶质与溶剂间相互作用(如形成氢键)。
影响化学位移的因素
1.温度:温度是一个重要的因素,它影响了反应速率和化学位移。
温
度的升高可以增加反应速率,并促使化学位移发生。
2.压力:压力也可以影响化学反应的速率和化学位移。
增加压力可以
促使反应向高位移的方向进行,而减少压力则使反应朝低位移的方向进行。
3.浓度:反应物的浓度可能会影响反应速率和化学位移。
增加反应物
的浓度可以加快反应速率,并可能导致更高的化学位移。
4.催化剂:催化剂是一种可以增加反应速率而不参与反应的物质。
催
化剂可以通过改变反应的路径或减少反应物之间的能量差异来影响化学位移。
5.光照:光照可以引起许多化学反应,并且可以改变化学位移。
一些
反应在光照下会更快或更慢发生,并且可能会导致不同的化学位移。
6.物理性质:物理性质,例如溶剂的性质、溶液的颜色、密度等的改变,可以影响化学反应和化学位移。
7.原子结构:原子结构可以通过原子间的连接和键长来确定反应的进
行和化学位移的方向。
8.核外电子:化学位移可以受到核外电子的影响。
核外电子的数量和
运动方式可能会改变反应速率和化学位移。
此外,还有其他一些因素可以影响化学位移,例如反应物的尺寸、表
面积、电场和磁场等。
化学位移是一个复杂的过程,需要综合考虑多种因
素来理解。
无论哪个因素,都可以对化学位移产生重要的影响,并决定反
应的进行和观察到的化学变化。
1.化学位移:吸收峰所在的相对不同位置.在照射频率确定时,都是H 核,所以吸收峰的位置应该是相同的,而实际不是这样.(1).化学位移的由来——屏蔽效应化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。
υμβυ0H IhE h =∆=H 核在分子中是被价电子所包围的。
因此,在外加磁场的同时,还有核外电子绕核旋转产生感应磁场H ’。
如果感应磁场与外加磁场方向相反,则H 核的实际感受到的磁场强度为:)1('H 0000σσ-=-=-=H H H H H 实式中:σ为屏蔽常数核外电子对H 核产生的这种作用,称为屏蔽效应(如果产生磁场与外加磁场同向,称之为去屏蔽效应)。
显然,核外电子云密度越大,屏蔽效应越强,要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度,共振信号将移向高场区;,共振信号将移向低场区。
H0低场高场屏蔽效应,共振信号移向高场屏蔽效应,共振信号移向低场去(2).化学位移的表示方法化学位移的差别约为百万分之十,精确测量十分困难,现采用相对数值。
以四甲基硅(TMS )为标准物质,规定:它的化学位移为零,然后,根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。
6010⨯-=νννTMS 试样化学位移试样的共振频率标准物质TMS 的共振频率感生磁场H'非常小,只有外加磁场的百万分之几,为方便起见,故×106仪器频率为什么选用TMS (四甲基硅烷)作为标准物质?(1)屏蔽效应强,共振信号在高场区(δ值规定为0),绝大多数吸收峰均出现在它的左边。
(2)结构对称,是一个单峰。
(3)容易回收(b.p 低),与样品不反应、不缔合。
SiCH 3CH 3H 3C CH 3分子结构因素(质子的化学环境)外部因素(测试条件)影响化学位移的因素诱导效应共轭效应化学键各向异性效应范德华效应分子内氢键效应溶剂效应分子间氢键效应影响化学位移的因素:(3).影响化学位移(电子云密度)的因素:1.取代基电负性:元素的电负性↑,通过诱导效应,使H核的核外电子云密度↓,屏蔽效应↓,共振信号→低场。
影响化学位移的因素1. 诱导效应X 不同化学位移与-X的电负性CH3化合物CH3X CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I 电负性(X) 4.0(F) 3.5(O) 3.1(Cl) 2.8(Br) 2.5(I)δ(ppm) 4.26 3.40 3.05 2.68 2.16 X↑, δ↑:X↑, 电子云密度↓, 屏蔽效应↓,共振在较低磁场发生, δ↑拉电子基团越多, 这种影响越大CH2Cl HCHCl2HCCl3H δ=3.05δ=5.30δ=7.27基团距离越远,受到的影响越小CH 2CH 3CH 2Br 1.25 1.69 3.30αβγδ2. 各向异性(1) 芳环的各向异性δ 7.3感应磁场: 与外磁场方向在环内相反(抗磁的),在环外相同(顺磁的)对环吩(2) 双键化合物的各向异性乙烷质子 0.96乙烯质子 5.841) 烯碳sp2杂化, C-H键电子更靠近碳,对质子的屏蔽↓*2) 产生感应磁场,质子恰好在去屏蔽区(3) 三键化合物的各向异性1)炔碳为sp杂化,相对sp2和sp3杂化的C-H键电子更靠近碳,使质子周围的电子云密度减少,质子共振吸收向低场移动* 2)炔碳质子处在屏蔽区,炔氢共振应出现在较高的磁场强度区炔质子的化学位移值为2.883. 氢键的影响氢键的形成可以削弱对氢键质子的屏蔽,使共振吸收移向低场醇羟基 0.5~5酚 4~7胺 0.5~5羧酸 10~13二聚体形式(双分子的氢键)分子内氢键同样可以影响质子的共振吸收β-二酮的烯醇式可以形成分子内氢键该羟基质子的化学位移δ为11~164.3.3 化学等价与磁等价1. 化学等价化学等价又称为化学位移等价。
若分子中两个相同原子(或基团)处于相同的化学环境时,则称它们是化学等价的一般说来,若两个相同基团可通过二次旋转轴互换,则它们无论在何种溶剂中均是化学等价的。
若两个相同基团是通过对称面互换的。
则它们在非手性溶剂中是化学等价的,而在手性溶剂中则不是化学等价的。
氢谱中影响化学位移的因素1. 取代基电负性越强,δ越移向低场表3-5 与CH3连接基团(X)的电负性对其质子化学位移的影响化合物CH3X CH3F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I CH4(CH3)4Si 元素X F O Cl Br I H SiX的电负性 4.0 3.5 3.1 2.8 2.5 2.1 1.8化学位移δ 4.26 3.40 3.05 2.68 2.16 0.23 0τ 5.74 6.60 6.95 7.32 7.84 9.77 10图3-18 取代基电负性对质子化学位移的影响表3-6 取代效应CHCl3CH2Cl2CH3Cl -CH2Br -CH2-CH2Br -CH2-CH2CH2Br δ7.27 5.30 3.05 3.30 1.69 1.25τ 2.73 4.70 6.95 6.70 8.31 8.75多取代效应强于单取代取代效应随着键距的延长而急剧降低去屏蔽效应(deshield)2. 相连碳原子的sp杂化轨道的s成分越多,δ越移向低场“sp3”质子0-2δ321C CCCH C CHCH C CHHHHH0 δ12脂肪族o o o张力环>>>“sp 2”质子 4.5-7δ“sp ”质子 2-3δ3. 酸性质子 10-12δR C OO HRC OO H作用和O 电负性拉电子效应的双重影响氢键的影响和可交换质子 能够形成氢键的质子(-OH ,-NH2)化学位移可变表3-7 可变化学位移的质子Acids RCOOH 10.5-12.0δ Phenols ArOH 4.0-7.0 Alcohols ROH 0.5-5.0 Amines RNH 2 0.5-5.0 Amides RCONH 2 5.0-8.0 EnolsCH=CH-OH≥15形成氢键的数目越多,质子的去屏蔽效应越强 氢键数目通常是浓度和温度的函数R OOHO R O H δδδ游离羟基(稀溶液)0.5-1.0δ 形成氢键(浓溶液)4-5δ可交换质子(活泼氢)H H R O H a+R'O H b R O H b+R'O H aR O +R O H+H SOLVSOLVR O +SOLV SOLVR O+3. 共轭效应sp 2-1s C-H 键,C 原子具有更多的s 特征,s 轨道的吸电子能力大于p 轨道C H 4.03C H H OCH 33.886.27C C HHC HO CH 35.90OH H6.73C HO H7.81p-π共轭,邻位H 的电子密度增加(正屏蔽),δ值减少π-π共轭,邻位H 的电子密度减少(去屏蔽),δ值增加CH 2H 2CH 2C H 2C H 2CH 2CCH 2CH 2CH 2H 2C2.631.551.080.700.515. 相邻基团电偶极矩和范德华力的影响 当分子内有强极性基团时,它在分子内产生电场,影响分子内其余部分的电子云密度,从而影响其它核的屏蔽常数。