波谱分析-本科(5)精美
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第四章核磁共振波谱(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR) 1946年发现核磁共振,1952年获诺贝尔物理学奖,1950年发现化学位移,1991年获诺贝尔化学奖。
4.1 核磁共振的基本原理4.1.1 原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子,其自旋运动将产生磁矩只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩→核磁共振。
具有自旋运动的原子核都具有一定的自旋量子数(I),I=n×1/2, n=0,1,2,3… (取整数)(1)I=0:核电荷数和核质量数均为偶数的原子核没有自旋现象,如12C,16O,28S等,没有自旋现象,也没有磁矩(2)I=1/2:核电荷数为奇数或偶数,核质量数为奇数,如1H、13C、15N、19F、31P等(I=1/2),这类原子核具有自旋现象。
(3)I为整数的原子核:核电荷数为奇数,核质量数为偶数,如2H、14N也有自旋现象I≠0的原子核都有自旋现象,其自旋角动量P的大小与I有关不同类型的核具有不同的磁矩μ,其大小与自旋角动量P和磁旋比γ有关μ=γP磁旋比是原子核的特征常数,不同类型的核其磁旋比不同。
I=1/2的原子核,其核磁共振谱线较窄,最适合于核磁共振检测I>1/2的原子核,其核磁共振的信号很复杂有机化合物的基本元素1H、13C、15N、19F、31P等(I=1/2),广泛用于有机化合物的结构测定4.1.2 自旋核在磁场中的取向和能级具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的,用磁量子数m表示核自旋不同的空间取向,其数值可取:m=I, I-1, I-2,…, -I, 共有2I+1个取向。
例如,1H核,I=1/2,则有m=1/2和-1/2两种取向,分别代表低能态和高能态。
根据电磁理论,磁矩μ在外磁场中与磁场的作用能E为E=-μB oBo为磁场强度。
可见,外加磁场越强,高低能态的能级差越大。
4.1.3 核的回旋和核磁共振在磁场B o中,核会自旋,同时绕外磁场的方向进行回旋,这种运动称为Larmor进动。
波谱解析|5引言有机化学领域,除了做实验(前期文献检索、开始条件优化和中期底物拓展、后期特例或应用等),更多的时间应该是花费在结构表征、谱图解析之中因此,练就一双慧眼+一副好头脑,高效、准确地完成谱图解析,将极大地辅助提高自己的科研能力为此,小编增设波谱解析板块,希望大家“学而时习之,不亦乐乎”“温故而知新,可以为师矣”好了,下面,波谱解析,开讲啦!分子简式:C4H8O请根据分子简式和化合物对应的谱图信息,解析该化合物的结构氢谱:碳谱:COSY谱:解析分子简式第一步,根据分子简式,通过已经掌握的方法计算有机化合物不饱和度:计算出该化合物的不饱和度为:1。
根据分子简式,推测该化合物含有一个双键(C=C or C=O)或环结构氢谱氢谱给出化合物中所含氢在核磁共振谱中的裂分与位移等情况,通过对这些峰进行解析,可以推测化合物中氢的数目、比例、分布情况等信息该氢谱可以获得信息为:从左到右共有3组吸收峰,积分比例为2:3:3,对应8个氢可以推测三组峰分别对应结构为亚甲基、两个甲基,并且四重峰亚甲基和三重峰甲基连接在一起,为一乙基结构;单峰甲基可能与羰基碳相连综上可以推测得到该化合物的结构式为:碳谱碳谱给出化合物中所含碳在核磁共振谱中的位移等情况,通过对这些峰进行解析,可以推测化合物中碳的数目、种类、分布情况等信息根据77 ppm的多重峰,确认该谱图是使用氘代氯仿进行打谱碳谱上吸收峰有4个,而分子简式为C4H8O,所有碳都有对应吸收峰210 ppm范围吸收峰,对应羰基碳0-40 ppm附近的三个吸收峰对应三个烷基碳这些信息也和上述解析结构对应COSY谱这是该化合物的H-H相关谱,可以得知三键相连氢的关系从该谱图中可知,和一维氢谱所预测的一样,2.2 ppm的四重峰,对应亚甲基,0.8 ppm的三重峰对应甲基,而且,这两个基团根据该谱图,可以确证这是一个乙基结构另外,另外一个单吸收峰,对应为甲基,该甲基氢只和自身有相关关系,故其为一个独立结构这些结构特征,与上述解析得到的化合物结构完全可以对应上因此,进一步确证了所解析化合物为甲基乙基酮:波谱解析|学而之一波谱解析|学而之二波谱解析|学而之三波谱解析|学而之4化解 chem,一起全合成。
(一)紫外光谱解析UV应用时顾及吸收带的位置,强度和形状三个方面。
从吸收带(K带)位置可估计产生该吸收共轭体系的大小;从吸收带的强度有助于K带,B带和R带的识别;从吸收带的形状可帮助判断产生紫外吸收的基团,如某些芳香化合物,在峰形上可显示一定程度的精细结构。
一般紫外吸收光谱都比较简单,大多数化合物只有一、两个吸收带,因此解析较为容易。
可粗略归纳为以下几点:①如果化合物在220~800nm区间无吸收,表明该化合物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物。
②如果在220~250nm间显示强吸收(ε近10000或更大),表明有R带吸收,即分子结构存在共轭双烯或α,β—不饱和醛、酮。
③如果在250~290nm间显示中等强度(ε为200~1000)的吸收带,且常显示不同程度精细结构,表明结构中有苯环或某些杂芳环的存在。
④如果在290nm附近有弱吸收带(ε<100),则表明分子结构中非共轭羰基。
⑤如果在300nm上有***度吸收,说明该化合物有较大的共轭体系;若***度吸收具有明显的精细结构,说明为稠环芳、稠环杂芳烃或其衍生物。
(二)红外光谱1. 解析红外光谱的三要素(位置、强度和峰形)在解析红外光谱时,要同时注意红外吸收峰的位置,强度和峰形。
吸收位置是红外吸收最重要的特点,但在鉴定化合物分子结构时,应将吸收峰的位置辅以吸收峰强度和峰形综合分析。
每种有机化合物均显示若干吸收峰,对大量红外图谱中各吸收峰强度相互比较,归纳出各种官能团红外吸收强度的变化范围。
只有熟悉各官能团红外吸收的位置和强度处于一定范围时,才能准确推断出官能团的存在2 .确定官能团的方法对于任何有机化合物的红外光谱,均存在红外吸收的伸缩振动和多种弯曲振动。
因此,每一个化合物的官能团的红外光谱图在不同区域显示一组相关吸收峰。
只有当几处相关吸收峰得到确认时,才能确定该官能团的存在。
例1. 甲基(CH3):2960cm-1和2870cm-1为伸缩振动,1460cm-1和1380cm-1为其弯曲振动。