【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 或不飽和鍵 由 3100 cm1 和 1650~1500cm1 (多峰 ) 進(jìn)一步確證有： 3100 cm1 ν =CH 1650~1500cm1（多峰） ν C=C 770和 700 cm1 苯環(huán)上 δ CH 說(shuō)明苯是單取代 890 cm1 雙鍵上 δ CH 說(shuō)明雙鍵上是同碳二取代 C=C骨架振動(dòng) C C H 2C H 3 167。 83 1H核磁共振譜 (Nuclear Magic Resonance, NMR) 核磁共振技術(shù)創(chuàng)始于 1946年，可直接給出樣品中 H原子的各種化學(xué)狀態(tài)的定量數(shù)據(jù)，且不需要純物質(zhì)的校正。作為定性分析，往往可用混合樣品進(jìn)行，不必事先分離提純， 只要待測(cè)化合物的特征吸收峰與共存雜質(zhì)的吸收峰不互相重疊即可 。另外，同紅外吸收光譜一樣，測(cè)定時(shí)不破壞樣品。但由于靈敏度的限制，目前仍不適于痕量分析。 相關(guān)基礎(chǔ) ? 原子 =原子核 +電子。原子核 =質(zhì)子 +中子。 ? 質(zhì)子數(shù) ：原子中所含質(zhì)子的數(shù)量。 ? 質(zhì)量數(shù) ：原子中質(zhì)子和中子的數(shù)量之和。 ? 質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電，所以 原子核所帶電荷數(shù) =核內(nèi)的質(zhì)子數(shù) 。 ? 電子有自旋，原子核也一樣有自旋 電子的自旋 ? 電子一邊以極高的速度在核外空間運(yùn)動(dòng)之外，一邊做自旋運(yùn)動(dòng)。電子有兩種不同方向的自旋，即 順時(shí)針?lè)较?和 逆時(shí)針?lè)较?的自旋 。 ? 自旋量子數(shù)為 I=1/2的原子核在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生能級(jí)的分裂，分裂成 2種取向， 順磁場(chǎng)方向和逆磁場(chǎng)方向 。 一 、 基本原理簡(jiǎn)介 (p201) 核磁共振主要是由原子核的自旋運(yùn)動(dòng)引起的 ， 不同的原子核 ， 自旋運(yùn)動(dòng)的情況不同 。 它們可以用核的自旋量子數(shù) I 來(lái)描述 。 分為 3種情況 。 (1)自旋量子數(shù) I=0， 屬 非自旋的球體 ， 沒(méi)有磁矩 ， 即 μ(磁矩 )=0， 不產(chǎn)生核磁共振信號(hào) 。 凡質(zhì)量數(shù) A和電荷數(shù) Z均為偶數(shù)的原子核 都屬此類(lèi)， 例如： 12C， 16O， 32S等 。 (2)自旋量子數(shù) I=1/2， 屬 自旋的球體 ， 可當(dāng)作一種電荷均勻分布的球體 ， 并能象陀螺一樣自旋 。 因而具有循環(huán)的電流 ， 從而產(chǎn)生磁場(chǎng) ，μ(磁矩 )≠ 0。 例如： 1H， 13C， 19F， 31P等 ， 常作為 核磁共振實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象 ， 特別是 1H和 13C。本章只討論 1H譜 。 (3)自旋量子數(shù) I＞ 1， 可當(dāng)作一種繞軸自旋的橢圓體 （ 電荷分布不均勻 ） ， μ≠ 0。 例如：2H， 14N， 10B， 11B， 35Cl等 ， 這類(lèi)核的核磁共振信號(hào)較復(fù)雜 。 (1)自旋態(tài)和能級(jí)的分裂 自旋量子數(shù)為 I=1/2的自旋核 ， 在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生能級(jí)的分裂 ， 分裂成 2個(gè)能級(jí)： 低能級(jí) 核與外磁場(chǎng)順向排列 ， 自旋磁量子數(shù) m = +1/2； 高能級(jí) 核與外磁場(chǎng)逆向排列 ， 自旋磁量子數(shù) m = 1/2。 E 無(wú)外磁場(chǎng) 有外磁場(chǎng) 簡(jiǎn)并能態(tài) I=1/2 m = +1/2 m = 1/2 ?E 質(zhì)子兩種自旋態(tài)的能量差與外磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系 (2)回旋 （ 旋進(jìn) ） 自旋陀螺在重力場(chǎng)中的回旋 原子核在外磁場(chǎng)作用下的自旋與陀螺相似。 由于自旋軸與外磁場(chǎng)方向 （ B0） 成一定角度 ， 自旋核就會(huì)受到外磁場(chǎng)的作用 ， 外磁場(chǎng)企圖使它的自旋軸與外磁場(chǎng)方向 B0方向完全平行。 也就是說(shuō)自旋核受到一定的扭力 ， 扭力與自旋軸垂直方向的分量有使這個(gè)夾角度減少的趨勢(shì) 。 但實(shí)際上角度并不減少 ， 而是自旋軸圍繞磁場(chǎng)方向發(fā)生回旋 ， 回旋軸與磁場(chǎng)方向一致或逆向 。 原子核在外磁場(chǎng)中 的運(yùn)動(dòng)情況 (3)核磁共振的條件 ν 回旋 = (γ /2π) B0 γ ：磁旋比，為各種核的特征值。 B0（或 H0 ） 為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。 ν回旋 為回旋進(jìn)動(dòng)頻率。 Δ E = hν 回旋 = (hγ /2π) B0 若射頻振蕩器產(chǎn)生的外加輻射能 Δ E射頻 = hν 射頻 = (hγ /2π) B0 即 ν 射頻 =ν 回旋 = (γ /2π) B0 輻射能被自旋核吸收發(fā)生躍遷 ， 也就是發(fā)生所謂 核磁共振 現(xiàn)象 。 900兆超導(dǎo)核磁共振儀 核磁共振基本原理示意圖 在外磁場(chǎng)的作用下，原子核的能級(jí)分裂成 2個(gè)能級(jí)：正向排列的核能量較低，逆向排列的核能量較高。它們之間的能量差為△ E。一個(gè)核要從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，必須吸收△ E的能量。讓處于外磁場(chǎng)中的自旋核接受一定頻率的 電磁波輻射 ，當(dāng)輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時(shí)，處于低能態(tài)的自旋核吸收 電磁輻射 能躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為核磁共振，簡(jiǎn)稱(chēng) NMR。 若固定磁場(chǎng)強(qiáng)度，可求出共振所需的輻射頻率 ——固定磁場(chǎng)掃頻 。 若固定輻射頻率，可求出共振所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度 ——固定輻射頻率掃場(chǎng) 。 核磁共振儀的兩種操作方式： 核磁共振儀（ 固定輻射頻率掃場(chǎng)）： 將樣品置于強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)，通過(guò)輻射頻率發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的輻射，同時(shí)在掃描線(xiàn)圈通入直流電使總磁場(chǎng)強(qiáng)度稍有增加（掃場(chǎng)）。 根據(jù)： ν射頻 = (γ/2π) B0 調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng) ， 使磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值由小到大掃過(guò)共振 （ 吸收能量 ） 之點(diǎn) 。 當(dāng)外加磁場(chǎng) （ 強(qiáng)度 B0） 掃到某一定值 ， 恰好使 ν 射頻 =ν 回旋=(γ/ 2π) B0值時(shí) ， 能量即被自旋核吸收 （ 自旋轉(zhuǎn)向 ） 。 此時(shí)檢測(cè)器便檢出電流 ， 顯示于所串聯(lián)的電流計(jì)上 。 進(jìn)一步增強(qiáng) B0， 使 (γ/ 2π) B0 明顯大于 ν 射頻 值時(shí) ， 電流計(jì)讀數(shù)就降至原有水平 ， 這就是所謂能量吸收曲線(xiàn) ——核磁共振譜。 二 、 1H NMR譜圖的組成及表示方法 氫譜有 四部分 組成： 化學(xué)位移 ； 一組組的峰 ； 積分曲線(xiàn) （ 或積分值 ） ； 偶合常數(shù) 。 →H0↑， → ? ↓ 2,2二甲基 1丙醇的 1H NMR譜 例利用峰高定 H個(gè)數(shù) 如上圖所示 ， 橫坐標(biāo)是 1H核磁共振吸收峰的位置 ， 用 ?表示 ， ?TMS=0。 縱坐標(biāo)是峰強(qiáng)度 ， 用峰面積表示 。 峰面積大小與質(zhì)子數(shù)成正比 ， 由階梯式積分曲線(xiàn)求出 。 所以積分線(xiàn)高度總和與分子中質(zhì)子總數(shù)成正比 ， 各階梯積分線(xiàn)高度之比等于各組峰所含質(zhì)子數(shù)之比 。 苯丙酮的 1H核磁共振譜 C C H 2 C H 3O 三 、 化學(xué)位移 (p202) (1)不同 1H核的化學(xué)環(huán)境不同 ， 信號(hào)不一樣 化學(xué)環(huán)境是指 1H核的核外電子及與該 1H核鄰近的其它原子核外電子的運(yùn)動(dòng)情況 。 在恒定射頻場(chǎng)中 ， 同種核的共振位置不是一個(gè)定值 ，而是隨核的化學(xué)環(huán)境不同有微小的差別 。 這是因?yàn)橛袡C(jī)分子中的磁性核 （ 氫核 ） 不是裸核 （ 獨(dú)立質(zhì)子 ） ， 有化學(xué)鍵存在 ， 原子核周?chē)加须娮舆\(yùn)動(dòng) ， 在外磁場(chǎng)作用下這些電子可產(chǎn)生誘導(dǎo)電子流 （ 環(huán)形 ）， 從而產(chǎn)生一個(gè)誘導(dǎo)磁場(chǎng) （ 感應(yīng)磁場(chǎng) ） 。 環(huán)境不同的外層電子（ 特別是價(jià)電子 ） 的環(huán)電流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)（ B感應(yīng) ） 的方向 、 大小不同 。 方向與 B0相同 →射頻得到加強(qiáng) ， ν↑ ；反之 ， ν↓ 。 (2)屏蔽效應(yīng) 由于 1H在磁場(chǎng)中實(shí)際受到的磁場(chǎng)是 B 【 B0＋ B感應(yīng) ＝ B0 (1σ )】 ， 不是 B0 。 B＜ B0或 σ＞ 0 ， 信號(hào)出現(xiàn)在高場(chǎng)； B＞ B0或 σ＜ 0， 信號(hào)出現(xiàn)在低場(chǎng) 。 B＜ B0或 σ＞ 0， 此時(shí) 核外層電子環(huán)電流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)抵消了 B0的部分作用 ， 相當(dāng)于屏蔽了外磁場(chǎng)的磁力線(xiàn) 。 σ稱(chēng)為 屏蔽常數(shù) 核外成鍵電子的電子云密度 ↑→ 屏蔽效應(yīng) ↑ 所以產(chǎn)生核磁共振的條件應(yīng)為： ?射 = ?回旋 = ? （ Bo+ B感應(yīng) ） 2? Ho電子環(huán)流 質(zhì)子 感應(yīng)磁場(chǎng) 原子核感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度： BH核感受到的磁場(chǎng) B0 B感生磁場(chǎng) = － 因此，在有屏蔽效應(yīng)時(shí)，要發(fā)生核磁共振就必須使外加磁場(chǎng)強(qiáng)度略有增加以抵消感生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 這樣使氫核受到外加磁場(chǎng)的影響要比實(shí)際外加磁場(chǎng)強(qiáng)度小，這種效應(yīng)叫屏蔽效應(yīng)。 即屏蔽使吸收移向高場(chǎng)。去屏蔽使吸收移向低場(chǎng)。 HoH o39。高磁場(chǎng) 低磁場(chǎng) 有屏蔽 無(wú)屏蔽 分子中其它質(zhì)子或基團(tuán) 的核外電子的屏蔽作用 ——遠(yuǎn)程屏蔽效應(yīng) σ不同 NMR信號(hào)出現(xiàn)在不同的位置 (3)化學(xué)位移