第五章-核磁共振譜(D)課件.ppt
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1、(Nuclear Magnetic Resonance)第五章第五章 核磁共振譜核磁共振譜核磁共振的方法與技術(shù)作為分析物質(zhì)的手段核磁共振的方法與技術(shù)作為分析物質(zhì)的手段,由于其可深入物,由于其可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品,并具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)而,并具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)而得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,從物理學(xué)滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、,從物理學(xué)滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學(xué)科醫(yī)療以及材料等學(xué)科,在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用,在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。核磁共振是核磁共振是1946年由美國斯坦福大學(xué)布洛赫年由美國斯坦福大學(xué)布洛赫(F.B
2、lock)和哈佛大和哈佛大學(xué)珀賽爾學(xué)珀賽爾(E.M.Purcell)各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的,兩人因此獲得各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的,兩人因此獲得1952年年諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾物理學(xué)獎。50多年來,核磁共振已形成為一門有完整理多年來,核磁共振已形成為一門有完整理論的新學(xué)科。論的新學(xué)科。2 不必一定事先分離提純,只要待測化合不必一定事先分離提純,只要待測化合物的特征吸收峰與共存雜質(zhì)的不互相重疊物的特征吸收峰與共存雜質(zhì)的不互相重疊即可。即可。特點(diǎn)特點(diǎn):1 可直接提供樣品中某一特定原子的各種化可直接提供樣品中某一特定原子的各種化學(xué)或物理狀態(tài),并得出各自的定量數(shù)據(jù)。學(xué)或物理狀態(tài),并得出各自的定量數(shù)據(jù)。3 攝制核磁共振譜
3、不破壞樣品。攝制核磁共振譜不破壞樣品。一、核磁共振基本原理一、核磁共振基本原理1、原子核及核的自旋原子核及核的自旋原子原子 原子核原子核電子電子質(zhì)子質(zhì)子 帶正電荷帶正電荷中子中子 不帶電荷不帶電荷核磁共振:原子核在外加磁場的作用下,吸收核磁共振:原子核在外加磁場的作用下,吸收電磁波的能量后,從一個自旋能級躍遷到另一電磁波的能量后,從一個自旋能級躍遷到另一個能級后而產(chǎn)生的波譜。個能級后而產(chǎn)生的波譜。常用:常用:原子量原子量 X表示各種原子,表示各種原子,如如(1H、12C)有些原子核有自旋現(xiàn)象(繞自身的軸旋轉(zhuǎn)),常有些原子核有自旋現(xiàn)象(繞自身的軸旋轉(zhuǎn)),常用自旋量子數(shù)用自旋量子數(shù) I 表征。表征
4、。磁核:磁核:某些某些I0的核的自旋可產(chǎn)的核的自旋可產(chǎn)生一個小磁場,形成生一個小磁場,形成磁矩磁矩,這,這種核有磁性,稱為磁核。種核有磁性,稱為磁核。質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)原子序原子序數(shù)數(shù)自旋量子自旋量子數(shù)(數(shù)(I)自旋形狀自旋形狀核磁共核磁共振訊號振訊號原子核原子核偶數(shù)偶數(shù)偶數(shù)偶數(shù)0非自旋球非自旋球體體無無12C,16O,32S,28Si奇數(shù)奇數(shù)偶數(shù)或偶數(shù)或奇數(shù)奇數(shù)1/2,自旋球體自旋球體有有1H,13C,15N,19F,29Si,31P奇數(shù)奇數(shù)偶數(shù)或偶數(shù)或奇數(shù)奇數(shù)3/2,5/2自旋橢圓自旋橢圓體體有有11B,17O,33S,35Cl,37Cl,81Br,79Br,127I偶數(shù)偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)1,2,3自
5、旋橢圓自旋橢圓體體有有2H,10B,14N哪些核有磁性呢?哪些核有磁性呢?量子數(shù)量子數(shù)2、核磁共振現(xiàn)象核磁共振現(xiàn)象無外磁場無外磁場有外磁場有外磁場磁核放入磁場強(qiáng)度為磁核放入磁場強(qiáng)度為Ho的外磁場中,小磁矩將出現(xiàn)兩的外磁場中,小磁矩將出現(xiàn)兩種取向:種取向:與外磁場平行或大體平行;與外磁場平行或大體平行;處于低能級處于低能級 與外磁場反平行或大體與外磁場反平行或大體反平行,反平行,處于高能級處于高能級 自旋態(tài)自旋態(tài) 自旋態(tài)自旋態(tài)核的磁旋比。核的磁旋比。核核:26750 弧度弧度/秒秒高斯高斯h普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)E是量子化的,是量子化的,且與外加磁場且與外加磁場H。成正比成正比 兩種自旋態(tài)的能量差
6、兩種自旋態(tài)的能量差與外磁場強(qiáng)度關(guān)系與外磁場強(qiáng)度關(guān)系 h H。2E=若以電磁波照射,供給自旋核能量若以電磁波照射,供給自旋核能量E,使:,使:E=E 即:即:磁核發(fā)生能級躍遷,低能態(tài)的核吸收能量躍遷至高磁核發(fā)生能級躍遷,低能態(tài)的核吸收能量躍遷至高能態(tài),產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。能態(tài),產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。即:發(fā)生核磁共振的條件為:即:發(fā)生核磁共振的條件為:例:當(dāng)質(zhì)子感受到的磁場為例:當(dāng)質(zhì)子感受到的磁場為14092時,發(fā)生核磁共時,發(fā)生核磁共振的頻率為:振的頻率為:2675014092/260 106HZ=60MHZ使使H0與與匹配的兩種方法:匹配的兩種方法:發(fā)生核磁共振時,會在發(fā)生核磁共振時,會在特定的特定
7、的或或H下出現(xiàn)信下出現(xiàn)信號,如圖:號,如圖:1.固定固定H0,逐漸改變,逐漸改變掃頻;掃頻;2.固定固定,逐漸改變,逐漸改變H0掃場。掃場。3、核磁共振儀簡介核磁共振儀簡介溶液或液態(tài)的樣品,加入內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溶液或液態(tài)的樣品,加入內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(TMS)。一般為。一般為0.4ml,濃度為,濃度為0.10.5M。為了避免干擾,常用不含。為了避免干擾,常用不含氫的溶劑如氫的溶劑如CCl4、CS2、CCl3F、CF3COCF3等;也等;也可以用氘代有機(jī)溶劑如可以用氘代有機(jī)溶劑如CDCl3、CD3OD、CD3COCD3等。氘代溶劑昂貴一些,其譜圖中常出等。氘代溶劑昂貴一些,其譜圖中常出現(xiàn)殘存的氫峰現(xiàn)殘存的氫峰樣品的準(zhǔn)
8、備樣品的準(zhǔn)備:產(chǎn)生磁場產(chǎn)生磁場產(chǎn)生固定頻率的產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射波;電磁輻射波;檢測和放大共振信號檢測和放大共振信號將共振信號繪制將共振信號繪制成標(biāo)準(zhǔn)譜圖成標(biāo)準(zhǔn)譜圖(二)信號的位置(二)信號的位置化學(xué)位移化學(xué)位移1.化學(xué)位移(化學(xué)位移()(1)屏蔽效應(yīng):核)屏蔽效應(yīng):核處于核外電子的包圍之中,處于核外電子的包圍之中,在在外磁場的外磁場的 作用下,核外電子的運(yùn)動產(chǎn)生一個與外磁作用下,核外電子的運(yùn)動產(chǎn)生一個與外磁場方向相反的場方向相反的感應(yīng)磁場(感應(yīng)磁場(H),),使磁核實(shí)受磁場有使磁核實(shí)受磁場有所降低,核外電子的這種作用稱屏蔽效應(yīng)。所降低,核外電子的這種作用稱屏蔽效應(yīng)。實(shí)際感受的磁場實(shí)際感受的
9、磁場 H=HoH H=Ho(1 )而而H=Ho(為屏蔽常數(shù),百萬分之幾)為屏蔽常數(shù),百萬分之幾)處于不同化學(xué)環(huán)境的磁核受到不同的屏蔽作用,共處于不同化學(xué)環(huán)境的磁核受到不同的屏蔽作用,共振頻率會有差別:振頻率會有差別:(2)化學(xué)位移的定義:)化學(xué)位移的定義:由于電子的屏蔽或去屏蔽引由于電子的屏蔽或去屏蔽引起核磁共振的吸收位置的移動(相對于起核磁共振的吸收位置的移動(相對于孤立質(zhì)子或裸孤立質(zhì)子或裸核核),稱做),稱做化學(xué)位移化學(xué)位移,以,以表示。表示。對于質(zhì)子對于質(zhì)子NMRNMR來說,化學(xué)位移的范圍僅為外磁場的百來說,化學(xué)位移的范圍僅為外磁場的百萬分之十左右,但這百萬分之十的差異,確是核磁共萬分之
10、十左右,但這百萬分之十的差異,確是核磁共振用于結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。振用于結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。H。2(1-)(3)化學(xué)位移的表示:)化學(xué)位移的表示:以四甲基硅以四甲基硅(CH3)4Si(TMS)作為標(biāo)準(zhǔn)物,將其在)作為標(biāo)準(zhǔn)物,將其在NMR譜圖上的位置定為零,某一氫核吸收峰位置與譜圖上的位置定為零,某一氫核吸收峰位置與TMS 信號之間的差稱為化學(xué)位移。信號之間的差稱為化學(xué)位移。為了能顯示化學(xué)位移,需要在小范圍內(nèi)變動磁場或電磁為了能顯示化學(xué)位移,需要在小范圍內(nèi)變動磁場或電磁波的頻率。有兩種辦法,波的頻率。有兩種辦法,一是掃頻法一是掃頻法;二是掃場法二是掃場法。值為值為ppm數(shù)量級數(shù)量級(掃場法)(掃場法)(
11、H標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)H樣品樣品)H標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)106=如果如果是掃頻法是掃頻法,則化學(xué)位移表示為:,則化學(xué)位移表示為:106(ppm)樣品樣品 TMS樣品樣品樣品質(zhì)子共振頻率樣品質(zhì)子共振頻率TMSTMS質(zhì)子共振頻率質(zhì)子共振頻率儀器的照射頻率儀器的照射頻率(過去:(過去:10)在譜圖上,規(guī)定在譜圖上,規(guī)定值由右至左遞增。值由右至左遞增。當(dāng)固定當(dāng)固定,改變,改變H0掃場。掃場。譜圖的左方為低場,譜圖的左方為低場,右方右方為高場。為高場。選選TMS作標(biāo)準(zhǔn)物,因都等同,只有一個峰。且電作標(biāo)準(zhǔn)物,因都等同,只有一個峰。且電負(fù)性負(fù)性SiC,Si具有供電性,甲基的質(zhì)子周圍電子云具有供電性,甲基的質(zhì)子周圍電子云密度大,密度
12、大,很大,信號峰在高場。很大,信號峰在高場。二、從二、從1HNMR譜圖中得到的信息譜圖中得到的信息(一)信號的種類(一)信號的種類H核的種類核的種類(二)信號的位置(二)信號的位置化學(xué)位移,化學(xué)位移,與與H種類有關(guān)種類有關(guān)(三)信號的積分(強(qiáng)度)(三)信號的積分(強(qiáng)度)H核的數(shù)目核的數(shù)目從譜圖中得到如下信息從譜圖中得到如下信息:(四)信號的裂分(四)信號的裂分相鄰相鄰H核之間的自旋偶合作核之間的自旋偶合作用用相鄰氫原子的數(shù)量相鄰氫原子的數(shù)量化學(xué)等價質(zhì)子化學(xué)等價質(zhì)子:化學(xué)環(huán)境相同的質(zhì)子。:化學(xué)環(huán)境相同的質(zhì)子?;瘜W(xué)位移相同。化學(xué)位移相同。四種質(zhì)子,四組峰四種質(zhì)子,四組峰兩種質(zhì)子,兩組峰兩種質(zhì)子,兩
13、組峰信號的種類:信號的種類:3信號的積分信號的積分信號的裂分信號的裂分化學(xué)位移化學(xué)位移2、影響化學(xué)位移的因素、影響化學(xué)位移的因素(1)誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng) 吸電子誘導(dǎo)和吸電子共軛效應(yīng)吸電子誘導(dǎo)和吸電子共軛效應(yīng),使氫使氫核周圍核周圍的的電子云密度降低電子云密度降低,氫核所受氫核所受屏蔽減弱屏蔽減弱,共振信共振信號移向號移向低場低場,增加增加。化學(xué)位移是由于核外電子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場引起的化學(xué)位移是由于核外電子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場引起的(屏蔽或去屏蔽效應(yīng))(屏蔽或去屏蔽效應(yīng)),使核外電子密度改變的因,使核外電子密度改變的因素都能影響化學(xué)位移。素都能影響化學(xué)位移。例例1:電負(fù)性電負(fù)性 FCl
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