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嘉峪檢測網 2018-09-28 15:25
NMR是化學行業必不可少的解析工具,因此小編在這篇文章里面對于NMR的測定,基本解析進行一個基礎介紹,供剛上路的童鞋們一點參考。
從傅里葉變換后的NMR圖獲得的信息大致分為以下三個。
化學位移(δ)
耦合和自旋耦合常數(J)
峰面積
接下來,就讓我們來看看它們分別都代表什么。
1. 化學位移(δ)
原子核的周圍被電子云包圍。由于電子帶有負電荷,所以如果它在被施加外部磁場B0的狀態下在原子核周圍循環,能夠產生相反的感應磁場B’。
引用自網站
從而導致了,原子核感應的有效磁場B減小、也就是如下式子所示。
B = B0 – B’
這被稱為電子屏蔽效應。①當核周圍的電子密度很大時 ②當環電流效應起作用時 電子屏蔽效應就越強。
氫核本身是完全相同的組成,但由于它放置的環境,核感應的磁場強度是不同的。這導致了激發波長(=共振頻率)相對于標準來說產生了“位移”。這個就是我們所稱的化學位移。也就是說,測定化學位移其實是看原子核所在的環境信息。
通常的1H-NMR測定中以TMS的甲基的化學位移(δ = 0)為標準值參照物,單位為ppm。從過去的測量案例匯總中,可以大致了解各個化學位移對應大致的是什么結構(如下圖所示)。
點擊可以看大圖,引用自網站http://www.compoundchem.com/2015/02/24/proton-nmr/
點擊可以看大圖,引用自http://www.compoundchem.com/2015/04/07/carbon-13-nmr/
2.耦合和自旋耦合常數(J)
當附近存在化學不等價的原子核時,這些原子之間相互影響并引起能級分裂。 這是一種稱為耦合的現象。
在1 H-NMR圖上,如果n個等價質子Hb存在于質子Ha的旁邊,則觀察到Ha的峰被裂縫成(n + 1)個。根據裂峰數量,每個峰值由以下符號表示。
單峰:singlet, s
雙峰:doublet, d
三重峰:triplet, t
四重峰:quartet, q
寬峰:broad, br
例如,在下面的化合物中,Hb旁邊有兩個化學等價的Ha。因此,Hb的峰值為三重態(t),裂峰為2 + 1 = 3個。相反,從Ha的角度來看,由于旁邊只有一個Hb,所以Ha的峰值是一個雙峰(d),為1 + 1 = 2個。
引用自網站
耦合峰之間的間距也被定義為自旋耦合常數(J值)。由于各種類型的耦合具有完全相同的J值,所以J值是知道哪些核素彼此靠近的指標。J值可以按以下公式計算。
J(Hz)=測量頻率(Hz)×化學位移差(Δδ,ppm)
例如,在用500MHz儀器測量1 H-NMR并計算化學位移差Δδ= 0.015ppm的情況下,J值可以計算為(500 x 106) x (0.015 x 10-6)= 7.5 Hz。
這種耦合原理也適用于異核物質。也就是說13C也能與1H可以很好地耦合。但是,如果打過碳譜得人都知道,13 C-NMR圖譜本身特別簡單。這是因為使用了抑制與1H的耦合的脈沖系列(解耦方法)進行測定后的結果。除了13C – 1 H耦合的信息量不多外,還有一點意思靈敏度不夠。(解耦前后的對比圖如下所示)
13C-NMR上1H-解耦后的效果對比 引用自http://slideplayer.com/slide/6505258/
3. 峰面積
傅里葉變換后得到的每個峰的面積值對應于核素的豐度比。
1H-NMR的定量性比較好,通過積分比可以得到同一環境下,氫核的存在比。
甲醇CH3OH的NMR圖譜。三個CH與1個OH對應的峰的面積(積分值)為3:1
由于說到底也就是一個相對的比值,所以對于具有高對稱性的等價質子結構,需要小心。同樣重要的是要注意,酸性強的質子經常與重溶劑進行氘交換,常常導致定量性的損失。
而在13 C-NMR中,通過通常的測定方法不能用13C峰強度推定碳數,幾乎不可能量化。
樣品的制備方法
將需要測量的化合物(1H-NMR測定的時候數mg)、溶解于氘代試劑(約0.4 mL)中。將其置于NMR管中(外徑約5毫米)并蓋上。樣品需要完全溶解,得到透明的澄清溶液。 如果含有不溶物質呈現懸浮狀態,則不能獲得高質量的數據。1H-NMR測定的時候、需要用到重溶劑。如果使用含有許多質子的常用溶劑(輕溶劑),樣品化合物的1 H峰將被覆蓋掉。另外,在現代核磁共振測量中,重溶劑是必不可少的,因為磁場鎖定氘標記。
尤其對于常規測量,常使用重氯仿(CDCl3)。 這是基于以下原因。
由于它只含有一個氘,因此可以廉價制造
由于沸點比較低,所以測量后可以將溶劑蒸餾掉,并且可以回收樣品
可以溶解大多數有機化合物,自身反應性低
由于作為雜質的溶劑CHCl3難以被樣品峰包覆,并且是單峰,容易區分。
解析實例
讓我們看一個簡單分子的1 H-NMR譜分析實例。從圖表中獲得的信息大致對應于以下內容。
峰面積 → 氫原子數
裂縫數 → 相鄰氫原子的數
化學位移值 → 氫原子的電子環境(越缺電子越靠左)
封頂之間的間隔 → 哪個氫原子彼此相鄰
醋酸
醋酸的1H-NMR圖譜(CDCl3, 引用于SDBS)
解析非常簡單。乙酸只有兩種氫,甲基氫和羧基氫。由于不相鄰所以互不影響、羧酸的proton的化學位移值在特征區(10~15 ppm)。
丙烯酸
丙烯酸的1H-NMR圖譜 (CDCl3, 引用自SDBS)
丙烯酸包括直接連接至烯烴的三個非等價質子和一個羧酸質子。羧酸的氫的化學位移在特征區(10~15 ppm)。烯烴的氫,可以用Chemdraw等軟件進行一個初期預測,出現在6ppm附近。上圖給出了預測值與實際值的區別。這次介紹的譜圖相對簡單。 而實際接觸到的可能都是比較復雜的,所以希望大家在實踐中不斷地提高,積累知識。當然如果這篇基礎篇能夠對讀者有所幫助,那小編的目的也就達到了。
來源:化學空間