紅外核磁共振譜

色譜和光譜化合物的純化和結(jié)構(gòu)研究方法一、

分離純化與色譜技術(shù)

反應(yīng)產(chǎn)物(混合物)

分離純化結(jié)構(gòu)研究結(jié)構(gòu)研究分離純化純產(chǎn)物確定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)純天然產(chǎn)物確定天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)天然提取物OHBrKBrH2SO4ReactionMixture:HBr,H2SO4,KBr,K2SO4,H2O

1-butanol,1-bromobutane,1-butene,2-butene,dibutyletherdistillation1-butanol,1-bromobutane

dibutylether,H2O,HBrH2SO4,KBr,K2SO4,H2O1-Butene2-ButeneWashingbyH2SO41-bromobutaneH2SO4,HBr1)Washingbywater2)Washingby10%NaCO33)Washingbywater1-bromobutane

H2O1-butanol

dibutyletherH2SO4,HBr1)Drying2)DistillationPure1-bromobutaneupperlayerlowerlayerAexampleaboutpurificationofreactionproductPurification早期的純化方法:液體物質(zhì)

——蒸餾(distillation)和精餾(rectification)固體物質(zhì)

——重結(jié)晶(recrystalization)局限性:原料需要量大,分離效率低。一、

分離純化與色譜技術(shù)分析、純化方法的發(fā)展——各種色譜技術(shù)：柱色譜（CC）薄層色譜（TLC）離子交換色譜高效液相色譜（HPLC）氣相色譜（GC）優(yōu)點(diǎn)：分析分離并用。簡單易行、分離效率高、處理量可小可大。一、

分離純化與色譜技術(shù)Chromatograph

Chromatographisaseparationprocesswhichdependsonthedifferentialdistributionsofthecomponentsofamixturebetweenamobilebulkphase（流動相）andanessentiallythinfilmstationaryphase（固定相）.色譜是利用不同化合物性質(zhì)的不同（如溶解能力、吸附能力、親和能力等），從而在固定相與流動相之間的分配不同而進(jìn)行分離、分析的。

根據(jù)流動相的物理狀態(tài)分為

液相色譜（LC）氣相色譜（GC）一、

分離純化與色譜技術(shù)

根據(jù)物理化學(xué)作用分為吸附色譜分配色譜離子交換色譜凝膠滲透色譜親和色譜柱色譜紙色譜薄層色譜根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作形式分為一、

分離純化與色譜技術(shù)早期的分析方法:液體物質(zhì)

——測沸點(diǎn)、折射率、旋光度;化學(xué)方法等固體物質(zhì)

——測熔點(diǎn);化學(xué)方法等局限性:物理量測定需要樣品量大,化學(xué)方法分析結(jié)構(gòu)操作較復(fù)雜，不易進(jìn)行。有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究方法有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究方法元素分析——元素組成質(zhì)譜（MS）——分子量及部分結(jié)構(gòu)信息紅外光譜（IR）

——官能團(tuán)種類紫外—可見光譜（UV/Vis）——共軛結(jié)構(gòu)核磁共振波譜（NMR）

——C-H骨架及所處化學(xué)環(huán)境X-射線單晶衍射——立體結(jié)構(gòu)ExampleIRofthefourisomersUVofthefourisomers1HNMRofthefourisomers有機(jī)波譜法特點(diǎn)(1)樣品用量少，一般2~3mg（可<1mg)(2)除質(zhì)譜外，無樣品消耗，可回收(3)省時，簡便(4)配合元素分析（或高分辨質(zhì)譜），可準(zhǔn)確確定化合物的分子式和結(jié)構(gòu)SpectroscopyandtheElectromagneticSpectrum分子吸收電磁波的能量后，從較低能級躍遷到較高能級，便產(chǎn)生波吸收譜，稱波譜。分子內(nèi)部的運(yùn)動：

——原子核間的相對振動（IR）——振動能級

——電子運(yùn)動（UV/Vis）——電子能級

——分子轉(zhuǎn)動——轉(zhuǎn)動能級

——原子核自旋運(yùn)動（NMR）不同的分子，躍遷的能級差不同，則吸收的光的波長不同，就產(chǎn)生不同的波譜。SpectroscopyandtheElectromagneticSpectrum分子振動能級的躍遷產(chǎn)生IR。用途：提供分子中官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息。Vibration---strechingvibration---bendingvibrationDiatomicmolecular---astretchingvibrationMultiatomicmolecular---severalvibrations紅外光譜

InfraredSpectroscopy紅外光譜

InfraredSpectroscopyStretchingvibrationsInfraredSpectroscopyBendingVibrationsInfraredSpectroscopyBendingVibrationsInfraredSpectroscopy一個官能團(tuán)由于有多種振動方式在紅外光譜中將有一組相應(yīng)的吸收峰紅外光譜圖InfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopy紅外光譜圖橫坐標(biāo)---波數(shù)（cm-1,下方）,波長(mm,上方）縱坐標(biāo)---吸光強(qiáng)度（A）或透過率（T，%）

譜區(qū)---4000–600cm-1

分兩個區(qū)

---官能團(tuán)區(qū)（4000–1400cm-1)---伸縮振動

---指紋區(qū)（1400–600cm-1)---彎曲振動InfraredSpectroscopyHook’sLaw(forstretchingvibration)1、振動頻率與成鍵原子折合質(zhì)量倒數(shù)的平方根成正比，即原子質(zhì)量愈輕，振動頻率愈高；2、振動頻率與鍵的力常數(shù)的平方根成反比，即鍵能愈大，鍵長愈短，鍵的力常數(shù)愈大，振動頻率愈高。InfraredSpectroscopy

C=CC=CC-C-C-H=C-H=C-H2100-22601600-1670800-12002850-29603010-3100~3300C=OC-O-O-H1660-17801000-13003580-3670C=NC=NC-N-N-H2210-22601630-16901250-13603310-3400(s,ordpeaks)Strongerbondsandlighteratomsgiverisetohigherwavenumbers不同類型鍵的伸縮振動頻率InfraredSpectroscopy影響紅外吸收頻率的因素——電子效應(yīng)與共振結(jié)構(gòu)、氫鍵、空間效應(yīng)

ResonanceEffecte.g.1.C=Oin2-pentanone1720cm-1butin2-cyclohexenone1680cm-1

InfraredSpectroscopyExplanation:2-Cyclohexenoneabsorsatalowerfrequencybecausethecarbonylgrouphasgreatersinglebondcharacterduetoelectrondelocalizion.Becauseadoublebondisstrongerthanasinglebond,acaronylgroupwithsignificantsinglebondcharacterwillstretchatalowerfrequencythanonewithlittleornosinglebondcharacter.InfraredSpectroscopye.g.2.C-Oinethanolordiethylether~1050cm-1inaceticacidorethylacetate~1250cm-1

Explanation:

BecausetheC-Obondinanalcoholoretherisapuresinglebond,whereastheC-Obondinacarboxylicacidoranesterhaspartialdoublebondcharacter.InfraredSpectroscopye.g.3.C=Oinanaldehyde~1720cm-1

inanacidhalide~1800cm-1

inanamide~1650cm-1

InfraredSpectroscopyExplanation:

Thepredominanteffectofthenitrogenofanamideiselectrondonationbyresonance.Therefore,thecarbonylgroupofanamidehaslessdoublebondcharacterthanthecarbonylgroupofaketoneoranaldehyde,soitisweaker.Incontrast,thepredominanteffectofthehalogeninahalideisinductiveelectronwithdrawal.Thereforethecarbonylgroupofanacidhalidehasmoredoublebondcharacterthanthecarbonylgroupofaketoneoranaldehyde.(SimilarfortheC=Oinester.)

InfraredSpectroscopy空間結(jié)構(gòu)對吸收峰頻率影響（略）其他影響因素——試樣狀態(tài)、測試條件、溶劑極性等峰強(qiáng)度與鍵極性、對稱性的關(guān)系——極性越大，峰越強(qiáng)；對稱性越高，峰越弱。各主要官能團(tuán)紅外光譜的特征吸收峰頻率

炔烴各主要官能團(tuán)紅外光譜的特征吸收峰頻率

炔烴紫外光譜

——

給出共軛雙鍵的信息——givesusinformationaboutcompoundswithconjugateddoublebondUltravioletandvisiblelighthasjusttherightenergytocauseanelectronictransition——thepromotionofanelectronfromoneorbitaltoanotherofhigherenergy在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的一種物理分析方法

NobelPrize:1943O.Stern---測定質(zhì)子磁距

1944I.I.Rabi---測定原子核磁距的共振方法

1952F.BlochandE.M.Pucell---核磁共振現(xiàn)象

1991R.R.Ernst---傅立葉變換核磁共振確定分子的C-H骨架及所處化學(xué)環(huán)境核磁共振氫譜和碳譜

原子核存在自旋運(yùn)動，可用自旋量子數(shù)I表征。質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)INMR信號電荷分布偶數(shù)偶數(shù)0無均勻偶數(shù)奇數(shù)1,2,3,…有不均勻奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/23/2,5/2,…有有均勻不均勻NMR:I=1/2的核，如1H,13C,15N,19F,31P核磁共振原理簡介

核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振原理簡介

hr當(dāng)E射=hν射

=⊿E時⊿E=——H0rH02π（r為核常數(shù)）

ν射

=——

2π

核磁共振氫譜和碳譜

屏蔽效應(yīng)——原子核外的電子在外磁場作用下將產(chǎn)生一個抵抗外磁場的感應(yīng)磁場H感應(yīng)，使核所感受到的實(shí)際磁場H有效小于外磁場

H有效

=H0-H感受

核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振儀的結(jié)構(gòu)示意圖及工作方式：

A固定外加磁場強(qiáng)度，改變射電頻率對樣品進(jìn)行掃描

B固定射電頻率，改變外加磁場強(qiáng)度對樣品進(jìn)行掃描

核磁共振氫譜和碳譜

化學(xué)位移——有機(jī)分子中每個原子核所處的化學(xué)環(huán)境不同（即核外電子云密度不同），在外加磁場中產(chǎn)生的抗磁的感應(yīng)磁場大小不同，因此，不同核發(fā)生共振所需的外加磁場強(qiáng)度或者射電頻率也就不同核磁共振氫譜和碳譜

化學(xué)位移

ν樣

–ν標(biāo)（Hz）δ=————————X106(ppm)ν儀（MHz）TMS作內(nèi)標(biāo)是因?yàn)樗挥幸粋€信號，且與大多數(shù)有機(jī)化合物相比，其氫核所受到的屏蔽作用很大，可將其化學(xué)位移值定為0）

核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振原理簡介ν射

=——rH02π屏蔽效應(yīng)H有效

=H0-H感受

化學(xué)位移δ(ppm)TMS(CH3)4Si作內(nèi)標(biāo)———————X106ν樣

–ν標(biāo)（Hz）ν儀（MHz）核磁共振氫譜和碳譜

左右屏蔽作用：小大固定射頻：低場高場固定磁場：高頻低頻δ109876543210ppm

核磁共振氫譜和碳譜

影響化學(xué)位移的因素

1、誘導(dǎo)效應(yīng):化合物CH3X

CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3I電負(fù)性

(X)

4.0(F)3.5(O)3.1(Cl)2.8(Br)2.5(I)δ(ppm)

4.263.403.052.682.16-CH30.9-CH2-1.3-CH-1.5核磁共振氫譜和碳譜

2、去屏蔽作用與π體系各向異向性:電負(fù)性：Csp>Csp2>Csp3實(shí)測化學(xué)位移δ:2~34.5~6.00.9~1.5

推測化學(xué)位移δ:C=C-H>C=C-H>C-C-HPh-H,6~8.5=C-H4.5~6.0核磁共振氫譜和碳譜

2、去屏蔽作用與π體系各向異向性:核磁共振氫譜和碳譜

3、氫鍵的影響:——?dú)滏I使共振吸收移向低場，

因?yàn)橄魅趿藢滏I質(zhì)子的屏蔽——分子內(nèi)氫鍵受環(huán)境影響較小所以與樣品濃度、溫度變化不大——分子間氫鍵受環(huán)境影響較大當(dāng)樣品濃度、溫度發(fā)生變化時氫鍵質(zhì)子的化學(xué)位移會發(fā)生變化。ArOH4.5~7.7-COOH10~13-OH0.5~5.5-NH20.5~51、飽和碳原子上的質(zhì)子的d值：叔碳>仲碳>伯碳2、d值：芳?xì)?gt;烯氫>烷氫3、吸電子基團(tuán)（N,O,X,NO2,CO等）使d值變大。電負(fù)性越大，吸電子能力越強(qiáng)，d值越大。有機(jī)化合物中質(zhì)子化學(xué)位移基本規(guī)律：

核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振氫譜和碳譜

有機(jī)化合物中各種質(zhì)子的化學(xué)位移值

自旋裂分與偶合常數(shù)

自旋裂分(spinsplitting)

——

鄰近質(zhì)子間相互作用導(dǎo)致譜線增多的現(xiàn)象自旋偶合（spincoupling)——

鄰近質(zhì)子間互相導(dǎo)致譜線增多的作用偶合常數(shù)（couplingconstant)——

裂分信號中兩峰間的距離(用J表示,單位Hz)自旋偶合與峰的裂分表明不等價質(zhì)子間的相鄰關(guān)系核磁共振氫譜和碳譜

當(dāng)一組等價質(zhì)子與另一組數(shù)目為n的等價質(zhì)子鄰近時該組質(zhì)子的1HNMR信號峰將裂分為

n+1

重峰其中每相鄰兩條譜線間的距離相等，即為偶合常數(shù)

——n+1規(guī)律如：CH3CH2CH36+1=7重峰

CH3CH2CH

32+1=3重峰自旋裂分與偶合常數(shù)

核磁共振氫譜和碳譜

峰面積(peakarea)正比于等價質(zhì)子的數(shù)目用積分曲線表示峰面積。積分曲線的高度與峰面積成正比關(guān)系。例1：乙醇CH3CH2OH

3組質(zhì)子的積分曲線高度比為3：2：1例2：對二甲苯甲基與苯環(huán)質(zhì)子的積分曲線高度比為3：2積分曲線(integrationline)核磁共振氫譜和碳譜

積分曲線(integrationline)

1HNMR譜圖的解析識別出雜質(zhì)峰，如溶劑峰以及溶劑中的水峰等根據(jù)積分曲線確定各組峰的相應(yīng)質(zhì)子數(shù)根據(jù)化學(xué)位移推測各組質(zhì)子的類型根據(jù)偶合裂分情況確定各組質(zhì)子間的相互關(guān)系重水交換法識別活潑氫（OH,NH,COOH)綜合分析（結(jié)合其它波譜），確定結(jié)構(gòu)核磁共振氫譜和碳譜

solventd(ppm)solventd(ppm)cyclohexane1.40acetone2.05benzene7.20aceticacid2.058.50chloroform7.26THF1.753.60acetonitrile1.95dioxane3.55water4.70DMSO2.50methanol3.354.80DMF2.772.957.50Ethylether1.163.36pyridine8.506.987.35ChemicalShiftValuesofCommonSolvents實(shí)例分析acbdC6H5CH2CH2OOCCH3

abcd核磁共振氫譜和碳譜

20A.ClCH2C(Cl)(OCH2CH3)2B.Cl2CHCH(OCH2CH3)2C.CH3CH2OCH(Cl)CH(Cl)OCH2CH3實(shí)例分析√核磁共振碳譜（13CNMR)13C峰度僅1.11％，比1H信號弱得多，約1/6400化學(xué)位移范圍：0～220ppm提供各種類型碳（伯、仲、叔、季碳）的信息。不能用積分曲線獲取碳的數(shù)目信息鄰近有吸電子基團(tuán)，信號移向低場（左移）碳周圍電子密度增加，信號移向高場（右移）常規(guī)13CNMR譜為全去偶譜，因而所有的碳信號均為單峰。核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振碳譜（13CNMR)碳的類型d(ppm)碳的類型d(ppm)sp3TMS0sp2=C100-150RCH38-35ArC110-170RCH2R15-50RCONH2165-175R3CH20-60RCOOR165-175R4C30-40RCOOH175-185C-I0-40RCHO190-200C-Br25-65RCOR205-220C-Cl35-80C-N40-60C-O50-80sp≡C65-85核磁共振碳譜（13CNMR)dcba一、基本原理Inatechniquecalledmassspectrometry,amoleculeisvaporizedandthenionizedbyremovinganelectron.Thisproducedamolecularion,whichisaradicalcation,aspecieswithanunpairedelectronandapositivecharge.Becauseofpossessinghighenergy,themolecularionmaybreakapartintocations,radicals,neutralmolecules,andotherradicalcations.MassSpectrometryMassSpectrometryMmoleculeeM+emolecularionaradicalcationelectronFragments分子離子的產(chǎn)生MassSpectrometry儀器工作原理圖MassSpectrometry質(zhì)譜圖樣式MassSpectrometryMolecularion

---them/zvalueofthemoleculariongivesthemolecularweightofthecompoundFragmentions---asmallerm/zvaluethanmolecularion,cangiveastructuralinformationBasepeak

---istheonewiththegreatestintensity.(itisassignedarelativeintensityof100%)M+1peakorM+2peak

---oftenoccurs，becausetherearenaturallyisotopesofcarbon,orotheratomsMassSpectrometry二、質(zhì)譜在確定結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用給出分子量,推測分子式通過分子離子和碎片離子間的關(guān)系，結(jié)合化合物質(zhì)譜裂解規(guī)律，提供分子的部分結(jié)構(gòu)信息。驗(yàn)證化合物結(jié)構(gòu)的合理性MassSpectrometry1、從同位素相對峰強(qiáng)度計(jì)算Example:

Themassspectrumofanunknowncompoundhasamolecularionwitharelativeintensityof43.27%,andanM+1peakwitharelativeintensityof3.81%.Howmanycarbonatomsarethereinthecompound?分子量、分子式的確定

MassSpectrometrySolution:

Therearetwonaturallyisotopesofcarbon:98.89%12Cand1.11%13C同位數(shù)豐度表見后

分子量、分子式的確定

同位素峰度表ElementNaturalabundanceHydrogen1H99.99%

2H0.01%Carbon12C98.89%

13C1.11%Chlorine35Cl

75.77%

37Cl

24.23%bromine

79Br

50.69%

81Br

49.31%MassSpectrometryMassSpectrometry同位素離子峰可以幫助確定分子組成——

含Cl,Br原子的分子——

強(qiáng)度比符合二項(xiàng)式（a+b)n的展開式

其中，a–常見元素的豐度

b–同位素的豐度

n-該元素的個數(shù)如：CHCl3:(3+1)3=27+27+9+1So,M:(M+2):(M+4):(M+6)=27:27:9:1ExampleMassSpectrometry2、從高分辨質(zhì)譜分子量計(jì)算

High-ResolutionMassSpectrometry