2022年第八章核磁共振波谱法教案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载第 八 八 章 核 磁 磁 共 共 振 振 波 波 谱 谱 法一 教 学 内 容1. 核 磁 共 振 波 谱 法 的 概 念2. 核 磁 共 振 波 谱 法 的 基 本 原 理 （ 原 子 核 的 自 旋 和 磁 距 、 核 磁 共 振 的产 生 及 相 关 表 达 式 和 意 义 、 饱 和 与 驰 誉 ）3. 有 机 化 合 物 的 结 构 与 质 子 核 磁 共 振 波 谱 （ 化 学 位 移 、 自 旋 偶 合 与裂 分 、 一 级 图 谱 与 复 杂 图 谱 、 化 学 交 换 、 共 振 吸 收 强 度 ）4. 有

2、 机 化 合 物 的 结 构 与 质 子 核 磁 共 振 波 谱5. 核 磁 共 振 波 谱 仪6. 核 磁 共 振 波 谱 法 的 基 本 应 用二 重 点 与 难 点1 核 磁 共 振 产 生 的 条 件 及 基 本 原 理 、 表 达 式 的 意 义2 影 响 化 学 位 移 地 各 种 因 素3 自 旋 偶 合 、 裂 分 的 机 理4 一 级 图 谱 的 裂 分 规 律 及 应 用5 图 谱 解 析 及 结 构 分 析三 教 学 要 求1较 牢 固 掌 握 核 磁 共 振 产 生 的 条 件 及 基 本 原 理2较 深 入 离 解 化 学 位 移 地 概 念 、 产 生 原 因 、

3、表 达 式 及 影 响 因 素3掌 握 某 些 常 见 基 团 的 质 子 化 学 位 移4 一 般 了 解 复 杂 图 谱 的 概 念 、 自 旋 体 系 的 分 类 及 复 杂 图 谱 的 简 化四 学 时 安 排3学 时名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载第 一 一 节 核 磁 磁 共 共 振 振 基 基 本 本 原 原 理 理 原 原 子 子 核 核 的 的 自 自 旋如 原 子 核 存 在 自 旋 , 产 生 核 磁 矩 ：hII12自 旋 角 动 量 ：gII1核 磁 矩 I ： 自 旋

4、量 子 数 ； h： 普 朗 克 常 数 ； 核 磁 子 b =eh/ 2M c 自 旋量 子 数（ I ）不 为 零 的 核 都 具 有 磁 矩 ,原 子 的 自 旋 情 况 可 以 用（ I ）表 征 ：质 量 数原 子 序 数自 旋 量 子 数 I , 无 自偶 数偶 数0偶 数奇 数1, 2, 3 .奇 数奇 数 或 偶 数1/ 2； 3/ 2 ； 5 / 2讨 论 论 : 1I= 0的 原 子 核O 1 6 ； C（ 12）； S（ 22 ） 等旋 , 没 有 磁 矩 , 不 产 生 共 振 吸 收 ；2I= 1或I 0 的 原 子 核I= 1：2 H ,14 N I= 3/ 2：1

5、1 B , 35Cl , 79B r , 81 B r I= 5/ 2：17 O,127 I 这 类 原 子 核 的 核 电 荷 分 布 可 看 作 一 个椭 圆 体 , 电 荷 分 布 不 均 匀 , 共 振 吸 收 复 杂 , 研 究 应 用 较 少 ；3 1/ 2 的 原 子 核1H , 13C, 19 F, 31 P原 子 核 可 看 作 核 电 荷 均 匀 分 布 的 球 体 , 并 象 陀 螺 一 样 自 旋 , 有 磁 矩 产 生 , 是 核 磁 共 振 研 究 的 主 要 对 象 , C, H 也 是 有 机 化 合 物 的 主 要 组 成 元 素 ；二 、核 磁 磁 共 共

6、振 振 现 现 象 象 自 旋 量 子 数I= 1 /2 的 原 子 核 （ 氢 核 ）, 可 当作 电 荷 均 匀 分 布 的 球 体 , 绕 自 旋 轴 转 动 时 ,产 生 磁 场 ,类 似 一 个名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载小 磁 铁 ；当 置 于 外 加 磁 场 H 0 中 时 ,相 对 于 外 磁 场 ,可 以 有（ 2 I+ 1）种 取 向 ：氢 核 （ I= 1/2 ）, 两 种 取 向 （ 两 个 能 级 ）： 1与 外 磁 场 平 行 , 能 量 低 , 磁 量 子 数 1

7、/ 2; 2与 外 磁 场 相 反 , 能 量 高 , 磁 量 子 数 1/ 2;两 种 取 向 不 完 全 与 外 磁 场 平 行 ,q 54 24和12 5 36 相 互作 用 , 产 生 进 动 拉 莫 进 动 进 动 频 率 n 0； 角 速 度 w 0；w 0 = 2 p n 0= g H 0 g 磁 旋 比 ；H 0 外 磁 场 强 度 ；两 种 进 动 取 向 不 同 的 氢 核 之间 的 能 级 差 ： D E= m H 0（ m 磁 矩 ）二 、核 磁 磁 共 共 振 振 条 条 件 件 在 外 磁 场 中 , 原 子 核 能 级 产 生 裂 分 , 由 低能 级 向 高 能

8、 级 跃 迁 , 需 要 吸 收 能 量 ；能 级 量 子 化 ；射 频 振 荡 线 圈产 生 电 磁 波 ；对 于 氢 核 , 能 级 差 ：DE = m H 0 （ m 磁 矩 ）产 生 共 振 需 吸 收 的 能 量 ： DE = mH 0 = h n0 由 拉 莫 进 动 方 程 ： w 0 = 2p n 0 = gH 0 ;共 振 条 件 ：n0 = g H 0 / 2p 共 振 振 条 条 件 件 1 核 有 自 旋 磁 性 核 2外 磁 场 , 能 级 裂 分 ; 3照 射 频 率 与 外 磁 场 的 比 值 n0 / H 0 = g / 2p 讨 论 论 : 共 振 条 件 ：

9、n0 = g H 0 / 2p H 0 变 , 射 频 频 率n（ 1） 对 于 同 一 种 核, 磁 旋 比g为 定 值 ,变 ；（ 2） 不 同 原 子 核 , 磁 旋 比g 不 同 , 产 生 共 振 的 条 件 不 同 ,需 要 的 磁 场 强 度 H 0 和 射 频 频 率 n 不 同 ；名师归纳总结 （ 3）固 定 H 0, 改 变n（ 扫 频 ）, 不 同 原 子 核 在 不 同 频 率 处第 3 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载H 0（ 扫 场 ）； 扫 场 方 式 应发 生 共 振 （ 图 ）； 也 可

10、 固 定n, 改 变用 较 多 ；氢 核 （1H ）：1.4 09 T 共 振 频 率60M Hz2. 30 5 T 共 振 频 率10 0 M Hz磁 场 强 度 H 0 的 单 位 ： 1 高 斯 （ GS ） =1 0-4 T （ 特 拉 斯 ）讨 论 论 : 在 195 0 年 ,Proct or 等 人 研 究 发 现 ：质 子 的 共 振 频 率 与 其 结构 （ 化 学 环 境 ） 有 关 ； 在 高 分 辨 率 下 , 吸 收 峰 产 生 化 学 位 移 和 裂分 , 如 右 图 所 示 ；由 有 机 化 合 物 的 核 磁 共 振 图 , 可 获 得 质 子 所 处 化 学

11、环 境 的信 息 , 进 一 步 确 定 化 合 物 结 构 ；四 、 核 核 磁 磁 共 共 振 振 波 波 谱 谱 仪1 永 久 磁 铁 ： 提 供 外 磁 场 , 要 求 稳 定 性 好 , 均 匀 , 不 均 匀 性 小于 六 千 万 分 之 一 ；扫 场 线 圈 ； 2射 频 振 荡 器 ：线 圈 垂 直 于 外 磁场 , 发 射 一 定 频 率 的 电 磁 辐 射 信 号 ； 60M Hz 或 100M Hz ；3 射 频 信 号 接 受 器 （ 检 测 器 ）： 当 质 子 的 进 动 频 率 与 辐 射 频 率 相 匹 配 时 ,发 生 能 级 跃 迁 ,吸 收 能 量 ,在

12、感 应 线 圈 中 产 生 毫 伏 级 信 号 ；4样 品 管 ：外 径 5m m 的 玻 璃 管 ,测 量 过 程 中 旋 转 , 磁 场 作 用 均 匀 ；一 、第 二 二 节核 磁 磁 共 共 振 振 与 与 化 化 学 学 位 位 移n0 核 磁 磁 共 共 振 振 与 与 化 化 学 学 位 位 移理 想 化 的 、裸 露 的 氢 核 ；满 足 共 振 条 件 ：= g H 0 / 2 p 产 生 单 一 的 吸 收 峰 ；实 际 上 ,氢 核 受 周 围 不 断 运 动 着 的 电 子 影 响 ；在 外 磁 场 作 用 下 ,运 动 着 的 电 子 产 生 相 对 于 外 磁 场

13、方 向 的 感 应 磁 场 ,起 到 屏名师归纳总结 蔽作用,使氢核实际受到的外磁场作用减小：第 4 页,共 9 页H =（ 1- s） H 0s： 屏 蔽 常 数 ；s越 大 , 屏 蔽 效 应 越 大 ；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - n0 = g / 2p （ 1- s学习必备欢迎下载） H 0由 于 屏 蔽 作 用 的 存 在 , 氢 核 产生 共 振 需 要 更 大 的 外 磁 场 强 度 （ 相 对 于 裸 露 的 氢 核 ）, 来 抵 消 屏蔽 影 响 ；化 学 学 位 位 移 移 ：n0 = g / 2p （ 1- s） H 0由 于

14、 屏 蔽 作 用 的 存 在 ,氢 核 产 生 共 振 需 要 更 大 的 外 磁 场 强 度（ 相对 于 裸 露 的 氢 核 ）, 来 抵 消 屏 蔽 影 响 ； 在 有 机 化 合 物 中 , 各 种 氢核 周 围 的 电 子 云 密 度 不 同（ 结 构 中 不 同 位 置 ）共 振 频 率 有 差 异 ,即 引 起 共 振 吸 收 峰 的 位 移 , 这 种 现 象 称 为 化 学 位 移 ；化 学 学 位 位 移 移 的 的 表 表 示 示 方 方 法1 位 移 的 标 准 没 有 完 全 裸 露 的 氢 核 , 没 有 绝 对 的 标 准 ； 相对 标 准 ： 四 甲 基 硅 烷

15、Si C H 34 （ TMS ）（ 内 标 ）位 移 常 数 dT M S=02 为 什 么 用 T MS 作 为 基 准 .1 1 2 个 氢 处 于 完 全 相 同 的 化 学 环 境 , 只 产 生 一 个 尖 峰 ；（ 2）屏 蔽 强 烈 ,位 移 最 大 ；与 有 机 化 合 物 中 的 质 子 峰 不 重 迭 ；（ 3） 化 学 惰 性 ； 易 溶 于 有 机 溶 剂 ； 沸 点 低 , 易 回 收 ； 与 裸 露的 氢 核 相 比 , TMS的 化 学 位 移 最 大 , 但 规 定dT M S=0 , 其 他 种类 氢 核 的 位 移 为 负 值 , 负 号 不 加 ； d

16、小 , 屏 蔽 强 , 共 振 需 要 的 磁场 强 度 大 , 在 高 场 出 现 , 图 右 侧 ；d 大 , 屏 蔽 弱 , 共 振 需 要 的名师归纳总结 磁 场 强 度 小 , 在 低 场 出 现 , 图 左 侧 ； d= （n 样- n T M S）/第 5 页,共 9 页nT MS 10 6p pm - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载常 见 见 结 结 构 构 单 单 元 元 化 化 学 学 位 位 移 移 范 范 围二 、 影 影 响 响 化 化 学 学 位 位 移 移 的 的 因 因 素1电 负 性 与 质 子 相

17、连 元 素 的 电 负 性 越 强 ,吸 电 子 作 用 越 强 ,价 电 子 偏 离 质 子 , 屏 蔽 作 用 减 弱 , 信 号 峰 在 低 场 出 现 ；- CH 3,d = 1. 6 2. 0, 高 场 ； -C H 2I ,d =3.0 3. 5,- O- H ,-C -H ,d大d小低 场高 场2. 价 电 子 产 生 诱 导 磁 场 , 质 子 位 于 其 磁 力 线 上 , 与 外 磁 场 方 向一 致 , 去 屏 蔽 ；3. 价 电 子 产 生 诱 导 磁 场 , 质 子 位 于 其 磁 力 线 上 , 与 外 磁 场 方 向一 致 , 去 屏 蔽 ；名师归纳总结 - -

18、- - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载4. 苯 环 上 的 6 个 p 电 子 产 生 较 强 的 诱 导 磁 场 , 质 子 位 于 其 磁 力线 上 ,与 外 磁 场 方 向 一 致 ,去 屏 蔽 ；第 第 三 三 节自 旋 旋 偶 偶 合 合 与 与 自旋 裂 裂 分 分 一 一 、 自 自 旋 旋 偶 偶 合 合 与 与 自 自 旋 旋 裂 裂 分 分 每 类 氢 核 不 总 表 现 为 单 峰 , 有时 多 重 峰 ； 原 因 ： 相 邻 两 个 氢 核 之 间 的 自 旋 偶 合 （ 自 旋 干 扰 ）；峰 的

19、的 裂 裂 分 分 峰 的 裂 分 原 因 : 自 旋 偶 合 相 邻 两 个 氢 核 之 间 的 自 旋 偶 合（ 自 旋 干 扰 ）；多 重 峰 的 峰 间 距 ： 偶 合 常 数 （ J）, 用 来 衡 量 偶 合 作 用 的 大 小 ；自 旋 旋 偶 偶 合 合 峰 的 裂 分 原 因 : 自 旋 偶 合 相 邻 两 个 氢 核 之 间 的 自 旋 偶 合（ 自 旋 干 扰 ）；多 重 峰 的 峰 间 距 ：偶 合 常 数（ J）,用 来 衡 量 偶 合 作 用 的 大 小 ；二 、峰 裂 裂 分 分 数 数 与 与 峰 峰 面 面 积峰 裂 分 数 ： n+ 1 规 律 ； 相 邻

20、碳 原 子 上 的 质 子 数 ；系 数 符 合 二 项 式 的 展 开 式 系 数 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载峰 面 积 与 同 类 质 子 数 成 正 比 ,仅 能 确 定 各 类 质 子 之 间 的 相 对比 例 ；第 四 四 节 谱 图 图 解 解 析 析 与 与 化 化 合 合 物 物 结 结 构 构 确 确 定 定 一 一 、 谱 谱 图 图 中 中 化 化 合 合 物的 结 结 构 构 信 信 息 息 （ 1） 峰 的 数 目 ： 标 志 分 子 中 磁 不 等 性 质 子

21、的 种 类 ,多 少 种 ；（ 2） 峰 的 强 度 面 积 ： 每 类 质 子 的 数 目 相 对 , 多 少 个 ；（ 3） 峰 的 位 移 d ： 每 类 质 子 所 处 的 化 学 环 境 , 化 合 物 中 位 置 ；（ 4） 峰 的 裂 分 数 ： 相 邻 碳 原 子 上 质 子 数 ；（ 5） 偶 合 常 数 J ： 确定 化 合 物 构 型 ； 不 足 之 处 ： 仅 能 确 定 质 子 （ 氢 谱 ）； 二 二 、 谱 谱 图 图 解析 析 1. 谱 图 解 析 （ 1）6 个 质 子 处 于 完 全 相 同 的 化 学 环 境 , 单 峰 ；名师归纳总结 没 有 直 接 与

22、 吸 电 子 基 团 （ 或 元 素 ） 相 连 , 在 高 场 出 现 谱 谱 图 图 解 解 析第 8 页,共 9 页（22）- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载质 子 a 与 质 子 b 所 处 的 化 学 环 境 不 同 , 两 个 单 峰 ；单 峰 ： 没 有 相 邻 碳 原 子 （ 或 相 邻 碳 原 子 无 质 子 ）质 子 b 直 接 与 吸 电 子 元 素 相 连 ,产 生 去 屏 蔽 效 应 ,峰 在 低 场 （ 相对 与 质 子 a ） 出 现 ； 质 子 b 也 受 其 影 响 , 峰 也 向 低 场 位 移 ； 谱 谱图 解 解 析 析 （33）裂 分 与 位 移 谱 谱 图 图 解 解 析 析（44）苯 环 上 的 质 子 在 低 场 出 现 ；为 什 么 ？为 什 么 1H 比 6 H 的 化 学 位 移 大 ？名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页