2.2核磁共振氢谱的解析
1、自旋偶合系统及分类
(1)自旋-自旋偶合机理
自旋核与自旋核之间的相互作用称自旋-自旋偶合(spin-spin coupling),简称自旋偶合。下图是1,1,2-三氯乙烷的1HNMR谱。
双峰和三峰的出现是由于相邻的氢核在外加磁场B0中产生不同的局部磁场且相互影响造成的。CHCl2中有两种取向,与B0同向和与B0反向,粗略认为二者几率相等。同向取向使CH2Cl的氢感受到外磁场强度稍稍增强,其共振吸收稍向低场(高频)位移,反向取向使CH2Cl的氢感受到的外磁场强度稍稍降低,其共振吸收稍向高场(低频)端位移,故CH使CH2裂分为双峰。
这种自旋-自旋偶合机理,认为是空间磁性传递的,即偶极-偶极相互作用。
对自旋-自旋偶合的另一种解释,认为是接触机理。即自旋核之间的相互偶合是通过核之间成键电子对传递的。
根据Pauling原理(成键电子类的自旋方向相反)和Hund规则(同一原子对成键电子应自旋平行)及对应的电子自旋取向与核的自旋取向相同时,势能稍有降低,以Ha-C-C-Hb为例分析。无偶合时Hb有一种跃迁方式,所吸收的能量为
,在Ha的偶合作用下,Hb有两种跃
迁方式,对应的能量分别为E1,E2。
在Hb的偶合作用下,Ha也被裂分为双峰,分别出现在
处,峰间距等于Jab,J为偶合常数。
所以自旋-自旋偶合是相互的,偶合的结果产生谱线增多,即自旋裂分。
偶合常数(J)是推导结构的又一重要参数。在1HNMR谱中,化学位移(δ)提供不同化学环境的氢。积分高度(h)代表峰面积,其简化为各组数目之比。裂分峰的数目和J值可判断相互偶合的氢核数目及基团的连接方式。 (2)n+1规律
某组环境完全相等的n个核(I=1/2),在B0中共有(n+1)种取向,使与其发生偶合的核裂分为(n+1)条峰。这就是(n+1)规律,概括如下: 某组环境相同的氢若与n个环境相同的氢发生偶合,则被裂分为(n+1)条峰。
某组环境相同的氢,若分别与n个和m个环境不同的氢发生偶合,且J值不等,则 被裂分为(n+1)(m+1)条峰。如高纯乙醇,CH2被CH3裂分为四重峰,每条峰又被OH中的氢裂分为双峰,共八条峰(3+1)*(1+1)=8。 实际上由于仪器分辨有限或巧合重叠,造成实测峰数目小于理论值。 只与n个环境相同的氢偶合时,裂分峰的强度之比近似为二项式(a+b)n展开式的各项系数之比。
这种处理是一种非常近似的处理,只有当相互偶合核的化学位移差值
,才能成立。
(3)自旋偶合系统中自旋核的等价性
a.自旋偶合系统。自旋偶合系统是指相互偶合的一组核,不要求系统内所有核之间都相互偶合,但与系统外任何磁核都不偶合。如丙基异丙基醚中乙基是一种自旋偶合系统,异丙基是另一种自旋偶合系统。
b.化学等价核。分子中化学位移相等的核称为化学等价核,如1,1,2-三氯乙烷中-CH2-的两质子是化学等价核。
又如对氯苯甲醛中2,6位两质子或3,5位两质子是化学等价的。
c.磁等价核。分子中若有一组自旋核,其化学位移相同,并且它们各个自旋核对组外任何一个磁核的偶合常数彼此也相同,那么这组核称为磁等价核。例如在1,1,2-三氯乙烷中,亚甲基-CH2-的两个质子不仅化学位移相同,而且它们对邻位次甲基中H的偶合常数也一致,所以称磁等价核。如果核既化学等价又磁等价,称为全同核或等同核。
d.磁不等价核。在有机分子中磁不等价性普遍存在,对推断结构很有用。化学等价的核不一定磁等价,而磁等价一定是化学等价。下面举例说明磁不等价性:
例1:双键同碳质子磁不等价