核磁共振光譜

1、 張漢輝張漢輝 教授教授編委編委常務(wù)常務(wù)編委編委 陳義平陳義平 副教授、博士副教授、博士; 孫燕孫燕瓊瓊 博士博士 北京大學(xué)的北京大學(xué)的800MHz NMR2001年推出的年推出的 900 MHz NMR 核磁共振成像是近年來(lái)一種新型的高科核磁共振成像是近年來(lái)一種新型的高科技影像學(xué)檢查方法，是技影像學(xué)檢查方法，是80年代初才應(yīng)用年代初才應(yīng)用于臨床的醫(yī)學(xué)影像診斷新技術(shù)。它具有于臨床的醫(yī)學(xué)影像診斷新技術(shù)。它具有無(wú)電離輻射性（放射線）損害；無(wú)骨性無(wú)電離輻射性（放射線）損害；無(wú)骨性偽影；能多方向（橫斷、冠狀、矢狀切偽影；能多方向（橫斷、冠狀、矢狀切面等）和多參數(shù)成像；高度的軟組織分面等）和多參數(shù)成像；

2、高度的軟組織分辨能力；無(wú)需使用對(duì)比劑即可顯示血管辨能力；無(wú)需使用對(duì)比劑即可顯示血管結(jié)構(gòu)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 核磁共振是一種物理現(xiàn)象，早在核磁共振是一種物理現(xiàn)象，早在1946年年就被美國(guó)的布勞克和相塞爾等人分。別就被美國(guó)的布勞克和相塞爾等人分。別發(fā)現(xiàn)，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物發(fā)現(xiàn)，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)等領(lǐng)域，用作研究物質(zhì)的分子理、化學(xué)等領(lǐng)域，用作研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 1971年，美國(guó)人達(dá)曼迪恩才提出，將核年，美國(guó)人達(dá)曼迪恩才提出，將核磁共振用于醫(yī)學(xué)的診斷，當(dāng)時(shí)，未能被磁共振用于醫(yī)學(xué)的診斷，當(dāng)時(shí)，未能被科學(xué)界所接受。然而，僅僅科學(xué)界所接受。然而，僅僅10年的時(shí)間，

3、年的時(shí)間， 到到1981年，就取得了人體全身核磁共振年，就取得了人體全身核磁共振的圖像。使人們長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)想用無(wú)損的圖像。使人們長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)想用無(wú)損傷的方法，既能取得活體器官和組織的傷的方法，既能取得活體器官和組織的詳細(xì)診斷圖像，又能監(jiān)測(cè)活體器官和組詳細(xì)診斷圖像，又能監(jiān)測(cè)活體器官和組織中的化學(xué)成分和反應(yīng)的夢(mèng)想終于得以織中的化學(xué)成分和反應(yīng)的夢(mèng)想終于得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 核磁共振完全不同于傳統(tǒng)的核磁共振完全不同于傳統(tǒng)的X線和線和CT，它是一種生物磁自旋成像技術(shù)，利用人它是一種生物磁自旋成像技術(shù)，利用人體中的遍布全身的氫原子在外加的強(qiáng)磁體中的遍布全身的氫原子在外加的強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)受到射頻脈沖的激發(fā)，產(chǎn)生核磁共

4、場(chǎng)內(nèi)受到射頻脈沖的激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)空間編碼技術(shù)，用探測(cè)器振現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)空間編碼技術(shù)，用探測(cè)器檢測(cè)并接受以電磁形式放出的核磁共振檢測(cè)并接受以電磁形式放出的核磁共振信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，最后將人體各組織的形態(tài)形成圖像，以最后將人體各組織的形態(tài)形成圖像，以作診斷。作診斷。 核磁共振所獲得的圖像異常清晰、精細(xì)、分辨核磁共振所獲得的圖像異常清晰、精細(xì)、分辨率高，對(duì)比度好，信息量大，特別對(duì)軟組織層率高，對(duì)比度好，信息量大，特別對(duì)軟組織層次顯示得好。使醫(yī)生如同直接看到了人體內(nèi)部次顯示得好。使醫(yī)生如同直接看到了人體內(nèi)部組織那樣清晰、明了，大大提高了診

5、斷效率。組織那樣清晰、明了，大大提高了診斷效率。避免了許多以往因手術(shù)前診斷不明而不得不進(jìn)避免了許多以往因手術(shù)前診斷不明而不得不進(jìn)行的開(kāi)顱、開(kāi)胸、開(kāi)腹探查及其他的一些探查行的開(kāi)顱、開(kāi)胸、開(kāi)腹探查及其他的一些探查診斷性手術(shù)，使病人避免了不必要的手術(shù)痛苦診斷性手術(shù)，使病人避免了不必要的手術(shù)痛苦以及探查性手術(shù)所帶來(lái)的副損傷及并發(fā)癥。所以及探查性手術(shù)所帶來(lái)的副損傷及并發(fā)癥。所以它一出現(xiàn)就受到影像工作者和臨床醫(yī)生的歡以它一出現(xiàn)就受到影像工作者和臨床醫(yī)生的歡迎，目前已普遍的應(yīng)用于臨床，對(duì)一些疾病的迎，目前已普遍的應(yīng)用于臨床，對(duì)一些疾病的診斷成為必不可少的檢查手段。診斷成為必不可少的檢查手段。2) 1(hII

6、PI =PI PIZ=MIZ=PIZ=MIMI=I、I-1、-I2h2h 因因Z=PIZ=MI E1=1/2h/2H0 （MI=+1/2，取向）取向） E2=1/2h/2H0 （M1=1/2，取向）取向）2h02HhEE與與H0和和有關(guān)有關(guān)I=1/2的核的磁能級(jí)示意圖的核的磁能級(jí)示意圖 核核 天然豐度天然豐度 I 核磁矩核磁矩 旋磁比（旋磁比（） /2 相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度 （）（） （核磁子（核磁子 （孤度（孤度秒秒-1 （兆周（兆周 （同一磁場(chǎng)）（同一磁場(chǎng)） 單位）單位） 高斯高斯-1） /1萬(wàn)高斯）萬(wàn)高斯） 1H 99.9844 1/2 2.7927 26.753 42.577 1.00

7、0 13C 1.069 1/2 0.70216 6.728 10.705 0.015915N 0.380 1/2 -0.28304 -2.712 4.315 0.00104 19F 100 1/2 2.6273 25.179 40.055 0.834 31P 100 1/2 1.1305 10.840 17.235 0.06435Cl 75.4 3/2 0.82089 2.624 4.172 0.00471 11B NMR of B10H14 H=H0 Heff=H0+H=H0H0=（1）H00122HHeff (HRHS)HR106 (ppm) (SR)R106 (ppm) (RS)106

8、（ppm） , , 1.8 2.1 2.5 2.8 3.1 4.0 0 0.23 2.16 2.68 3.05 4.26 例例 4.03H OCH3 CC 3.8 H HP共軛共軛 （）O 6.27 H CCH3 CC 5.9 H H CHCH H H H3CCH3 CC H H sp sp2 sp3 2.9ppm 5.8ppm 0.9ppm9.28-2.90 乙烯乙烯的質(zhì)子的質(zhì)子值值(5.25ppm)比飽和烴的比飽和烴的CH2的的約大約大4ppm。羰基的屏蔽作用和雙鍵相似，由于羰基的屏蔽作用和雙鍵相似，由于醛基質(zhì)醛基質(zhì)子處于去屏蔽區(qū)，同子處于去屏蔽區(qū)，同時(shí)還受到電負(fù)性較強(qiáng)的氧原子的誘導(dǎo)作用，

9、至使醛共振峰出現(xiàn)時(shí)還受到電負(fù)性較強(qiáng)的氧原子的誘導(dǎo)作用，至使醛共振峰出現(xiàn)在低場(chǎng)（在低場(chǎng)（=9.210.5ppm）4范德華效應(yīng)（范德華效應(yīng)（Van der Waalss effect）5氫鍵效應(yīng)（氫鍵效應(yīng)（effect of hydroge bond）例如：例如： BrCH2Cl = 0.23+2.33+2.53=5.09ppm (obs5.16ppm) 例如：例如：（C6H5）-CH2CH3 = 0.23+1.85+0.47=2.55ppm (obs2.62ppm) 例如：例如：（C6H5）CH Cl2 = 0.23+1.85+2.532=7.14ppm (obs6.61ppm)同順?lè)碿=c-H

10、 = 5.25 + Z同同 + Z順順 + Z反反 (ppm)例：例：HaHbRc=cHA=5.25+0+(-0.22)+0.12= 5.15 ppm (obs. 5.27 ppm)c=cHB=5.25+0+0.38+(-0.28)= 5.35 ppm (obs. 5.37 ppm) 7.01 5.95 5.60 5.95 ppm 環(huán)的張力環(huán)的張力 23SO2ClO2N3 = 7.27+0.83+0.10 = 8.2 ppm （實(shí)測(cè)值（實(shí)測(cè)值8.25 ppm） 2 = 7.27+0.26+0.85 = 8.38 ppm （實(shí)測(cè)值（實(shí)測(cè)值8.45 ppm）HaHaHbHbOCH3COOHHa=

11、7.27+0.8-0.10 = 7.97 ppm (實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值8.08 ppm)Hb= 7.27-0.45+0.25 = 7.07 ppm (實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值6.98 ppm) 醋酸芐酯醋酸芐酯- ChemDrawOH乙醛的乙醛的NMR譜圖譜圖（60兆周）兆周）A= （1A）HO2 A1 =/2（HO+HB）（）（1） 在低場(chǎng)出峰在低場(chǎng)出峰 A2 =/2（HO -HB）（）（1） 在高場(chǎng)出峰在高場(chǎng)出峰=12= （1A）HB = JABB AAA1A2FHaHbBr(C)-CHB質(zhì)子質(zhì)子 質(zhì)子產(chǎn)生質(zhì)子產(chǎn)生 -CH2-實(shí)受實(shí)受 譜線位置譜線位置 自旋取向自旋取向 局部磁場(chǎng)局部磁場(chǎng) 磁場(chǎng)磁場(chǎng) （+1/

12、2） H HO +H 低場(chǎng)出峰低場(chǎng)出峰 （-1/2） H HO - H 高場(chǎng)出峰高場(chǎng)出峰-CH2-質(zhì)子質(zhì)子 氫核產(chǎn)生氫核產(chǎn)生 HB實(shí)受磁場(chǎng)實(shí)受磁場(chǎng) 譜線位置譜線位置 取向排列取向排列 局部磁場(chǎng)局部磁場(chǎng) 2H HO+2H 低場(chǎng)出峰低場(chǎng)出峰 0 HO 0 HO 不變不變 2H HO2H 高場(chǎng)出峰高場(chǎng)出峰-CH2-質(zhì)子受到質(zhì)子受到-CH質(zhì)子的作用，質(zhì)子的作用，NMR譜線分裂成二重峰，譜線分裂成二重峰，峰面積比峰面積比1：1 -CH實(shí)質(zhì)上受到三種不同的磁場(chǎng)的作用，實(shí)質(zhì)上受到三種不同的磁場(chǎng)的作用，NMR譜線分裂為三重峰，譜線分裂為三重峰，峰面積比峰面積比1：2：1-CH3 氫核產(chǎn)生氫核產(chǎn)生 質(zhì)子取向排列

13、質(zhì)子取向排列 局部磁場(chǎng)局部磁場(chǎng) CH實(shí)受磁場(chǎng)實(shí)受磁場(chǎng) 譜線位置譜線位置 3H HO+3H 低場(chǎng)出峰低場(chǎng)出峰 H HO+H H HO+H 低場(chǎng)出峰低場(chǎng)出峰 H HO+H H HOH H HOH 高場(chǎng)出峰高場(chǎng)出峰 H HOH 3H HO3H 高場(chǎng)出峰高場(chǎng)出峰 0 1 1 單峰單峰 1 2 1 1 二重峰二重峰 2 3 1 2 1 三重峰三重峰 3 4 1 3 3 1 四重峰四重峰 4 5 1 4 6 4 1 五重峰五重峰 一級(jí)譜系統(tǒng)小結(jié)一級(jí)譜系統(tǒng)小結(jié) AX系統(tǒng)的圖譜特征：系統(tǒng)的圖譜特征： （1）有四條線，）有四條線，A和和X各占兩條各占兩條 各組峰的中心即化學(xué)位移各組峰的中心即化學(xué)位移 （2）裂分

14、譜二線間距等于）裂分譜二線間距等于JAX （3）A及及X的化學(xué)位移處于所屬二線的中心的化學(xué)位移處于所屬二線的中心 （4）圖譜中四線高度相等）圖譜中四線高度相等 例如：例如：HCCF，HCCl2F等都是等都是AX系統(tǒng)系統(tǒng)HO(P-CH2-)2-N-CH2-C-OHHOOO(A)(B) （1）在此系統(tǒng)，任何兩類(lèi)氫核之間的化學(xué)）在此系統(tǒng)，任何兩類(lèi)氫核之間的化學(xué)位移之差均遠(yuǎn)大于它們之間的偶合常數(shù)。位移之差均遠(yuǎn)大于它們之間的偶合常數(shù)。 （2）當(dāng)）當(dāng)JAMJXM時(shí)，時(shí)，AMX系統(tǒng)共有十二條譜線，系統(tǒng)共有十二條譜線，A、M、X各占四條，四線強(qiáng)度相等。十二條線共有三種裂距，分別各占四條，四線強(qiáng)度相等。十二條線

15、共有三種裂距，分別等于偶合常數(shù)等于偶合常數(shù)JAM、JAX和和JMX。每組四重峰的中心分別為。每組四重峰的中心分別為A、M和和X的化學(xué)位移。例如的化學(xué)位移。例如 醋酸乙烯酯醋酸乙烯酯的的1H NMR（圖圖3-18.）。）。 （3）當(dāng)）當(dāng)JAMJXM時(shí)，譜線的分裂數(shù)目不再是時(shí)，譜線的分裂數(shù)目不再是（n+1）（n+1），而是，而是（n+n+1），峰的強(qiáng)度比仍服從二頂式系峰的強(qiáng)度比仍服從二頂式系數(shù)比規(guī)則。如數(shù)比規(guī)則。如CH3CH2CH2I的的1H NMR（圖圖3-19）。）。 原子核的磁性原子核的磁性（核旋磁比）（核旋磁比） 偶合常數(shù)偶合常數(shù) 幾何構(gòu)型幾何構(gòu)型 鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng) 分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) 鍵角鍵角 電

16、子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu) 化學(xué)鍵的電子云分布化學(xué)鍵的電子云分布 核周?chē)娮用芏群酥車(chē)娮用芏群撕薃，核，核B之間的偶合之間的偶合核核B在核在核A處產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)為處產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)為HBHB=KBB A（1）= A / 2（H0HB）（）（1A）A（2）=A / 2（H0HB）（）（1A）JA B= A（1） A（2）=（A/ ） （） （ HB） （） （1 A） = KBAB（1A）/同理同理,對(duì)于核對(duì)于核BJA B= B ( 1 ) B ( 2 )= KAAB( 1 B _) / JAB=KAB 1） J和相隔化學(xué)鍵的數(shù)目的關(guān)系和相隔化學(xué)鍵的數(shù)目的關(guān)系分子分子 nJHH (HZ) CH4 2J= 1

17、2.4 CH3-CH3 3J=8.0 CH3-CH2-CH3 4J0.5 2J3J4J，隔四個(gè)，隔四個(gè)鍵的偶合一般不鍵的偶合一般不易觀察到易觀察到 鍵的類(lèi)型鍵的類(lèi)型 鍵長(zhǎng)（鍵長(zhǎng)（A） 1JC-C（H Z） CC 1.534 34.6 CC 1.339 67.6 CC 1.205 171.52）. 化學(xué)鍵的性質(zhì)化學(xué)鍵的性質(zhì)（1） 飽和烴飽和烴 一般一般3JH-H=79HZ，4JH-H0.5HZ。 （2） 烯烴烯烴 烯烴中的烯烴中的鍵傳遞偶合的能力比鍵傳遞偶合的能力比鍵強(qiáng)，如乙烯的鍵強(qiáng)，如乙烯的3J順（順（H-H）=11.6Hz，3J反（反（H-H）=19.1Hz。如果。如果C=C雙鍵被雙鍵被C-

18、C單隔開(kāi)，單隔開(kāi)，傳遞偶合的能力迅速減弱。如：傳遞偶合的能力迅速減弱。如：H-C=C-CH2-R，4JH-H=1.5Hz，J二烯二烯H-C=C-C=C-H，5JH-H0.71.3Hz。如果二個(gè)雙鏈直接相。如果二個(gè)雙鏈直接相連時(shí)，傳遞偶合的能力很強(qiáng)，如丙二烯連時(shí)，傳遞偶合的能力很強(qiáng)，如丙二烯H2C=C=CH2，4JH-H=7Hz。 （3） 炔烴炔烴 3） 鍵角鍵角1959年，年，Karplus提出了烷烴的提出了烷烴的3JH-H與與HCCH的的二面角二面角關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式： 3JH-H=A+B cos+C cos2 麻黃鹼和假麻黃鹼麻黃鹼和假麻黃鹼PhPhHaOHHbCH3NHCH3

19、HaOHHbCH3NHCH3(A)(B)的的3JH-H分別為分別為4和和10Hz4）. 取代基的影響和偶合常數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算取代基的影響和偶合常數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算（1） 對(duì)對(duì)CH3CH2X化合物，化合物，X的電負(fù)性愈大，的電負(fù)性愈大，3JH-H就愈小，其值可由下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：就愈小，其值可由下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 3JH-H=7.9n（0.7）（）（X）（）（Hz） 例如：求例如：求CH2ClCHCl2的的3JH-H值值 解：解：n=3，X=32.1=0.9 3JH-H=7.930.70.9=5.9 Hz ( 3JH-H (obs.)=6.0 Hz）（2） 對(duì)對(duì)CH2=CHX化合物，化合物，HHRR123JH

20、-H(順順) C1（順）（順）.C2（順）（順）HHRR123JH-H(反反)C1（反）（反）.C2（反）（反）例如：已知某化合物的分子式為例如：已知某化合物的分子式為CH=CHCOOH，NMR譜中的質(zhì)子偶合常數(shù)譜中的質(zhì)子偶合常數(shù)3JH-H=12.3Hz確定其構(gòu)型確定其構(gòu)型解：查表解：查表2-10得值如下：得值如下： 取代基取代基 C（順）（順） C（反）（反） 3.527 4.065 COOH 3.540 3.936 3JH-H 順順 =3.5273.540=12.49 (Hz) 3JH-H 反反=4.0653.936=16.00 (Hz) 3JH - H 順順 ( c a l . ) 與與

21、 3JH - H 順順( o b s . ) 相 近相 近 故故化合物是順式構(gòu)型化合物是順式構(gòu)型(3) 取代苯偶合常數(shù)計(jì)算取代苯偶合常數(shù)計(jì)算 Jo= 7.54+A+ (Hz) Jm= 1.37+A+ (Hz) Jp= 0.69+A+ (Hz)在計(jì)算三、四取代苯時(shí)，需要一個(gè)修正值在計(jì)算三、四取代苯時(shí)，需要一個(gè)修正值例例1 J23=J56=7.54+A23 (Cl )+A23 (COCH3 ) =7.54+0.54+0.2=8.40 (obs. 8.4)（ Hz） J26=1.37+A26 (Cl )+A35 (COCH3) =1.37+0.84-0.06=2.15 (obs. 2.2)（ Hz）

22、 J35=1.37+A35(Cl)+A26(COCH3) =1.37+0.35+0.54=2.26 (obs. 2.2)（ Hz） J25=J36=0.69+A25(Cl)+A25(COCH3) =0.69-0.16-0.08=0.45 (obs. 0.5)（ Hz）OCl例例2 J45=7.54+A34(CHO)+A25(OCH3)+A34(OH)+ =7.54-0.09+0.82+0.12+0.20 =8.35(obs.8.55) （ Hz） J34=7.54+A34(CHO)+A34(OCH3)+A23(OH)+ =7.54-0.09-0.16+0.72+0.20 =8.21(obs.8.30)（ Hz） J35=1.37+A35(CHO)+A24(OCH3)+A24(OH)+ =1.37-0.31-0.14-0.21+0.15 =0.86 (obs 0.82)（ Hz）OHHHHH3COCHO1. 化學(xué)等價(jià)化學(xué)等價(jià)： 分子中同種類(lèi)的核，其化學(xué)位移彼此相等者，稱(chēng)分子中同種類(lèi)的核，