核磁共振波譜儀NuclearMagnetic藥物分析

1、核磁共振波譜儀NuclearMagnetic藥物分析開展歷史1924年P(guān)auli W.假設(shè)特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁場中會產(chǎn)生能級分裂1952年Standford大學(xué)的Bloch和Harvard大學(xué)的Purcell獨立證實了上述假設(shè)。獲Nobel Prize 1956年，第一臺NMR儀器FT-NMR 1991年，Ernst 對高分辨核磁共振方法開展獲Nobel Prize 2002年 生物大分子的核磁分析Nobel Prizes1952年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的布洛赫Felix Bloch，19051983和美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)的珀塞爾Edward Pu

2、rcell，19121997，以表彰他們開展了核磁精細測量的新方法及由此所作的發(fā)現(xiàn)。1991年R.R. 恩斯特瑞士人創(chuàng)造了傅里葉變換核磁共振分光法和二維核磁共振技術(shù) 2002年諾貝爾化學(xué)獎 授予瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?維特里希，創(chuàng)造了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維構(gòu)造的方法 選擇生物大分子中的質(zhì)子(氫原子核)作為測量對象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理后就可形成生物大分子的三維構(gòu)造圖。 生物大分子應(yīng)用之 醫(yī)學(xué) 磁共振成像MRI&計算機斷層攝影技術(shù)CT三維空間多層面多方位的對人體內(nèi)的病變及人體構(gòu)造進展研究 1H-MRS質(zhì)子核磁共振波譜 用于檢測體內(nèi)多種微量代

3、謝物 應(yīng)用之 環(huán)保 控制柴油車尾氣污染 安裝環(huán)保引擎增效器 “所有物質(zhì)都存在內(nèi)部振動，包括在燃油中碳氫鍵 節(jié)油和控制尾氣污染 應(yīng)用之 地質(zhì)核磁共振測井 利用弛豫時間可以計算重要的石油測井參數(shù) 應(yīng)用之 合成 1H NMR 13C NMR 判斷和鑒定有機合成物構(gòu)造、構(gòu)象，研究構(gòu)造與性質(zhì)的關(guān)系，給出合成物的譜峰歸屬及構(gòu)造表征利用譜峰的峰面積定量分析所測定基團的含量利用化學(xué)位移差值研究電荷分布以及與定位效應(yīng)的關(guān)系進展有機合成過程分析和過程變化分析藥物分析與產(chǎn)品分析以及中間體質(zhì)量控制原子核不是一個質(zhì)點而有電荷分布有自旋角動量和磁矩原子核系統(tǒng)在外磁場中磁能級之間發(fā)生共振躍遷的現(xiàn)象原子核是自然界安排在物質(zhì)內(nèi)

4、部的極小探針81 核磁共振的根本原理(一自旋核在磁場中的行為 1能級分裂1)量子力學(xué)模型假設(shè)一個核圍繞經(jīng)核心指定軸進展自旋，其自旋角動量為p，而自旋角動量的狀態(tài)數(shù)由該核的自旋量子數(shù)I決定，共有2I+1個、取值為I、I一1、 、一I在無外磁場存在時各狀態(tài)的能量一樣。質(zhì)量數(shù) 原子序數(shù) 自旋量子數(shù)I偶數(shù) 偶數(shù) 0偶數(shù) 奇數(shù) 1，2，3.奇數(shù) 奇數(shù)或偶數(shù) 1/2；3/2；5/2. 自旋量子數(shù)I不為零的核都具有磁矩，原子的自旋情況可以用I表征：討論: (1) I=0 的原子核 O(16)；C12；S32等 ，無自旋，沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收。 (2) I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N

5、I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少； (3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機化合物的主要組成元素。(2)經(jīng)典力學(xué)模型 經(jīng)典力學(xué)模型認為，對于一個具有非零自旋量子數(shù)的核由于核帶正電荷，所以在其旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生磁場。當這個自旋核置于磁場中時，核自旋產(chǎn)生的磁場與外加磁場相互作用，就會產(chǎn)生盤旋，稱為進動(procession)。進動的頻率與自旋質(zhì)點角速度及外加磁

6、場的關(guān)系可以用Larmor方程表示即2能級分布與弛豫過程假設(shè)用足夠強的輻射照射質(zhì)子，那么較低能態(tài)的過量核減少會帶來信號減弱甚至消失，這種現(xiàn)象稱為飽和(saturated)。但假設(shè)較高能態(tài)的核能夠及時返回到低能態(tài)那么可以保持信號穩(wěn)定這種由高能態(tài)回復(fù)到低能態(tài)的過程稱為弛豫(relaxation)。馳豫過程:由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過程 自旋晶格馳豫：核與環(huán)境進展能量交換。體系能量降低而逐漸趨于平衡。又稱縱向馳豫。速率1/T1，T1為自旋晶格馳豫時間。 自旋自旋馳豫：自旋體系內(nèi)部、核與核之間能量平均及消散。又稱橫向馳豫。體系的做能量不變，速率1/T2，T2為自旋自旋時間。 馳豫時間與譜線寬度的關(guān)系 ：

7、即譜線寬度與馳豫時間成反比。 飽和：高能級的核不能回到低能級，那么NMR信號消失的現(xiàn)象。 (二)核磁共振中環(huán)境因素的影晌1化學(xué)位移屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移的根源 磁場中所有自旋核產(chǎn)生感應(yīng)磁場，方向與外加磁場相反或一樣，使原子核的實受磁場降低或升高，即屏蔽效應(yīng)。 H核=HO1- 其中H核表示氫核實際所受的磁場，為屏蔽常數(shù)分類：順磁屏蔽，抗磁屏蔽化學(xué)位移的表示 ：單位ppm 標準：四甲基硅TMS，=0，如以表示，=10，=10+用TMS作標準是由以下幾個原因：(i)TMS中12個氫核處子完全一樣的化學(xué)環(huán)境中，它們的共振條件完全一致，因此只有一個尖峰。(ii)IMS中質(zhì)子的屏蔽常數(shù)要比大多數(shù)其他化合物中質(zhì)子

8、的大，只在圖譜中遠離其他大多數(shù)待研究峰的高磁場(低頻)區(qū)有個尖峰。(iii)TMS是化學(xué)惰性的，易溶于大多數(shù)有機溶劑中且易于用蒸餾法從樣品中除去(bp=27).在含水介質(zhì)中要改用3三甲基硅丙烷磺酸鈉而在較高溫度環(huán)境中使用六甲基二硅醚常見的各種1H的化學(xué)位移如下： 2影響化學(xué)位移的各種因素(1)誘導(dǎo)效應(yīng)由于電負性基團如鹵素、硝基、氰基等存在，使與之相接的核外電子云密度下降從而產(chǎn)生去屏蔽作用，使共振信號向低場移動。在沒有其他因素影響的情況下屏蔽作用將隨可以導(dǎo)致氫核外電子云密度下降的元素的電負性大小及個數(shù)而相應(yīng)發(fā)生變化(2)共軛效應(yīng) 與誘導(dǎo)效應(yīng)一樣共軛效應(yīng)亦可使電子云密度發(fā)生變化，從而使化學(xué)位移向高

9、場或低場變化。由于鄰對位氧原子的存在，右圖中雙氫黃酮的芳環(huán)氫ab的化學(xué)位移為6.15ppm通常芳環(huán)氫化學(xué)位移大于7ppm。(3)磁各向異性效應(yīng) 如果在外場的作用下、一個基團中的電子環(huán)流取決于它相對于磁場的取向，那么該基團具有磁各向異性效應(yīng)。而電子環(huán)流將會產(chǎn)生一個次級磁場(右手定那么)這個附加磁場與外加磁場共同作用，使相應(yīng)質(zhì)子的化學(xué)位移發(fā)生變化。叁鍵 ：鍵軸向為屏蔽區(qū)，其它為去屏蔽區(qū)。 羰基平面上下各有一個錐形的屏蔽區(qū)，其它方向尤其是平面內(nèi)為去屏蔽區(qū)。單鍵 (4)氫鏈 當分子形成氫鍵時氫鍵中質(zhì)子的信號明顯地移向低磁場，使化學(xué)位移變大。一般認為是由于形成氫鍵時，質(zhì)子周圍的電于云密度降低所致。對于分

10、子間形成的氫鍵，化學(xué)位移的改變與溶劑的性質(zhì)及濃度有關(guān)。絕大多數(shù)氫鍵形成后，質(zhì)子化學(xué)位移移向低場。如下面化合物4個羥基的均可以形成氫鍵，按照氫鍵由弱到強的順序，逐步增大。乙醇的羥基隨濃度增加，分子間氫鍵增強，化學(xué)位移增大 溶劑效應(yīng) ：溶劑不同使化學(xué)位移改變的效應(yīng) 3自旋偶合及自旋分裂在磁場中有兩個自旋取向，而這些自旋取向會產(chǎn)生局部磁場而對鄰近核產(chǎn)生干擾。兩種核的自旋之間產(chǎn)生的相互干擾稱為自旋自旋偶合，簡稱為自旋偶合。相互干擾的大小用偶合常數(shù)表示。由自旋偶合所引起的譜線分裂的現(xiàn)象稱為自旋自旋分裂，簡稱自旋分裂。一級自旋-自旋裂分規(guī)那么 當I=1/2時，自旋裂分峰數(shù)目服從n+1規(guī)那么。1. n+1規(guī)

11、那么：當某基團上的氫有n個相鄰的氫時，它將顯示n+1個峰，各峰的高度比根本為二項式的各項系數(shù)比偶合常數(shù) 偶合常數(shù)反映兩核之間自旋偶合作用大小的量度，用J表示。 J常常等于兩裂分峰之間的裂距，一般在20Hz以下。 偶合常數(shù)也是重要的構(gòu)造信息。例如： 偶合常數(shù)的特點： J與H0無關(guān)。不同H0作用下或不同場強的儀器測得的J值一樣。 兩組相互干擾的核J值一樣。 例如，CH2ClCHCl2中三重峰間裂距等于二重峰間裂距。 在復(fù)雜體系中，J裂距！解析圖譜時，需進展繁雜的計算以求得和J。 較復(fù)雜圖譜的簡化增加磁場(ii) 同位素取代(iii)自旋去耦(iv)化學(xué)位移試劑4化學(xué)交換的影響 (1)質(zhì)子交換 (2

12、)構(gòu)象改變 (3)受阻旋轉(zhuǎn)82 核磁共振波譜儀 按工作方式，可將高分辨核磁共振波譜儀分為兩大類：連續(xù)波核磁共振波譜儀及脈沖博里葉變換核磁共波振譜儀。掃場法：固定射頻磁場頻率，讓Bz連續(xù)變化。掃頻法：磁場Bz固定，讓射頻場頻率連續(xù)變化。(一) 連續(xù)波核磁共振波譜儀1永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。2 射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。60MHz或100MHz。3 射頻信號承受器檢測器：當質(zhì)子的進動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生毫伏級信號。4樣品管：外徑5mm的玻璃管,測量過程中旋轉(zhuǎn), 磁場作用

13、均勻。(二)傅里葉變換NMR譜儀 采用在恒定的磁場中，在整個頻率范國內(nèi)施加具有一定能量的脈沖，使自旋取向發(fā)生改變并躍遷至高能態(tài)。高能態(tài)的核經(jīng)一段時間后又重新返回低能態(tài)通過收集這個過程產(chǎn)生的感應(yīng)電流，即可獲得時間域上的波譜圖。83 核磁共振波譜法的應(yīng)用(一)化合物鑒定1H-NMR的譜圖解析 解析步驟 譜圖中有幾組峰？幾種氫？ 各種氫核的個數(shù)？ 各峰的歸屬？ 常見構(gòu)造的化學(xué)位移大致范圍解析實例 例1：C3H7Cl的NMR。 例2：以下譜圖是否 的NMR？ 所以，該圖是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。3.9(單峰) -OCH3 6.77.3 苯環(huán)氫苯氫與氧原子相連的甲基氫例3：以下圖與A、B、C哪個

14、化合物的構(gòu)造符合？ 例4：芳香酮C8H7ClO的NMR譜。 (連在羰基上)例5：指出C6H5CH2CH2OCOCH3的NMR譜圖中各峰的歸屬。 (苯氫)(與氧原子相連的亞甲基氫)(與羰基相連的甲基氫)(二)定量分析核磁共振光 譜廣泛用于化合物的構(gòu)造分析，而其在化合物的定量分析中的應(yīng)用那么是比較新的內(nèi)容，日益受到重視。1定量參數(shù)：峰面積或峰高。2定量的特點：1對于確定的核質(zhì)子，其信號強度與產(chǎn)生該信號的核質(zhì)子的數(shù)目成正比，而與核的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。2利用內(nèi)標法或相比照較法分析混合物中某一化合物時，無需該化合物的純品作為對照標準。3峰很窄，遠小于各化合物之間的化學(xué)位移的差值，因而混合物中不同組分的信號之

15、間很少發(fā)生明顯的重疊。4方法簡單快速、準確、專屬性高，不破壞被測樣品，可選擇性的測定混合藥物或藥物制劑中的組分乃至藥物的立體異構(gòu)體。3測定方法：選擇一個適宜的峰作為測量峰。1內(nèi)標法絕對測量法 內(nèi)標法為NMR定量分析最常用的方法，它與GC的內(nèi)標法相似，在樣品溶液中，直接參加一定量內(nèi)標物質(zhì)后，NMR光譜測定，將樣品指定基團上的質(zhì)子引起的共振峰面積進展比較，當樣品與內(nèi)標均經(jīng)精細稱重時，那么樣品的絕對重量Wu可由下式求得： Wu Au Eu Au Eu - = - - Wu = Ws- - Ws As Es As Es Wu 百分含量 = -100% W84 其他核的核磁共振波譜提供的是分于骨架信息化學(xué)位移范圍達200，與質(zhì)子NMR相比要寬得多同核耦合及自旋自旋分裂會發(fā)生，但觀測不出有效地降低了圖譜的復(fù)雜性13C-NMR的化學(xué)位移 內(nèi)標：TMS。以其中的13C核的化學(xué)位移為標準。變化范圍：0250ppm。 各種常見的13C核的化學(xué)位移如下： 13C-NMR的譜圖 采取不同的去偶技術(shù)，可得到不同的13C-NMR圖譜。常見的有寬帶去偶譜、偏共振去偶譜、DEPT譜等。以下圖是2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的13C 的寬帶去偶譜： (四) 電子自旋共振波譜法 ESR廣泛地應(yīng)用于研究經(jīng)過自由基過程的化學(xué)、光化學(xué)和電化學(xué)反響還可以用于研究過渡金屬的配合