核磁共振基礎(chǔ)精品課件

1、核磁共振基礎(chǔ)第1頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振概論一維氫譜一維碳譜有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定與有機波譜學 寧永成 科學出版社有機化合物的波譜解析 藥明康德 華東理工大學出版社第2頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振概論核磁共振現(xiàn)象儀器描述核磁共振的方法譜圖參數(shù)實驗操作譜圖處理第3頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四Felix Bloch, USA and Edward M. Purcell, USA The Nobel Prize in Physics 1952, for their discovery of new m

2、ethods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith Richard R. Ernst, Switzerland The Nobel Prize in Chemistry 1991, for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy Kurt Wuthrich, Swit

3、zerland The Nobel Prize in Chemistry 2002, for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution Paul C. Lauterbur, USA and Peter Mansfield, United KingdomThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003,

4、 for their discoveries concerning magnetic resonance imaging ？核磁共振發(fā)展歷程 Theory Methodology Application第4頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振概述核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance)是指處于外磁場中的物質(zhì)，其原子核受到相應(yīng)頻率的電磁波作用時，其原子核的磁能級之間發(fā)生共振躍遷的這種物理現(xiàn)象。檢測電磁波被吸收的情況就可以得到核磁共振波譜。因此，核磁共振波譜是物質(zhì)與電磁波相互作用而產(chǎn)生的，屬于吸收光譜（波譜）范疇。根據(jù)核磁共振波譜圖上共振

5、峰的位置、強度和精細結(jié)構(gòu)及其它信息，可以研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、動力學和相互作用。核磁共振是最廣泛地研究分子性質(zhì)的最通用的技術(shù)：從三維結(jié)構(gòu)到分子動力學、化學平衡、化學反應(yīng)性和超分子體系。第5頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振特點原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)可以研究結(jié)構(gòu)、動力學、相互作用最接近生理或化學反應(yīng)條件不破壞樣品，不需要分離技術(shù)手段多，發(fā)展快靈敏度低儀器貴重原理和方法不易掌握第6頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四原子核的一些基本屬性電荷：質(zhì)子 中子自旋：自旋量子數(shù)I：0 自旋角動量P：磁矩（表征磁性）：=P旋磁比 gyromagnetic rati

6、o具有磁矩的原子核才會發(fā)生核磁共振現(xiàn)象質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)I典型核偶數(shù)偶數(shù)偶數(shù)012C, 16O, 32S偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)n/2(n=2,4,)2H, 14N奇數(shù)偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)偶數(shù)n/2(n=1,3,5,)1H, 13C, 15N, 19F, 31P, 11B,17O,35Cl, 79Br, 81Br, 127I第7頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振(NMR)的產(chǎn)生特定頻率電磁波照射，滿足h = E = (/2) B0與外磁場相互作用能E = - B0能級量子化E=(h/2) B0第8頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四經(jīng)典力學拉摩爾進動（Larmor

7、 precession) = (/2) B0第9頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振信號的影響因素 = (/2) B0I 0 射頻（兆赫）B0磁場強度旋磁比第10頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四S/NN3B03/2n1/2N自旋原子數(shù)目（樣品濃度）旋磁比B0 磁場強度n掃描次數(shù)核磁共振的靈敏度第11頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四同位素I天然豐度（%）/107絕對靈敏度共振頻率（MHz)B=7.0463T1H1/299.9826.751.003002H10.0151.45*10-646.0513C1/21.116.73

8、1.76*10-475.4314N199.631.01*10-321.6715N1/20.37-2.713.85*10-630.4019F1/210025.180.83282.2331P1/210010.846.63*10-2121.40常見核的核磁共振性質(zhì)第12頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四問題：根據(jù)1H、13C和15N的旋磁比、天然豐度等基本參數(shù)，計算13C、15N的絕對靈敏度（假設(shè)1H的絕對靈敏度為100）。對于400兆核磁共振譜儀而言，1H的共振頻率為400MHz，那么，13C、15N的共振頻率應(yīng)該是多少呢？同位素I天然豐度（%）/107絕對靈敏度共振頻率（M

9、Hz)1H1/299.9826.7510040013C1/21.116.7315N1/20.37-2.71第13頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振儀器第14頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四連續(xù)波（CW）傅立葉變換（FT） FIDAcquiretd第15頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四描述核磁共振的方法簡介能級圖(energy level)矢量模型（vector model)遲豫(relaxation)過程第16頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四能級圖吸收光譜、波譜共性：波爾茲曼分布 布居數(shù)躍遷自

10、發(fā)輻射幾率與能級差成正比飽和:布居數(shù)相同，無躍遷，即無核磁共振吸收核磁特點：遲豫過程frequency第17頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四矢量模型宏觀磁化強度M第18頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四zxyzxyzxy單脈沖實驗過程Acquiretd第19頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四遲豫過程Bloch 方程縱向遲豫時間T1橫向遲豫時間T2第20頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四自旋-晶格弛豫(spin lattice relaxation)energy process 自旋-自旋弛豫(spin-s

11、pin relaxation)entropy process in phase (coherence) dephase第21頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四遲豫機理Dipolar relaxationSpin rotation relaxationChemical shift anisotropyScalar couplingElectric quadrupolar relaxationParamagnetic relaxationDipole-dipole 機理：核周圍的分子相當于許多小磁體，這些小磁體快速運動產(chǎn)生的瞬息萬變的波動磁場，包含有許多不同頻率。若其中某個波

12、動場的頻率與核自旋產(chǎn)生的磁場的頻率一致時，這個自旋核就會與波動場發(fā)生能量交換，把能量傳給周圍分子而躍遷到低能級。第22頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四由弛豫時間所引起的 NMR 信號峰的加寬，可以用測不準原理來估計，即：E*th E=h*=1/t=1/T2譜線寬度與弛豫時間T2成反比。如果T2很小，譜線很寬固體樣品黏度大的樣品快速化學交換的信號四極矩原子核 14N 15NNMR 譜線的寬度第23頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四第24頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四原子核的電四極矩(electric quadropular

13、moment)第25頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四核磁共振的參數(shù)化學位移自旋耦合、耦合常數(shù)信號強度（積分值）遲豫時間NOE第26頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四化學位移當裸露核處于外磁場 B0中，它受到 B0所有的作用。而實際上，處在分子中的核并不是裸露的，核外有電子云存在。核外電子云受 B0的誘導(dǎo)產(chǎn)生一個方向與 B0相反，大小與 B0成正比的誘導(dǎo)磁場。它使原子核實際受到的外磁場強度減小。也就是說核外電子對原子核有屏蔽（shielding）作用。屏蔽常數(shù) 0 = (/2) B0 = (/2) B0（1-）發(fā)現(xiàn)：1950 年W .G.Procto

14、r, Y. C. Yu在研究硝酸銨NH4NO3的14N NMR 時發(fā)現(xiàn)兩條譜線，這說明核磁共振可以反映同一種核（14N）的不同化學環(huán)境。第27頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四屏蔽作用的大小與核外電子云密度有關(guān)，核外電子云密度越大，核受到的屏蔽作用越大，而實際受到的外磁場強度降低越多，共振頻率降低的幅度也越大。如果要維持核以原有的頻率共振，則外磁場強度必須增強得越多。電子云密度和核所處的化學環(huán)境有關(guān)，這種因核所處化學環(huán)境改變而引起的共振條件（核的共振頻率或外磁場強度）變化的現(xiàn)象稱為化學位移（ chemical shift）。由于化學位移的大小與核所處的化學環(huán)境有密切關(guān)系，

15、因此就有可能根據(jù)化學位移的大小來了解核所處的化學環(huán)境，即了解有機化合物的分子結(jié)構(gòu)。第28頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四屏蔽常數(shù)與原子核所處的化學環(huán)境有關(guān)，其中主要包括以下幾項影響因素： = d + p + a + sd：抗磁（diamagnetic）屏蔽的大小p：順磁（paramagnetic）屏蔽大小a：相鄰核的各向異性（anisotropic）的影響 s: 溶劑、介質(zhì)等其他因素的影響d是指核外球形對稱的 s電子在外磁場感應(yīng)下產(chǎn)生的對抗性磁場，它使原子核實際受到的磁場稍有降低，所以這種屏蔽作用稱為抗磁性屏蔽。p是指核外非球形對稱的電子云產(chǎn)生的磁場所起的屏蔽作用，它與

16、抗磁屏蔽產(chǎn)生的磁場方向相反，所以起到增強外磁場的作用。s電子是球形對稱的，對順磁性屏蔽沒有貢獻，而 d 、p 電子是各向異性的，對這一項都有貢獻。分子中其他原子或化學鍵的存在使所討論的原子核核外電子運動受阻，電子云呈非球形，也會對p有貢獻。除了核外電子類型的影響之外，相鄰基團的各向異性以及溶劑、介質(zhì)的性質(zhì)對屏蔽常數(shù)也有影響，但相比之下，d、p的影響大。第29頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四化學位移常數(shù)采用位移常數(shù) 來表示化學位移 =（樣-標）/ 標*106=/振蕩器頻率*106 樣、 標分別為樣品中磁核與標準物中磁核的共振頻率； 為樣品分子中磁核與標準物中磁核的共振頻率

17、差，標常常用振蕩器頻率0代替。位移常數(shù) 的值非常小，ppm。用 值表示化學位移，同一個物質(zhì)在不同規(guī)格型號的儀器上所測得的數(shù)值是相同的。第30頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四直接內(nèi)標物：TMS DSS間接內(nèi)標物：溶劑在1H 譜和13C 譜中都規(guī)定標準物 TMS 的化學位移值 =0，在它的左邊 為正值，在它的右邊 為負值，絕大部分有機物中的氫核或碳核的化學位移都是正值。不同的同位素核因屏蔽常數(shù) 變化幅度不等， 值變化的幅度也不同，如1H 的 值小于 20，13C 的 大部分在 0-250，而195Pt的 可達 13000。第31頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2

18、分，星期四自旋耦合產(chǎn)生原因：分子中磁核間的相互作用。它對化學位移沒有影響，而對譜峰的形狀有著重要影響。 BB-BB+B A核譜峰A核能級圖A核磁場強度第32頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四耦合常數(shù) J表示耦合的磁核干擾程度的大小，以赫茲 Hz為單位。耦合常數(shù)與外加磁場無關(guān)，而與兩個核在分子中相隔的化學鍵的數(shù)目和種類有關(guān)。J值與兩核間的鍵的數(shù)目密切相關(guān)，通常在 J 的左上角標以兩核相距的化學鍵數(shù)目，在 J 的右下角標明相互耦合的兩個核的種類。如13C1H 之間的耦合只相隔一個化學鍵，故表示為1JCH，而1HCC1H 中兩個1H 之間相隔三個化學鍵，其耦合常數(shù)表示為3JHH

19、。J 的大小還與化學鍵的性質(zhì)以及立體化學因素有關(guān)，是核磁共振譜能提供的極為重要的參數(shù)之一。J值有正負符號。相偶合的雙核取向相同時能量較高，或取向相反時能量較低，則J0，反之，則J0.耦合常數(shù) J第33頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四對于四極矩核，由于四極矩弛豫很快，粒子在高能級存在時間很短，本身核磁譜線極寬，難于檢測。同時，它與鄰近核的耦合作用也表現(xiàn)不出來，可當作無磁性核來處理。CHCl3四極矩核的耦合第34頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四一級譜圖的規(guī)律一組磁等價的核如果與另外 n 個磁等價的核相鄰時，這一組核的譜峰將被裂分為 2nI +1個峰，

20、I為自旋量子數(shù)。對于1H 以及13C、19F 等核種來說，I =1/2，裂分峰數(shù)目等于 n +1 個，因此通常稱為“n +1 規(guī)律”。AX體系第35頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四因耦合而產(chǎn)生的多重峰相對強度可用二項式(a + b)n展開的系數(shù)表示，n 為磁等價核的個數(shù)。即相鄰有一個耦合核時（n =1），形成強度基本相等的二重峰；相鄰有兩個磁等價的核時（ n =2），因耦合作用形成三重峰強度為 1:2:1；相鄰有三個磁等價核時（n =3），形成四重峰強度為1:3:3:1等等.A2X3體系第36頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四如果某組核既與一組 n

21、 個磁等價的核耦合，又與另一組 m 個磁等價的核耦合，且兩種耦合常數(shù)不同，則裂分峰數(shù)目為（n +1）（m +1）AMX體系A(chǔ)X6體系第37頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四化學等價化學等價又稱化學位移等價。如果分子中有兩個相同的原子或基團處于相同的化學環(huán)境時，稱它們是化學等價?；瘜W等價的核具有相同的化學位移值。A2X3體系第38頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四固定環(huán)上 CH2兩個氫不是化學等價的，如環(huán)已烷或取代的環(huán)已烷上的 CH2；化學不等價第39頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四受阻旋轉(zhuǎn)時同碳上的二相同基團，不是化學位移等價

22、第40頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四手性分子中的 -CH2上-CH(CH3)2 不是化學等價的第41頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四與手性碳直接相連的-CH2上-CH(CH3)2不是化學等價的第42頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四前手性中心不與手性中心相連，也可能不是化學等價可以用基團替換法分析第43頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四實驗操作樣品配制儀器準備實驗參數(shù)數(shù)據(jù)采集第44頁，共55頁，2022年，5月20日，23點2分，星期四樣品配制溶劑：氘代 溶解性 沸點 熔點濃度：對氫譜，10mM即可；對碳譜或其他雜核譜，濃度盡量大些，提高信噪比。高度：樣品量太少，無法得到滿意的效果。原則是：探頭線圈的三倍高度，具體換算結(jié)果如下:對Varian儀器，600