第四章核磁共振基礎(chǔ)課件

1、2020/6/2,第四章,核磁共振波譜,分析法,一、,概述,generalization,二、,基本原理,fundamentals,三、,基本概念,basic concepts,四、,譜圖舉例,13,C NMR and,1,H NMR,spectrograph,nuclear magnetic resonance,spectroscopy; NMR,2020/6/2,?,元素分析,元素組成,?,質(zhì)譜,（,MS,）,分子量及部分結(jié)構(gòu)信息,?,紅外光譜,（,IR,）,官能團(tuán)種類,?,紫外,可見光譜,（,UV / Vis,）,共軛結(jié)構(gòu),?,核磁共振波譜,（,NMR,）,C-H,骨架及所處,.,化學(xué)環(huán)

2、境,?,X-,射線單晶衍射,立體結(jié)構(gòu),有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究方法,2020/6/2,為什么學(xué)習(xí)核磁共振？,?,藥物設(shè)計(jì)與篩選,結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系,?,闡明（化學(xué)）結(jié)構(gòu),合成有機(jī)化學(xué)，合成高分子化學(xué)，天然產(chǎn)物化學(xué),合成化學(xué)家選擇的分析工具,?,研究動(dòng)力學(xué)過程,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，平衡過程（化學(xué)或結(jié)構(gòu)）,?,確定三維空間結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)，,DNA,，蛋白質(zhì),/DNA,復(fù)合物，多糖,?,生物學(xué)和醫(yī)學(xué)磁共振成像（,MRI,）,活體研究，代謝產(chǎn)物研究，病灶診斷,2020/6/2,一些實(shí)際的應(yīng)用,?,分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定,?,化學(xué)位移各向異性的研究,?,金屬離子同位素的應(yīng)用,?,動(dòng)力學(xué)核磁研究,?,質(zhì)子密度成像,?,T,1,

3、T,2,成像,?,化學(xué)位移成像,?,其它核的成像,?,指定部位的高分辨成像,?,元素的定量分析,?,有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析,?,表面化學(xué),?,有機(jī)化合物中異構(gòu)體的區(qū)分和確定,?,大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析,?,生物膜和脂質(zhì)的多形性研究,?,脂質(zhì)雙分子層的脂質(zhì)分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),?,生物膜蛋白質(zhì),脂質(zhì)的互相作用,?,壓力作用下血紅蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化,?,生物體中水的研究,?,生命組織研究中的應(yīng)用,?,生物化學(xué)中的應(yīng)用,?,在表面活性劑方面的研究,?,原油的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析,?,瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)分析,?,涂料分析,?,農(nóng)藥鑒定,?,食品分析,?,藥品鑒定,2020/6/2,1952,年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),：,布洛赫,(

4、,Felix Bloch,) ,1970,年：,Fourier(pilsed)-NMR,開始市場(chǎng)化（早期多使用的是連續(xù)波,NMR,儀器）,;,1991,年,:,瑞士的,Ernst,對(duì)高分辨核磁共振方法發(fā)展,(,獲,Nobel Prize);,2002,年,:,瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?維特里希,發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物,大分子三維結(jié)構(gòu)的方法,(,獲,Nobel Prize),。,2020/6/2,2020/6/2,12,位因?qū)舜殴舱竦慕艹鲐暙I(xiàn)而獲得諾貝,爾獎(jiǎng)科學(xué)家,1944,年,I.Rabi,1952,年,F.Block,1952,年,E.M.Purcell,1955,年,W.E.Lam

5、b,1955,年,P.Kusch,1964,年,C.H.Townes,1966,年,A.Kastler,1977,年,J.H.Van Vleck,1981,年,N.Bloembergen,1983,年,H.Taube,1989,年,N.F.Ramsey,1992,年,R.R.Ernst,2020/6/2,The Noble Prize in Chemistry 2002,2002,瑞士核磁共振波譜學(xué)家?guī)鞝柼?.,維,特里希（,Kurt W,thrich,）,教授由于,“發(fā)明了利用核磁共振（,NMR,）技術(shù),測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方,法”，而分享了,2002,年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,2020/

6、6/2,2003,年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),:,美國(guó)科學(xué)家,保羅,勞特布爾,(,Paul Lauterbur),和英國(guó)科學(xué)家,彼得,曼斯菲爾德,(Peter Mansfield ),用核磁共振層析“拍攝”的腦截面圖象,Peter,2020/6/2,2020/6/2,核磁共振現(xiàn)象,核,原子核,磁,磁場(chǎng),核磁共振（,NMR,）,原子核在磁場(chǎng)中的響應(yīng),為什么原子核在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生響應(yīng)呢？,（核有磁性）,2020/6/2,?,?,（,1,）原子核帶有正電，,自旋,時(shí)產(chǎn),生磁場(chǎng)，具有,磁矩,（,2,）在很強(qiáng)的,外磁場(chǎng),中,，,具有核,磁矩,的原子核產(chǎn)生,磁能級(jí)分裂,，,分裂成兩個(gè)或更多的量子化能級(jí),（,3,）用一個(gè)

7、能量恰好等于分裂后相鄰能級(jí)差的電,磁波照射，該核就可以吸收此頻率的波，發(fā)生能,級(jí)躍遷，從而產(chǎn)生,特征的,NMR,吸收。,這就是核磁共振的基本原理。,?,?,核磁共振基本原理,2020/6/2,1.,原子核的自旋（,atomic nuclear spin,）,（,3,）,只有自旋量子數(shù)（,I,）不為零的核具有磁矩,（,1,）一些原子核像電子一樣存在,自旋現(xiàn)象，因而有自旋角動(dòng)量：,P = I(I+1),1/2,I,為自旋量子數(shù)，,h,2,?,（,2,）由于原子核是具有一定質(zhì)量的帶,正電,的粒子，,故在自旋時(shí)會(huì)產(chǎn)生,核,磁,矩：,? =,?,P,?,與,P,方向平行，,?,磁旋比，,不同的核具有不同

8、的磁旋比，它,是磁核,一個(gè)特征（固定）值。,?,?,z,軸,2020/6/2,質(zhì)量數(shù)（,a,）,原子序數(shù)（,Z,）,自旋量子,（,I,）,例子,奇數(shù),奇或偶,?,?,2,5,2,3,2,1,2,1,1,1,H,I,=,7,15,9,19,6,13,N,F,C,8,17,17,35,5,11,2,5,2,3,O,I,Cl,B,I,=,=,偶數(shù),偶數(shù),0,16,32,8,16,6,12,S,O,C,偶數(shù),奇數(shù),1,，,2,，,3,5,10,7,14,1,2,3,1,B,I,N,H,I,?,=,原子核存在自旋，核磁矩不為零，能,與外加磁場(chǎng)相互作用，發(fā)生能級(jí)分裂，,用于核磁共振分析,具有磁矩的核：,P

9、,?,?,o,2020/6/2,討論,:,(1),I,=1,或,I,1,的原子核,I,=1,：,2,H,，,14,N,I,=3/2,：,11,B,，,35,Cl,，,79,Br,，,81,Br,I,=5/2,：,17,O,，,127,I,(2),1/2,的原子核（重點(diǎn)研究對(duì)象）,1,H,，,13,C,，,19,F,，,31,P,共振吸收復(fù)雜,，研究應(yīng)用較少,；,C,，,H,也是有機(jī)化合物的主要組成元素。,2020/6/2,(1),與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù),I,1/2;,(2),與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù),I,1/2;,自旋角動(dòng)量,P,在外磁場(chǎng)的分量為：,P,z,m,氫核（,I,=1/

10、2,），核磁矩不為零，在外磁,場(chǎng)作用下繞磁軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生能級(jí)分裂，,分裂能級(jí)可用磁量子數(shù),m,表示,，,m,可以,取值：,I,，,I,1.,I,，,共,有（,2I+1,）,種能級(jí)。,2.,核磁能級(jí)分裂,：,（以氫核為例）,E,=,u,z,H,0,m,（,h/2,?,）,?,H,0,?,磁旋比,；,H,0,外磁場(chǎng)強(qiáng)度,分裂的能級(jí)為,P,?,?,o,H,0,h,2,?,2020/6/2,?,E= E,2,E,1,=,（,h/2,?,）,?,H,0,發(fā)生核磁共振時(shí)：,?,E=,h,?,0,1,H,?,E,E,1,=,（,h/4,?,）,?,H,0,E,2,=+,（,h/4,?,）,?,H,0,P,H,

11、0,共振頻率,：,?,0,=,（,1/2,?,）,?,H,0,由此可見，核磁共振吸收頻率僅和外磁場(chǎng)強(qiáng)度、核,自身的磁旋比相關(guān),2020/6/2,?,磁矩繞靜磁場(chǎng),0,靜動(dòng),(,與陀螺在重,力場(chǎng)中發(fā)生進(jìn)動(dòng)類,似,),。,?,Larmor,進(jìn)動(dòng),?,進(jìn)動(dòng)頻率,（,Larmor,頻率,),0,0,B,?,?,=,2020/6/2,（,1,）,在相同,H,0,下，不同的核，因,磁旋比,不同，發(fā),生共振的頻率不同，據(jù)此可以鑒別各種元素及同位,素。,例如，在,2.3 T,的磁場(chǎng)中，,1,H,的共振頻率為,100 MHz,，,13,C,的為,25 MHz,只是氫核的,1/4,，,總結(jié),（,2,）對(duì)同一種核，

12、,?,一定，當(dāng),H,0,不變時(shí)，共振頻,率不變；當(dāng),H,0,改變時(shí)，共振頻率也隨之而變。,例如，氫核在,1.409 T,的磁場(chǎng)中，共振頻率為,60 MH,Z,，而在,2.350 T,時(shí)，為,100 MH,Z,。,共振頻率,：,?,0,=,（,1/2,?,）,?,H,0,2020/6/2,核磁共振產(chǎn)生的條件,核有自旋,(I,不為零,),，磁矩,有外磁場(chǎng),能級(jí)裂分,;,輻射頻率與能級(jí)差相等。,?,0,= H,0,?,/ (2,?,),2020/6/2,核磁共振基本概念,能級(jí)分布與,弛豫,過程,屏蔽,作用與,化學(xué)位移,2020/6/2,能級(jí)分布與弛豫過程,不同能級(jí)上分布的核數(shù)目可由,Boltzman

13、n,定律計(jì)算：,磁場(chǎng)強(qiáng)度,2.3488 T,；,25,?,C,；,1H,的共振頻率與分配比：,?,?,?,?,?,?,?,=,?,?,?,?,?,?,?,?,=,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,=,kT,h,kT,E,kT,E,E,N,N,j,i,j,i,?,exp,exp,exp,兩能級(jí)上核數(shù)目差：,1.6,?,10,-5,；,MHz,00,.,100,24,.,3,2,3488,.,2,10,68,.,2,2,8,0,?,?,?,=,=,B,?,?,?,共振頻率,999984,.,0,K,K,J,s,s,J,298,10,38066,.,1,10,00,.,100,10,626,.

14、,6,exp,1,1,23,6,34,=,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,=,?,?,?,?,j,i,N,N,弛豫,(relaxtion),高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。,飽和,(saturated),低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。,2020/6/2,弛豫快慢：用弛豫時(shí)間,T,來進(jìn)行度量；,倘若體系吸收了足夠的射頻能量，使相,鄰能級(jí)上的粒子數(shù)相等，這時(shí)體系不再呈現(xiàn),凈吸收，因而無(wú)法測(cè)得核磁共振信號(hào)，此時(shí),稱為,飽和,。,那么，靠什么維持,NMR,信號(hào)呢？,自然界的一種固有屬性；即任何系統(tǒng)都有在外界激勵(lì)撤,銷后回到原本（原始、平衡）狀態(tài)的性質(zhì)；這種從激勵(lì)

15、,狀態(tài)回到平衡狀態(tài)的過程就是,弛豫過程,2020/6/2,馳豫,(relaxtion),高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài),?,縱向馳豫,也稱自旋,-,晶格馳豫,處在高能級(jí)的核將能量以熱能形式轉(zhuǎn)移給周圍分子骨架,（晶格）中的其它核，而回到低能級(jí)，這種釋放能量的方式,稱為,縱向馳豫,。,周圍的粒子，對(duì)固體樣品是指晶格，對(duì)液體樣品指周圍的,同類分子或溶劑分子。,橫向馳豫,也稱自旋,-,自旋馳豫,自旋核之間進(jìn)行內(nèi)部的能量交換，高能態(tài)的核將能量轉(zhuǎn)移,給低能級(jí)的核，使它變成高能態(tài)而自身返回低能態(tài)，這種釋,放能量的方式稱為,橫向馳豫,。,2020/6/2,理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件：,?,0,=,

16、?,H,0,/ (2,?,),產(chǎn)生單一的吸收峰,實(shí)際上，氫核受周圍不斷運(yùn)動(dòng)著的電子影響。在外磁場(chǎng)作用下,，運(yùn)動(dòng)著的電子產(chǎn)生相對(duì)于外磁場(chǎng)方向的感應(yīng)磁場(chǎng)，起到,屏蔽,作用,，,使氫核實(shí)際受到的外磁場(chǎng)作用減?。?H,=,（,1-,?,）,H,0,?,：屏蔽常數(shù)。,?,越大，屏蔽效應(yīng)越大。,?,0,= ,?,/ (2,?,) ,（,1-,?,）,H,0,屏蔽的存在，共振需更強(qiáng)的外磁場(chǎng),(,相對(duì)于裸露的氫核,),。,1.,屏蔽作用與化學(xué)位移,2020/6/2,化學(xué)位移：,Chemical Shift,?,0,= ,?,/ (2,?,) ,（,1-,?,）,H,0,由于屏蔽作用的存在，氫核產(chǎn)生,共振需要更

17、大的外磁場(chǎng)強(qiáng)度（相對(duì)于,裸露的氫核），來抵消屏蔽影響。,在有機(jī)化合物中，各,種氫核,周圍的電子云密度,不同（結(jié)構(gòu)中不同位置）,共振頻率有差異，即引起,共振吸收峰的位移，這種,現(xiàn)象稱為,化學(xué)位移,。,2020/6/2,2.,化學(xué)位移的表示方法,(1),位移的標(biāo)準(zhǔn),沒有完全裸露的氫核，沒,有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。,(2),為什么用,TMS,作為基準(zhǔn),?,a. 12,個(gè)氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境，只產(chǎn)生一個(gè)尖峰；,b.,屏蔽強(qiáng)烈，位移最大。與有機(jī)化合物中的質(zhì)子峰不重迭；,c.,化學(xué)惰性；易溶于有機(jī)溶劑；沸點(diǎn)低，易回收。,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)：四甲基硅烷,Si(CH3)4,（,TMS,）,（內(nèi)標(biāo)）,位移常數(shù),?,TMS=0,

18、2020/6/2,位移的表示方法,與裸露的氫核相比，,TMS,的化學(xué)位移最大，但規(guī)定,?,TMS,=0,，其他種類氫核的位,移為負(fù)值，負(fù)號(hào)不加。,?,= (,?,樣,-,?,TMS,) /,?,TMS,10,6,(ppm),?,小，屏蔽強(qiáng)，共振需,要的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，在高場(chǎng)出,現(xiàn)，圖右側(cè)；,?,大，屏蔽弱，共振需,要的磁場(chǎng)強(qiáng)度小，在低場(chǎng)出,現(xiàn)，圖左側(cè)；,2020/6/2,3,、自旋偶合與自旋裂分,每類氫核不總表現(xiàn)為單峰，,有時(shí)多重峰。,原因：,相鄰兩個(gè)氫核之間的,自旋偶合（自旋干擾）；,2020/6/2,自旋耦合：,?,臨近原子核自旋角動(dòng)量之間相互影響，這種自,旋角動(dòng)量的相互作用會(huì)改變?cè)雍俗孕?/p>

19、外磁場(chǎng),中的能級(jí)分布狀況，造成能級(jí)的裂分，進(jìn)而造成,NMR,譜圖中的信號(hào)峰發(fā)生裂分。,?,耦合常數(shù)（,J,）：裂分峰的峰間距，用來衡量耦,合作用的大小。,?,耦合作用一般在,3,個(gè)鍵之內(nèi)發(fā)生。隨著相鄰距離,增大而減小。,2020/6/2,峰的裂分,峰的裂分原因,:,自旋偶合,相鄰兩個(gè)氫核之間的自旋偶合（自旋干擾）；,多重峰的峰間距：偶合常數(shù)（,J,），用來衡量偶合作用的大,小。,2020/6/2,峰裂分?jǐn)?shù)與峰面積,峰裂分?jǐn)?shù)：,n,+1,規(guī)律；,相鄰碳原子上的質(zhì)子數(shù)；,系數(shù)符合二項(xiàng)式的展開,式系數(shù)；,峰面積與同類質(zhì)子數(shù),成正比，僅能確定各類質(zhì),子之間的相對(duì)比例。,2020/6/2,峰裂分?jǐn)?shù),20

20、20/6/2,峰裂分?jǐn)?shù),C,C,H,H,H,H,H,C,CH,3,H,CH,3,1:3:3:1,1:2:1,1:1,1:6:15:20:15:6:1,1,H,核與,n,個(gè)不等價(jià),1,H,核相鄰時(shí)，裂分峰數(shù)：,（,n,+1)(,n,+1),個(gè)；,C,C,C,C,H,a,H,c,H,b,H,d,(,n,b,+1)(,n,c,+1)(,n,d,+1)=2,2,2 = 8,H,a,裂分為,8,重峰,2020/6/2,化學(xué)等價(jià)（化學(xué)位移等價(jià)）,若分子中相同原子（或相同基團(tuán)）處于相同的,化學(xué)環(huán)境，其,化學(xué)位移相同,，它們是化學(xué)等價(jià)的。,相反，化學(xué)位移不同的核稱為化學(xué)不等價(jià)。,例如,：,CH,3,CH,2,

21、X,中的,CH,3,的,3,個(gè),H,，是化學(xué)等價(jià)的，,CH,2,中的,2,個(gè),H,，是化學(xué)等價(jià)的，,而甲基和亞甲基的,H,是化學(xué)不等價(jià)核,（,2,）,CH,3,CH,3,（,3,）,CH,3,CH,2,OCH,2,CH,3,2020/6/2,峰裂分?jǐn)?shù),C,C,C,H,a,H,c,Br,H,b,H,b,H,c,H,b,H,a,H,a,裂分為,多少,重峰？,0,1,2,3,4,J,ca,J,ba,J,ca,?,J,ba,H,a,裂分峰,:,(3+1)(2+1)=12,實(shí)際,H,a,裂分峰,:,(5+1)=6,強(qiáng)度比近似為：,1:5:10:10:5:1,2020/6/2,耦合常數(shù)（,J,）,單位：,赫茲,Hz,，一般不超過,20 Hz,自旋自旋耦合，可反映相鄰核的特征，可提供,化合物分子內(nèi)相接和立體化學(xué)的信息,n,J,HX,表達(dá)方式：,耦合原子,相隔鍵數(shù),耦合常數(shù),J,的大小表示耦合作用的強(qiáng)弱，它是化合物結(jié)構(gòu)的,屬性，不隨外磁場(chǎng)的變化而變化。,2020/6/2,C,C,R,1,R,2,H,a,H,b,C,C,R,1,Ha,R,2,H,b,反式,(trans),順式,(cis),3,J,ab,=14-18Hz,Ha,Hb,3,J,ab,=10-14Hz,Ha,Hb,