第四章核磁共振基础课件

1、2020/6/2,第四章,核磁共振波谱,分析法,一、,概述,generalization,二、,基本原理,fundamentals,三、,基本概念,basic concepts,四、,谱图举例,13,C NMR and,1,H NMR,spectrograph,nuclear magnetic resonance,spectroscopy; NMR,2020/6/2,?,元素分析,元素组成,?,质谱,（,MS,）,分子量及部分结构信息,?,红外光谱,（,IR,）,官能团种类,?,紫外,可见光谱,（,UV / Vis,）,共轭结构,?,核磁共振波谱,（,NMR,）,C-H,骨架及所处,.,化学环

2、境,?,X-,射线单晶衍射,立体结构,有机化合物结构研究方法,2020/6/2,为什么学习核磁共振？,?,药物设计与筛选,结构与活性之间的关系,?,阐明（化学）结构,合成有机化学，合成高分子化学，天然产物化学,合成化学家选择的分析工具,?,研究动力学过程,反应动力学，平衡过程（化学或结构）,?,确定三维空间结构,蛋白质，,DNA,，蛋白质,/DNA,复合物，多糖,?,生物学和医学磁共振成像（,MRI,）,活体研究，代谢产物研究，病灶诊断,2020/6/2,一些实际的应用,?,分子结构的测定,?,化学位移各向异性的研究,?,金属离子同位素的应用,?,动力学核磁研究,?,质子密度成像,?,T,1,

3、T,2,成像,?,化学位移成像,?,其它核的成像,?,指定部位的高分辨成像,?,元素的定量分析,?,有机化合物的结构解析,?,表面化学,?,有机化合物中异构体的区分和确定,?,大分子化学结构的分析,?,生物膜和脂质的多形性研究,?,脂质双分子层的脂质分子动态结构,?,生物膜蛋白质,脂质的互相作用,?,压力作用下血红蛋白质结构的变化,?,生物体中水的研究,?,生命组织研究中的应用,?,生物化学中的应用,?,在表面活性剂方面的研究,?,原油的定性鉴定和结构分析,?,沥青化学结构分析,?,涂料分析,?,农药鉴定,?,食品分析,?,药品鉴定,2020/6/2,1952,年诺贝尔物理学奖,：,布洛赫,(

4、,Felix Bloch,) ,1970,年：,Fourier(pilsed)-NMR,开始市场化（早期多使用的是连续波,NMR,仪器）,;,1991,年,:,瑞士的,Ernst,对高分辨核磁共振方法发展,(,获,Nobel Prize);,2002,年,:,瑞士科学家库尔特,维特里希,发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物,大分子三维结构的方法,(,获,Nobel Prize),。,2020/6/2,2020/6/2,12,位因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝,尔奖科学家,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,瑞士核磁共振波谱学家库尔特,.,维,特里希（,Kurt W,thrich,）,教授由于,“发明了利用核磁共振（,NMR,）技术,测定溶液中生物大分子三维结构的方,法”，而分享了,2002,年诺贝尔化学奖。,2020/

6、6/2,2003,年诺贝尔医学奖,:,美国科学家,保罗,劳特布尔,(,Paul Lauterbur),和英国科学家,彼得,曼斯菲尔德,(Peter Mansfield ),用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象,Peter,2020/6/2,2020/6/2,核磁共振现象,核,原子核,磁,磁场,核磁共振（,NMR,）,原子核在磁场中的响应,为什么原子核在磁场中会发生响应呢？,（核有磁性）,2020/6/2,?,?,（,1,）原子核带有正电，,自旋,时产,生磁场，具有,磁矩,（,2,）在很强的,外磁场,中,，,具有核,磁矩,的原子核产生,磁能级分裂,，,分裂成两个或更多的量子化能级,（,3,）用一个

7、能量恰好等于分裂后相邻能级差的电,磁波照射，该核就可以吸收此频率的波，发生能,级跃迁，从而产生,特征的,NMR,吸收。,这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,）,只有自旋量子数（,I,）不为零的核具有磁矩,（,1,）一些原子核像电子一样存在,自旋现象，因而有自旋角动量：,P = I(I+1),1/2,I,为自旋量子数，,h,2,?,（,2,）由于原子核是具有一定质量的带,正电,的粒子，,故在自旋时会产生,核,磁,矩：,? =,?,P,?,与,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,一个特征（固定）值。,?,?,z,轴,2020/6/2,质量数（,a,）,原子序数（,Z,）,自旋量子,（,I,）,例子,奇数,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,=,=,偶数,偶数,0,16,32,8,16,6,12,S,O,C,偶数,奇数,1,，,2,，,3,5,10,7,14,1,2,3,1,B,I,N,H,I,?,=,原子核存在自旋，核磁矩不为零，能,与外加磁场相互作用，发生能级分裂，,用于核磁共振分析,具有磁矩的核：,P

9、,?,?,o,2020/6/2,讨论,:,(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（重点研究对象）,1,H,，,13,C,，,19,F,，,31,P,共振吸收复杂,，研究应用较少,；,C,，,H,也是有机化合物的主要组成元素。,2020/6/2,(1),与外磁场平行，能量低，磁量子数,I,1/2;,(2),与外磁场相反，能量高，磁量子数,I,1/2;,自旋角动量,P,在外磁场的分量为：,P,z,m,氢核（,I,=1/

10、2,），核磁矩不为零，在外磁,场作用下绕磁轴转动，产生能级分裂，,分裂能级可用磁量子数,m,表示,，,m,可以,取值：,I,，,I,1.,I,，,共,有（,2I+1,）,种能级。,2.,核磁能级分裂,：,（以氢核为例）,E,=,u,z,H,0,m,（,h/2,?,）,?,H,0,?,磁旋比,；,H,0,外磁场强度,分裂的能级为,P,?,?,o,H,0,h,2,?,2020/6/2,?,E= E,2,E,1,=,（,h/2,?,）,?,H,0,发生核磁共振时：,?,E=,h,?,0,1,H,?,E,E,1,=,（,h/4,?,）,?,H,0,E,2,=+,（,h/4,?,）,?,H,0,P,H,

11、0,共振频率,：,?,0,=,（,1/2,?,）,?,H,0,由此可见，核磁共振吸收频率仅和外磁场强度、核,自身的磁旋比相关,2020/6/2,?,磁矩绕静磁场,0,静动,(,与陀螺在重,力场中发生进动类,似,),。,?,Larmor,进动,?,进动频率,（,Larmor,频率,),0,0,B,?,?,=,2020/6/2,（,1,）,在相同,H,0,下，不同的核，因,磁旋比,不同，发,生共振的频率不同，据此可以鉴别各种元素及同位,素。,例如，在,2.3 T,的磁场中，,1,H,的共振频率为,100 MHz,，,13,C,的为,25 MHz,只是氢核的,1/4,，,总结,（,2,）对同一种核，

12、,?,一定，当,H,0,不变时，共振频,率不变；当,H,0,改变时，共振频率也随之而变。,例如，氢核在,1.409 T,的磁场中，共振频率为,60 MH,Z,，而在,2.350 T,时，为,100 MH,Z,。,共振频率,：,?,0,=,（,1/2,?,）,?,H,0,2020/6/2,核磁共振产生的条件,核有自旋,(I,不为零,),，磁矩,有外磁场,能级裂分,;,辐射频率与能级差相等。,?,0,= H,0,?,/ (2,?,),2020/6/2,核磁共振基本概念,能级分布与,弛豫,过程,屏蔽,作用与,化学位移,2020/6/2,能级分布与弛豫过程,不同能级上分布的核数目可由,Boltzman

13、n,定律计算：,磁场强度,2.3488 T,；,25,?,C,；,1H,的共振频率与分配比：,?,?,?,?,?,?,?,=,?,?,?,?,?,?,?,?,=,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,=,kT,h,kT,E,kT,E,E,N,N,j,i,j,i,?,exp,exp,exp,两能级上核数目差：,1.6,?,10,-5,；,MHz,00,.,100,24,.,3,2,3488,.,2,10,68,.,2,2,8,0,?,?,?,=,=,B,?,?,?,共振频率,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),高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,饱和,(saturated),低能态的核等于高能态的核。,2020/6/2,弛豫快慢：用弛豫时间,T,来进行度量；,倘若体系吸收了足够的射频能量，使相,邻能级上的粒子数相等，这时体系不再呈现,净吸收，因而无法测得核磁共振信号，此时,称为,饱和,。,那么，靠什么维持,NMR,信号呢？,自然界的一种固有属性；即任何系统都有在外界激励撤,销后回到原本（原始、平衡）状态的性质；这种从激励

15、,状态回到平衡状态的过程就是,弛豫过程,2020/6/2,驰豫,(relaxtion),高能态的核以非辐射的方式回到低能态,?,纵向驰豫,也称自旋,-,晶格驰豫,处在高能级的核将能量以热能形式转移给周围分子骨架,（晶格）中的其它核，而回到低能级，这种释放能量的方式,称为,纵向驰豫,。,周围的粒子，对固体样品是指晶格，对液体样品指周围的,同类分子或溶剂分子。,横向驰豫,也称自旋,-,自旋驰豫,自旋核之间进行内部的能量交换，高能态的核将能量转移,给低能级的核，使它变成高能态而自身返回低能态，这种释,放能量的方式称为,横向驰豫,。,2020/6/2,理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：,?,0,=,

16、?,H,0,/ (2,?,),产生单一的吸收峰,实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下,，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到,屏蔽,作用,，,使氢核实际受到的外磁场作用减小：,H,=,（,1-,?,）,H,0,?,：屏蔽常数。,?,越大，屏蔽效应越大。,?,0,= ,?,/ (2,?,) ,（,1-,?,）,H,0,屏蔽的存在，共振需更强的外磁场,(,相对于裸露的氢核,),。,1.,屏蔽作用与化学位移,2020/6/2,化学位移：,Chemical Shift,?,0,= ,?,/ (2,?,) ,（,1-,?,）,H,0,由于屏蔽作用的存在，氢核产生,共振需要更

17、大的外磁场强度（相对于,裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。,在有机化合物中，各,种氢核,周围的电子云密度,不同（结构中不同位置）,共振频率有差异，即引起,共振吸收峰的位移，这种,现象称为,化学位移,。,2020/6/2,2.,化学位移的表示方法,(1),位移的标准,没有完全裸露的氢核，没,有绝对的标准。,(2),为什么用,TMS,作为基准,?,a. 12,个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；,b.,屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；,c.,化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,相对标准：四甲基硅烷,Si(CH3)4,（,TMS,）,（内标）,位移常数,?,TMS=0,

18、2020/6/2,位移的表示方法,与裸露的氢核相比，,TMS,的化学位移最大，但规定,?,TMS,=0,，其他种类氢核的位,移为负值，负号不加。,?,= (,?,样,-,?,TMS,) /,?,TMS,10,6,(ppm),?,小，屏蔽强，共振需,要的磁场强度大，在高场出,现，图右侧；,?,大，屏蔽弱，共振需,要的磁场强度小，在低场出,现，图左侧；,2020/6/2,3,、自旋偶合与自旋裂分,每类氢核不总表现为单峰，,有时多重峰。,原因：,相邻两个氢核之间的,自旋偶合（自旋干扰）；,2020/6/2,自旋耦合：,?,临近原子核自旋角动量之间相互影响，这种自,旋角动量的相互作用会改变原子核自旋在

19、外磁场,中的能级分布状况，造成能级的裂分，进而造成,NMR,谱图中的信号峰发生裂分。,?,耦合常数（,J,）：裂分峰的峰间距，用来衡量耦,合作用的大小。,?,耦合作用一般在,3,个键之内发生。随着相邻距离,增大而减小。,2020/6/2,峰的裂分,峰的裂分原因,:,自旋偶合,相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；,多重峰的峰间距：偶合常数（,J,），用来衡量偶合作用的大,小。,2020/6/2,峰裂分数与峰面积,峰裂分数：,n,+1,规律；,相邻碳原子上的质子数；,系数符合二项式的展开,式系数；,峰面积与同类质子数,成正比，仅能确定各类质,子之间的相对比例。,2020/6/2,峰裂分数,20

20、20/6/2,峰裂分数,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,核与,n,个不等价,1,H,核相邻时，裂分峰数：,（,n,+1)(,n,+1),个；,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,裂分为,8,重峰,2020/6/2,化学等价（化学位移等价）,若分子中相同原子（或相同基团）处于相同的,化学环境，其,化学位移相同,，它们是化学等价的。,相反，化学位移不同的核称为化学不等价。,例如,：,CH,3,CH,2,

21、X,中的,CH,3,的,3,个,H,，是化学等价的，,CH,2,中的,2,个,H,，是化学等价的，,而甲基和亚甲基的,H,是化学不等价核,（,2,）,CH,3,CH,3,（,3,）,CH,3,CH,2,OCH,2,CH,3,2020/6/2,峰裂分数,C,C,C,H,a,H,c,Br,H,b,H,b,H,c,H,b,H,a,H,a,裂分为,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,实际,H,a,裂分峰,:,(5+1)=6,强度比近似为：,1:5:10:10:5:1,2020/6/2,耦合常数（,J,）,单位：,赫兹,Hz,，一般不超过,20 Hz,自旋自旋耦合，可反映相邻核的特征，可提供,化合物分子内相接和立体化学的信息,n,J,HX,表达方式：,耦合原子,相隔键数,耦合常数,J,的大小表示耦合作用的强弱，它是化合物结构的,属性，不随外磁场的变化而变化。,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),顺式,(cis),3,J,ab,=14-18Hz,Ha,Hb,3,J,ab,=10-14Hz,Ha,Hb,