NMR技术培训PPT课件

1、目的,了解核磁共振原理 常用核磁共振实验技术介绍 设备介绍 核磁共振实验的一些技巧,主要内容,一 核磁共振原理及参数 二 常用的核磁共振技术 三 化学所核磁共振仪器介绍 四 核磁共振实验的一些技巧,核磁共振现象,一、核磁共振原理及参数,核磁共振条件,原子核按自旋量子数I的数值分为以下三类 中子数、质子数均为偶数，则I = 0 中子数与质子数其一为偶数，另外一个为奇数，则为半整数，如 I = 1/2； 1H, 13C, 15N, 19F, 31P, 77Se, 113Cd, 119Sn, 195Pt, 199Hg等 I = 3/2; 7Li, 9Be, 11B, 23Na, 35Cl, 37Cl

2、, 39K, 63Cu, 79Br等 I = 5/2; 17O, 25Mg, 27Al, 55Mn, 67Zn等 I = 7/2, 9/2等 3) 中子数、质子数均为奇数，则I为整数，例如2H, 6Li, 14N等I = 1 但是只有2）和3）类原子核是核磁共振研究的对象。 它们之中又分为 1） I = 1/2；的原子核，电荷平均分布在原子核表面，核磁谱线窄， 最宜于核磁共振检测 2）I 1/2；的原子核，电荷在原子核表面呈非均匀分布， 具有电四极矩机制,a 磁旋比的单位是107弧度/特斯拉/秒 b 共振频率以1H频率为100MHz作参考 c 检测灵敏度以1H为1作为参考，并考虑了同位素的天然

3、丰度。,NMR常用同位素核有关物理参数,For proton at 300 K,B0 = 1.41T,B0 = 7.05T,B0 = 14.1T,Sensitivity of NMR Measurements,其中 v 为共振频率；H为磁场强度 化学位移的单位为ppm，意思是百万分之一,1. 化学位移 核磁实验中以基准物质的谱图作为核磁谱图的坐标原点。不同官能团的原子核谱峰位置相对于原点的距离，反映了它们所处的化学环境，故称为化学位移,核磁共振基本参数,常用化学位移标准物,氢谱：非水溶剂四甲基硅烷（TMS） 水溶液为2,2-二甲基戊硅烷-5-磺酸钠() 碳谱：四甲基硅烷（）或者氘代试剂中的碳峰

4、 硼谱：乙醚三氟化硼或者三甲氧基硼 磷谱：磷酸（但只能作为外标） 锂谱：高氯酸锂溶液 钠谱：1M氯化钠溶液 硅谱：四甲基硅烷，但在低频区则用四乙基正硅酸酯,记住：无论内标还是外标，实际化学位移值随温度变化而变化，而标准物本身就受温度的影响。如温度每改变30K，TMS质子共振信号将变化0.1 ppm。因此，如果做变温试验，最好标明详细的实验过程。,自旋-自旋耦合： 自旋核与自旋核之间的相互作用（也可以称为微扰）,2.自旋-自旋耦合及耦合常数,耦合常数与分子结构的关系,不同的n和B，引起主峰间距变化，但不变。不是化学位移现象。 它不属于偶极距间的直接相互作用，对于液体来讲，分子翻滚运动很快，偶极距

5、间的作用可近似为零。 与化学键的键型、键角和核自旋有关。 感兴趣的同学可以到所里的ftp上下载如下资料 ftp:/,J(OH-CH)J CH2-CH3,OH,CH2,CH3,高纯乙醇,普通乙醇,3. 弛豫过程,原子核在吸收电磁波，从低能级跃迁到高能级。而在这种条件下，原子核高能级回到低能级，并保持低能级布居数小于高能级布居数的过程就叫做弛豫过程。 如无有效的弛豫过程，高、低能级的布居数很快达到平衡，此时，无核磁共振吸收信号，这种现象叫做饱和。,M0,B0,x,y,z,M0,B0,x,y,z,M0,B0,x,y,z,M0,B0,x,y,z,二、常用的核磁共振技术,分子结构测定,新核磁方法,动态结

6、构测定,与分子结构测定相关的核磁共振技术,1. 一维核磁技术,a. 常规氢谱脉冲序列,90度脉冲 30度脉冲 任意角度脉冲,b. 特殊氢谱脉冲序列,c. 13C与其它杂核谱脉冲序列,zgdc,zg,zggd,zgig,The 13C spectrum of 1g cholesterylacetate without decoupling,1 scans,64 scans,The 13C spectrum of 1g cholesterylacetate in CDCl3 1 scan with 1H-decoupling,1 scans,13C-NMR spectrum of 1 g chol

7、esterylacetate in CDCl3,With gated 1H-decoupling,With inverse gated 1H-decoupling,d. 特殊的复杂脉冲序列,CH, CH2, CH3为正,CH, CH3为正 CH2为负,只有CH信号,2. 二维核磁技术 Part I 均核相关谱图,Heteronuclear COSY (two or three bond) HMBC,HMBC spectrum of 50 mM cyclosporin in C6D6,NOE实验对环境变化非常敏感，为了得到高质量的谱图，有如下建议 1）高质量的样品。样品的分子量最好小于800或者

8、大于2000。不然NOE信号会很小。在这种条件下，最好做ROE实验。 2）样品稳定性好。 3）高质量的核磁管 4）最好预先超声或者通氩气除氧 5）NOE实验过程中最好做到恒温。,动态核磁共振实验,1H和13C动态核磁共振实验可以测定的寿命范围,动态核磁共振的主要参数,Tc,如果二甲基乙酰胺中二甲胺基团的转动符合一阶速率定律，相互交换的甲基质子相互间没有耦合，单重峰的强度相同，那么在合并温度Tc时，交换的速率常熟kr可以表示为,其中，为在Tc时信号半高宽；该值相当于慢交换时化学位移的差值(A-B)。对于前面的例子，有kr=2.22x8 s-1.,如果两个核之间有耦合时，那么上式可以变为,反应速率

9、的求算,通过Arrhenius方程，有可能测定动力学过程的活化能。由lnk对1/T作图，得到一直线，其斜率为EA/R,其中，T为温度，单位为K k0为频率因子 R为气体常数,Arrhenius活化能EA的求算,活化自由焓DG*的求算,通过Eyring方程，可以得到活化自由焓DG*,其中， KB为Boltzmann常数 为透过系数，一般值为1 h为Planck常数,Rotation about C-C single bond,G 5 15 kcal/mol,Rotation about a partial double bond,G 20.9 kcal/mol Tc = 393 K,Ring i

10、nversion,Intermolecular proton exchange,Reactions and equilibration processes,1. 用于提供结构信息。 如T1可以用于碳原子（特别是季碳原子）的指认提供重要依据。 2. T1促进关于分子运动和溶液的研究 a. T1可提供如下信息：分子的大小、分子运动的各向异性、分子内旋转、空间位阻、分子柔韧性、分子（或离子）与溶剂的缔合等 b. T1的测定对于溶液的研究（如高聚物的链段运动、交换反应等）也是一个重要的手段。,弛豫时间的应用,DOSY Diffusion Ordered SpectroscopY An advanced

11、 NMR-technique -Components in a mixture can be individually monitored by separation in the diffusion dimension -depends on difference in diffusion constants molecular weight, size of molecule pseudo 2-D experiment f2 Proton spectrum, f1 Diffusion axes,其中，D为分子的扩散系数，kB为Boltzman常数，T为绝对温度，h为溶剂粘度，r为分子的半径

12、。,原理,The application of DOSY 1. Supramolecular chemistry molecular interaction a. binding or associated constants b. encapsulation and molecular encapsules c. hydrogen bonds and water hydration in organic solvent Molecular size and shape Dendrimers and dendrons: size, shape and function Reactive int

13、ermediates, ion pairs and organometalic systems Combinationary chemstry DOSY for mixture evaluation Ligand screening by DOSY and affinity NMR spectroscopy,三、化学所核磁共振仪器的介绍,Bruker DMX 300 核磁共振谱仪,Bruker AVANCE 400 核磁共振谱仪,Bruker AVANCE 600 核磁共振谱仪,Photo of Magnet, Shim system, Probe and HPPR,The supercond

14、ucting Magnet,Sample in the Probe,Dual 1H/13C Probe,BSMS Keyboard,Soft BSMS Keyboard,样品 样品对核磁共振谱图质量至关重要。因此要求 尽可能使用氘代试剂 对于氢谱，3到10毫克样品足够。对于分子量较大的样品，有时需要浓度更大的溶液。但浓度太大会因饱和或者粘度增加而降低分辨率。对于碳谱和杂核，样品浓度至少为氢谱的5倍（一般在100毫克左右）。 对于二维实验，为了获得较好的信噪比，样品浓度必须够浓。根据经验，25毫克样品足以完成所有实验，包括氢碳相关HMBC实验。如果样品只有1到5毫克，只能完成均核氢氢相关实验，是

15、与碳相关的实验至少需要过夜。 保持样品高度或者体积一致。这将减少换样品后的匀场时间。对于5毫米核磁管，样品体积应为0.6毫升或者样品高度为4厘米。 核磁管必须干燥清洁，避免样品污染。谱仪的磁场强度越高，仪器灵敏度也高，对于污染物、样品制备不好和不好的样品管的灵敏度也增加。 过滤溶液。 请保持核磁管和转子干净。在实验前检查核磁管外壁是否干净。,5 mm tube: adjust 20 mm depth -same filling height and depth adjustment makes shimming easier,-Water Suppression experiments, -N

16、OESY-type experiments and for all -T1-/T2-type experiments the samples should be degassed -with a soft N2-flow, creating only tiny bubbles in the NMR-tube or -using the ultrasonic bath.,Lock display after lock the sample,Yellow: Proton,HPPR Display,XWIN-NMR,Tuning and matching for 1H in DMX 300,BB t

17、uning and matching digital numbers for X-nuclei,Fine adjustment with last digits,NMR Guide 7Li, 9Be, 11B, 23Na, 35Cl, 37Cl, 39K, 63Cu, 79Br等 I = 5/2; 17O, 25Mg, 27Al, 55Mn, 67Zn等 I = 7/2, 9/2等 3) 中子数、质子数均为奇数，则I为整数，例如2H, 6Li, 14N等I = 1 但是只有2）和3）类原子核是核磁共振研究的对象。 它们之中又分为 1） I = 1/2；的原子核，电荷平均分布在原子核表面，核磁谱线窄， 最宜于核磁共振检测 2）I 1/2；的原子核，电荷在原子核表面呈非均匀分布， 具有电四极矩机制,其中 v 为共振频率；H为磁场强度 化学位移的单位为ppm，意思是百万分之一,1. 化学位移 核磁实验中以基准物质的谱图作为核磁谱图的坐标原点。不同官能团的原子核谱峰位置相对于原点的距离，反映了它们所处的化学环境，故称为化学位移,核磁共振基本参数,其中 v 为共振频率；H为磁场强度 化学位移的单位为ppm，意思是百万分之一,1. 化学位