谱学基础核磁共振NMR课件

谱学基础

－核磁共振波谱学20112022/12/160XMUNMR参考书《有机化学中的光谱方法》，WilliamsDH，FlemingI；王剑波，施卫峰译；北京大学出版社，2001《有机化合物结构鉴定与有机波谱学》，宁永成编著；科学出版社，2002《NuclearMagneticResonanceSpectroscopy-anIntroductiontoPrinciples,Applications,andExperimentalMethods》，LambertJB,MazzolaEP,1989《EssentialPracticalNMRforOrganicChemistry》RichardsSA,Hollerton

JC

，Wiley,2010《Basic1H-and13C-NMRSpectroscopy》，BalciM，Elsevier,20052022/12/161XMUNMR期刊ProgressinNuclearMagneticResonanceSpectroscopy（6.46）JournalofMagneticResonance（2.42）MagneticResonanceinChemistry(MRC)（1.55）MagneticResonanceinMedicine（3.51）NMRinBiomedicine（2.47）波谱学杂志2022/12/162XMUNMR基本概念核磁共振（NuclearMagneticResonance,简称为NMR）是指：处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。因此，就本质而言，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。2022/12/164XMUNMRNMR定义要素核：具有磁性的核磁：外加静磁场共振：核吸收射频能，发生自旋能级跃迁所谓“核磁共振”就是：处于静磁场中的核自旋体系，当其拉莫尔进动频率与作用于该体系的射频场频率相等时，所发生的吸收电磁波的现象。2022/12/165XMUNMRNMR

History1924年，W.Pauli提出原子核自旋的可能性1933年，O.Stern通过氢分子偏转实验观测到核自旋现象1938年，I.Rabi发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。在1942年首次引入均匀磁场创立了测定原子核磁矩的方法，为核磁共振的发现奠定了基础，获得1944年诺贝尔诺物理学奖。

2022/12/166XMUNMRNMR

History1945年美国哈佛大学的Purcell和史坦福大学的Bloch各自独立观察到NMR现象，为此两人分享1952年诺贝尔诺物理学奖。其中，Purcell观察到的是凝聚态物质的NMR信号，Block观测到的是水的NMR信号。2022/12/167XMUNMRBloch（1905～1983)美国斯坦福大学Purcell（1912～1997)美国哈佛大学他们的发现直接导致了1952年首台核磁共振仪的诞生。2022/12/169XMUNMR1951年普鲁克特和虞福春教授又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线，即自旋—自旋耦合发现NaSbF6的121SbNMR谱由五个峰组成，这是世界上首次观察到NMR中的自旋偶合现象。2022/12/1611XMUNMR1971年，比利时Jeener首次提出关于二维谱的原理，为二维谱的创始人。LectureatAmpèreSummerSchool,BaskoPolje,Yugoslavia–19712022/12/1613XMUNMR1970年代开始，瑞士R.R.Ernst等人发展了脉冲傅立叶变换NMR波谱学，为现代核磁共振研究发展，及医疗核磁共振成像方法奠定了基础。

1991年Ernst获得了诺贝尔化学奖

2022/12/1614XMUNMR2D谱图(F1、F2维)2022/12/1615XMUNMRTypicalApplicationsofNMR:

1.)Structural(chemical)elucidation

‚Naturalproductchemistry

‚Syntheticorganicchemistry -analyticaltoolofchoiceofsyntheticchemists -usedinconjunctionwithMSandIR2.)Studyofdynamicprocesses

‚reactionkinetics

‚studyofequilibrium(chemicalorstructural)3.)Structural(three-dimensional)studies

‚Proteins,Protein-ligandcomplexes

‚DNA,RNA,Protein/DNAcomplexes

‚

Polysaccharides4.)DrugDesign

‚

StructureActivityRelationshipsbyNMR5)Medicine-MRI2022/12/1616XMUNMR2002年诺贝尔化学奖维特里希:

瑞士苏黎世联邦技术学院生物化学和生物物理系主要贡献:

二维NMR技术最初仅限于研究小分子，难以区分大分子不同核的共振，特别是生物分子的NMR信号严重重叠，无法分辨共振峰的原子核。经过深入研究及改进，Wuthrich解决了这个难点，使二维NMR技术有效应用于研究生物分子结构。

2022/12/1617XMUNMRWagnerG&WüthrichK,J.Mol.Biol.(1982)155,347-3662DspectrumofBPTI2022/12/1619XMUNMR1H13C1H9010F1(ppm)3D谱图2022/12/1620XMUNMRApplicationsofBioNMR"Broadline"NMR:condensedmatterinvestigations(biologicalmembranes)Studiesofbiochemicalprocessesinintactcells:-invivoNMR,-incellNMRQuantumcomputersStudiesofsmallmoleculesinsolution:structure,dynamics,interactions,andphysico-chemicalpropertiesDeterminationofstructuresanddynamicsofbiopolymersinsolutionMedicaldiagnostics:magneticresonanceimaging”(MRI)2022/12/1622XMUNMR核磁技术可以用于多学科交叉研究工作，包括：化学生物学（结构生物学，活性化合物筛选等）研究；化学（磷化学，化合物和高聚物结构表征等）研究；生物医药科学研究（代谢组学，药物作用机制，药物毒性，疾病诊断等）；生命科学研究（蛋白质科学，生物大分子结构与功能，分子生物学）；材料科学研究；海洋科学研究；环境科学研究；物理学（核磁共振谱学、凝聚态物理等）研究，等等.2022/12/1623XMUNMRNMRHistory1964年，产生第一台220MHz超导NMR谱仪。1979年，德国Bruker公司生产出第一台500MHz超导NMR谱仪。2000年，美国Varian公司生产出第一台900MHz的超导NMR谱仪。2009年6月，德国Bruker公司生产出第一台1000MHz的超导NMR谱仪2022/12/1625XMUNMR美国Varian公司生产的工作频率900MHz(21.1T)超导核磁共振谱仪的磁体。2022/12/1626XMUNMRBruker公司生产的工作频率900MHz(21.1T)超导核磁共振谱仪

2022/12/1627XMUNMR~$800,000~$2,000,000~$4,500,0002022/12/1629XMUNMR~$16,000,000~€11,000,000（~¥109,232,000)（~¥110,453,200)deliveredtoUltra-HighFieldEuropeanNMRCenterinLyon,France,InJuly,20092022/12/1630XMUNMR中科院武汉物理所制造的200MHz核磁共振波谱仪，适合于固体和液体样品的核磁共振研究国内谱仪研制概况2022/12/1631XMUNMR2007年中科院武汉物理所与厦门大学陈忠教授小组合作申请了科技部“支撑计划”项目，共同研制500M谱仪（磁体外购）。北京越洋磁共振公司正在研制300M超导磁体。2022/12/1632XMUNMR厦大现有核磁共振谱仪化学化工学院公用仪器平台Bruker

AvanceII400M（液体，2005）Bruker

AvanceIII400M（液体，2008）Bruker

AvanceIII500M（液体，2008）－VarianUnityplus500M（液体）升级Bruker

AvanceIII400M（宽腔固体，2008）Bruker500M宽腔磁体（电化学研究，2011）厦门大学特种材料实验室（2005）Bruker

AvanceII300M（固、液两用）2022/12/1633XMUNMR物理机电学院磁共振研究中心VarianNMRSystem500M（液体）（2006）VarianUnityplus300M（固、液两用）（1995）VarianUnity500M（液体）（1994）Varian7TMRISystem（2008）生命科学学院（2007）Bruker

AvanceIII600M（液体）2022/12/1634XMUNMR购置800M或以上谱仪已列入厦门大学“985”三期计划,正在招标过程中。海洋三所

Bruker

AvanceIII400M（液体，2008）配置了微量探头，HR2022/12/1635XMUNMR我国高场NMR谱仪的分布单位谱仪型号数量购置状况北京大学800兆,液态1使用中台湾中央研究院800兆,液态1使用中中科院武汉物理与数学研究所800兆,液态1使用中香港科技大学800兆,液态1待安装合肥国家强磁场中心800兆,液态1待安装国家蛋白质科学研究上海设施800兆,液态2已规划购置香港科技大学800兆,液态1待安装香港科技大学750兆,液态1使用中台湾清华大学700兆,液态1使用中华东师范大学700兆,液态1待安装中国科技大学700兆,液态1已规划购置国家蛋白质科学研究上海设施700兆,固态1已规划购置2022/12/1636XMUNMR厦门大学核磁共振实验室500MHz（11.4T）超导核磁共振谱仪2022/12/1637XMUNMR化学化工学院公用仪器平台VarianUnityplus升级为BrukerAvanceIII500M化学楼1992022/12/1638XMUNMR化学化工学院公用仪器平台BrukerAvanceII400M化学楼1962022/12/