核磁共振波谱1课件

核磁共振波谱学

(NMR)主讲教师:

制作人:许招会副教授

1HNMR核磁共振(NMR,NuclearMagneticResonance):核磁距不为零的核在外磁场作用下，核自旋能级发生分裂，共振吸收某一特定频率的电磁波(能量等于

E)的物理过程．核磁共振概念NMR氢谱碳13谱NMR信息化学位移偶合常数弛豫时间核磁共振发展历史1924年PauliW.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂1930年，物理学家伊西多•拉比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。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。

19４５年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell分别独立证实了上述假设。１９５２年获NobelPrize1953年，美国Varian公司第一台NMR仪器FT-NMR1971年，琴纳（E。JEENER）提出拉具有两个独立时间变量的二维核磁共振概念。1973年，恩斯特（R。ERNST）等首次成功实现二维核磁共振实验.

1991年，Ernst对高分辨核磁共振方法发展（获NobelPrize）2002年（生物大分子的核磁分析）NobelPrizes1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的布洛赫（FelixBloch，1905—1983）和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔（EdwardPurcell，1912—1997），以表彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。EdwardPurcellPurcell’stheNMRdetectionsharedthe1952NobelPrizeforphysicswithFelixBlock

FelixBlockHesharedtheNobelprizewithEdwardPurcellfordevelopingthenuclearmagneticresonancetomeasurethemagneticfieldofatomicnuclei

NobelPrizes1991年R.R.恩斯特（瑞士人）

发明了傅里叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术Ernst(1991.诺贝尔奖得主)曾形象的把核磁共振技术比喻成一棵大树，发展最早和应用最早领域是在物理学即树根，而后是在化学有机分子结构领域的应用即树干，在后来是枝繁叶茂的生物化学和医学应用。NMR技术就像是一架梯子，使我们取得越来越多的硕果。

在上个世纪80年代初，KurtWuthrich发展了一套怎样将核磁共振方法延伸到生物大分子领域的思路。他发明了一套系统方法，将每一个核磁共振信号与大分子中的氢核(质子)一一对应起来。这种方法叫做“序列指认”，目前已经成为所有核磁共振结构研究的基石。他还指出了怎样能够在大量质子中确定每一对质子间的距离。利用这些信息，通过基于距离几何的一种数学方法，就能够计算分子的三维结构。1985年，利用KurtWuthrich的方法确定了第一个蛋白质的结构。到目前为止，在上万个已知的蛋白质结构中，有大约15—20％的结构是由核磁共振方法确定的。其他的结构则主要是由x—射线晶体学方法确定的，只有有很少几个是由其它方法如电子衍射或中子衍射确定的。

KurtWuthrich使核磁共振应用于蛋白质成为可能NobelPrizes2002年诺贝尔化学奖授予瑞士科学家库尔特·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"可对溶液中的蛋白质进行分析，进而可对活细胞中的蛋白质进行分析，能获得“活”蛋白质的结构核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法,使得人类对生命的认识进入新的阶段。核磁技术已广泛应用到医学和药物合成领域.生物大分子应用之二

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应用之四结构分析

分子结构的测定和有机反应历程研究:判断和鉴定有机合成物结构、构象，研究结构与性质的关系，给出合成物的谱峰归属及结构表征.有机合成过程分析和合成路线的确认.利用谱峰的峰面积定量分析所测定基团的含量和分子量的测定:核磁共振谱峰的面积(积分高度)正比于相应质子数,这不仅用于结构的分析中,同样可用于定量分析.互变异构现象和动态过程的研究我们可以通过变温实验,得到分子内重排、构型平衡与转化等重要信息,另外,单键旋转的速度、胺类构型反转的速度、质子传递的速度均可通过变温实验来研究.聚合物的分析:固体宽谱线NMR可以提供有关结晶度、聚合物取向、玻璃化温度(Tg)等有关信息,还可以通过研究聚合反应过程NMR谱线宽度的变化,了解反应过程中正在生长聚合物链的活动度变化,从而获得有关聚合反应动力学方面的信息,此外,可以利用宽谱线碳谱分别求出不同原子团的碳原子的弛豫时间,我们可以利用此参数研究聚合物的宏观性质.（i）1HMASNMR是研究催化剂表面酸性最直接的手段能给出Lewis酸信息。

（ii）碱性探针分子在固体催化剂酸性表征中的研究

CO－－Lewis酸中心

CH3COCH3－－Brønsted酸中心

15N标记的有机胺（如吡啶、正丁胺等）和有机膦（如TMP、TMOP）－－区分不同的Brønsted和Lewis酸中心只含有一个碱性基团固体催化剂的酸性表征3.1核磁共振原理

3.1.1核的自旋自旋角动量I=0，1/2，1，3/2，…

核磁矩N

=γＰ

3.1.2核的取向,取向数和能级分裂自旋取向数=2I+1外加磁场中核的自旋取向数：2I+1m=-1/2

m=1/2

H0

54º24'

54º24'

高能自旋取向

低能自旋取向

E=+H0

E

E=-H0

E=2H0

E

H0

+H0-H03.1.3核的进动及拉摩尔频率核磁共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0=

H0/(2)扫频：H一定，改变υ扫场：υ一定，改变H

目前大多数仪器采用扫场法，这是因为制造高稳定性固定频率的射频振荡器要比制造高稳定性的可变频率的射频振荡器要容易得多。

讨论:共振条件：0=

H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比

为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）乙醇核磁共振图谱abcHa:Hb:Hc=30:20:10=3:2:1ppm3.1.6弛豫与饱和Boltzman分布：

热平衡时，高能态核数n1与低能态核数n2服从Boltzman分布：

对1H核，常温下，n2/n1=1000000/1000007，核磁共振正是依据这微弱的过量的低能态核吸收射频能跃迁到高能态而产生共振信号，所以，核磁共振的灵敏度低。

饱和现象：

60MHz对应610-6KCal/mol，低能态仅过剩十万分之一，很容易饱和。弛豫：

高能态的原子核经非辐射形式释放能量返回低能态自旋-自旋弛豫（横向）T2，固体10-4s，液体1s，影响谱线宽

自旋-晶格弛豫（纵向）T1，半衰期1s（液、气体）几小时3.2核磁共振仪NMR仪器

射频振荡器记录仪或示波器射频接收器及放大器磁场扫场线圈磁场扫场线圈样品管3.2.1NMR仪器（3）扫描发生器可在小范围内调节外加磁场强度进行扫描，通常3~10mGs（4）射频接受器检测被吸收的电磁波能量（5）样品管玻璃管，要粗细均匀并且旋转（10~20转/s以上）常量管0.4ml