核磁共振实验课

核磁共振实验课第1页，共18页，2023年，2月20日，星期五

核磁共振与Nobel的不解之缘-获得最多的一个科学专题6次-1943年诺贝尔物理奖授予用分子束测定质子所释放的核磁函数的德国科学家O.Stem施泰恩-1944年诺贝尔物理奖授予发现分子束磁共振的美国科学家Rabi；-1952年的诺贝尔物理奖授予发现宏观物质NMR现象的两位美国科学家Purcell和Bloch；-1992年诺贝尔化学奖单独授予瑞士科学家Ernst，表彰他对NMR波谱学实现和发展傅里叶变换、多维技术的贡献；-2002年的诺贝尔化学奖的一半授予瑞士科学家Wüthrich，表彰他用多维NMR波谱学在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性贡献；-2003年的诺贝尔生理和医学奖授予美国科学家Lauterbur和英国科学家Mansfield，表彰他们在磁共振成象(magneticresonanceimaging,MRI)技术领域的突破性成就。后三次诺贝尔奖标志着NMR的研究领域已从早期的物理学进入到化学和生命科学的广阔天地。第2页，共18页，2023年，2月20日，星期五NMR的应用领域化学结构鉴定：天然产物化学、有机合成化学动态过程的研究：反应动力学、研究平衡过程（化学平衡或构象平衡三维结构研究：蛋白质DNA/DNA复合物、多糖药物设计：NMR研究构效关系医学磁共振成像（MRI)第3页，共18页，2023年，2月20日，星期五核磁共振实验课内容一、核磁共振的基本原理二、核磁共振仪器三、核磁共振实验四、核磁共振谱解析第4页，共18页，2023年，2月20日，星期五一、核磁共振的产生核磁共振:是一种物理现象，一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法.NMR激发样品时，原子核在不同频率（共振频率）产生共振。射频频率与磁场强度Bo是成正比的，在进行核磁共振实验时，所用的磁强强度越高，发生核磁共振所需的射频频率也越高。这些频率就是核子被外来射频脉冲激发而发射出的频率第5页，共18页，2023年，2月20日，星期五核磁共振的实现频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率磁场扫描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度实际上多用后者。各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的共振频率为：

1H60.000MHZ13C15.086MHZ19F56.444MHZ

31P24.288MHZ对于1H核，不同的频率对应的磁场强度：射频

40MHZ磁场强度0.9400特斯拉

601.40921002.35002004.70003007.1000500

11.7500第6页，共18页，2023年，2月20日，星期五核磁共振的分类固体核磁共振（半固体）

不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性的金属及非金属材料。液体核磁共振

有机化合物，天然产物，生物大分子。核磁共振成像

临床诊断的成像、研究动、植物形态的微成像、功能成像和分子成像。第7页，共18页，2023年，2月20日，星期五二、核磁共振的谱仪分类：按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁场按交变频率分：40，60，90，100，200，500，--，800，900MHZ（兆赫兹），频率越高，分辨率越高按射频源和扫描方式不同分：连续波NMR谱仪（CW-NMR)脉冲傅立叶变换NMR谱仪(FT-NMR)①连续波谱仪：固定电磁波频率，连续扫描静磁感强度或者固定静磁感强度，连续改变电磁波频率，具有该种工作方式的谱仪。缺点：效率低、采样慢、难于累加，更不能实现核磁共振的新技术。②傅立叶变换谱仪：先就要使不同基团的核同时共振，同时产生各自的核磁共振信号。为达到这点，我们在某一时刻对样品应加一个相当宽的频谱的射频。70年代商用谱仪问世。优点：可对少量样品进行累加测试，完成多种连续波谱仪不能完成的实验，例如，多种多样的核磁共振二维谱。第8页，共18页，2023年，2月20日，星期五在静磁场中,原来简并的核能级分裂成不同的能级状态.如果用相应频率的射频场（RF脉冲）照射，就可观察到核自旋在能级间的跃迁（能级间的原子核数差值减小或消失）。或者说,当相应频率的射频场(RF)脉冲照射时,宏观磁化矢量将围绕着射频场作用的方向从Z-轴转到X-Y平面上.由该平面上的检测线圈检测出时间域的FID信号,再通过傅立叶变换得到频率域的核磁共振谱图.FTNMR：磁化矢量、射频脉冲和FID信号B0MB0MRF脉冲，覆盖了很宽的频率范围。接收器ReceiverFTS(t)S(w)FID信号第9页，共18页，2023年，2月20日，星期五NMR仪器的主要组成部件从空间上分，主要有两大部分磁体（含探头）和谱仪磁体：提供强而均匀的磁场探头:探头是核磁谱仪的核心部件，它固定于磁体或磁铁的中心，为圆柱形。作用有：放置样品、发射射频波脉冲、检测核磁共振信号、通过压缩空气对样品旋转谱仪：如射频发生器，前置放大器，接收器等等。由于是傅里叶变换分析仪器，必须有相应的计算机硬件、软件。高频核磁谱仪一般配有工作站，以进行复杂的运算和操作。第10页，共18页，2023年，2月20日，星期五900M核磁共振仪第11页，共18页，2023年，2月20日，星期五核磁共振静磁场－超导磁体第12页，共18页，2023年，2月20日，星期五常用的核磁共振（NMR）实验常见一维核磁实验：1H13C13C－DEPT135o(CHCH3正,CH2负)13C－DEPT90o(CH正)

第13页，共18页，2023年，2月20日，星期五核磁共振波谱的测定样品：纯度高，固体样品和粘度大液体样品必须溶解。溶剂：氘代试剂(CDCl3,C6D6,CD3OD,CD3COCD3,C5D5N)标准：四甲基硅烷(CH3)4Si，缩写：TMS

优点：信号简单，且在高场，其他信号在低场，值为正值；沸点低（26。5C)，利于回收样品；易溶于有机溶剂；化学惰性此外还有：六甲基二硅醚（HMDC,值为0.07ppm),4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠（DSS,水溶性，作为极性化合物的内标，但三个CH2的值为0.5~3.0ppm,对样品信号有影响）

第14页，共18页，2023年，2月20日，星期五NMR测试步骤1、选择测试模版：例如1H、13C、dept1352、建立新的实验数据目录名①命令edc（回车）②设置新实验的名称（NAME）、实验号（EXPNO）、处理号PROCNO）③点击SAVE3、锁场①打命令Lock（回车）②点击所用氘代溶剂4、探头调谐atma5、梯度匀场：打命令topshim（回车）6、自动增益：打命令rga（回车）7、采样：打命令zg（回车）8、数据处理：傅立叶变换fp、相位校正apk、校正基线abs、定标、标峰、积分第15页，共18页，2023年，2月20日，星期五NMR解谱1、判断参考标准物峰、溶剂峰、旋转边带、杂质峰。2、根据谱峰的化学位移值，粗略判断它们分别所属基团或可能的基团。由1H积分判断各峰所含1H原子的数目之比。先判断特殊的峰。CH3O-，CH3N-，CH3-，CH3CO-3、复杂谱峰的H谱仔细分析。4、已知化学分子式，应计算其不饱和度，了解可能存在的环及双键数目。5、对于复杂谱或常规谱不能确定分子结构，应用其他谱图结合分析不饱和度＝F+1+(T-O)/2其中：

F：化合价为4价的原子个数（主要是C原子），

T：化合价为3价的原子个数（主要是N原子），

O：化合价为1价的原子个数（主要是H原子），

第16页，共18页，2023年，2月20日，星期五碳谱按化学位移分区1、饱和碳原子区《100，饱和碳原子若不直接和杂原子O、S、N、F