核磁共振基礎(chǔ)

核磁共振基礎(chǔ)第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振概論一維氫譜一維碳譜

有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定與有機波譜學(xué)寧永成科學(xué)出版社有機化合物的波譜解析藥明康德華東理工大學(xué)出版社

第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振概論核磁共振現(xiàn)象儀器描述核磁共振的方法譜圖參數(shù)實驗操作譜圖處理第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月FelixBloch,USAandEdwardM.Purcell,USA

TheNobelPrizeinPhysics1952,"fortheirdiscoveryofnew methodsfornuclearmagneticprecisionmeasurementsand discoveriesinconnectiontherewith"RichardR.Ernst,Switzerland

TheNobelPrizeinChemistry1991,"forhiscontributionstothe developmentofthemethodologyofhighresolutionnuclearmagnetic resonance(NMR)spectroscopy"KurtWuthrich,Switzerland

TheNobelPrizeinChemistry2002,"forhisdevelopment ofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthe three-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution"PaulC.Lauterbur,USAandPeterMansfield,UnitedKingdom

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2003,"fortheir discoveriesconcerningmagneticresonanceimaging"？？？核磁共振發(fā)展歷程Theory————Methodology————Application第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振概述核磁共振（NMR，NuclearMagneticResonance)是指處于外磁場中的物質(zhì)，其原子核受到相應(yīng)頻率的電磁波作用時，其原子核的磁能級之間發(fā)生共振躍遷的這種物理現(xiàn)象。檢測電磁波被吸收的情況就可以得到核磁共振波譜。因此，核磁共振波譜是物質(zhì)與電磁波相互作用而產(chǎn)生的，屬于吸收光譜（波譜）范疇。根據(jù)核磁共振波譜圖上共振峰的位置、強度和精細(xì)結(jié)構(gòu)及其它信息，可以研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和相互作用。核磁共振是最廣泛地研究分子性質(zhì)的最通用的技術(shù)：從三維結(jié)構(gòu)到分子動力學(xué)、化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)性和超分子體系。第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振特點原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)可以研究結(jié)構(gòu)、動力學(xué)、相互作用最接近生理或化學(xué)反應(yīng)條件不破壞樣品，不需要分離技術(shù)手段多，發(fā)展快靈敏度低儀器貴重原理和方法不易掌握第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核的一些基本屬性電荷： 質(zhì)子 中子自旋： 自旋量子數(shù)I：0?>?

自旋角動量P：磁矩（表征磁性）μ：μ=γP 旋磁比γ

gyromagneticratio 具有磁矩的原子核才會發(fā)生核磁共振現(xiàn)象質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)I典型核偶數(shù)偶數(shù)偶數(shù)012C,16O,32S偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)n/2(n=2,4,…)2H,14N奇數(shù)偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)偶數(shù)n/2(n=1,3,5,…)1H,13C,15N,19F,31P,

11B,17O,35Cl,79Br,81Br,127I第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振(NMR)的產(chǎn)生特定頻率電磁波照射，滿足 hν=ΔE

ν=(γ/2π)B0與外磁場相互作用能 E=-μB0能級量子化 ΔE=(hγ/2π)B0第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典力學(xué) 拉摩爾進(jìn)動（Larmorprecession)ν=(γ/2π)B0第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振信號的影響因素ν=(γ/2π)B0I

0?>?

ν 射頻（兆赫）B0 磁場強度γ 旋磁比第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月S/N∝Nγ3B03/2n1/2N 自旋原子數(shù)目（樣品濃度）γ 旋磁比B0 磁場強度n 掃描次數(shù)

核磁共振的靈敏度第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月同位素I天然豐度（%）

/107絕對靈敏度共振頻率（MHz)B=7.0463T1H1/299.9826.751.003002H10.0151.45*10-646.0513C1/21.116.731.76*10-475.4314N199.631.01*10-321.6715N1/20.37-2.713.85*10-630.4019F1/210025.180.83282.2331P1/210010.846.63*10-2121.40常見核的核磁共振性質(zhì)第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月問題：根據(jù)1H、13C和15N的旋磁比、天然豐度等基本參數(shù)，計算13C、15N的絕對靈敏度（假設(shè)1H的絕對靈敏度為100）。對于400兆核磁共振譜儀而言，1H的共振頻率為400MHz，那么，13C、15N的共振頻率應(yīng)該是多少呢？同位素I天然豐度（%）

/107絕對靈敏度共振頻率（MHz)1H1/299.9826.7510040013C1/21.116.7315N1/20.37-2.71第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振儀器第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)波（CW）傅立葉變換（FT）FIDAcquiretd第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月描述核磁共振的方法簡介能級圖(energylevel)矢量模型（vectormodel)遲豫(relaxation)過程第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月能級圖吸收光譜、波譜共性： 波爾茲曼分布布居數(shù) 躍遷 自發(fā)輻射 幾率與能級差成正比 飽和:αβ布居數(shù)相同，無躍遷，即無核磁共振吸收核磁特點：遲豫過程frequencyβα第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量模型宏觀磁化強度M第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月zxyzxyzxy單脈沖實驗過程Acquiretdθ第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月遲豫過程Bloch方程縱向遲豫時間T1橫向遲豫時間T2第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋-晶格弛豫(spinlatticerelaxation)energyprocess自旋-自旋弛豫(spin-spinrelaxation)entropyprocess

inphase(coherence)dephase第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月遲豫機理DipolarrelaxationSpinrotationrelaxationChemicalshiftanisotropyScalarcouplingElectricquadrupolarrelaxationParamagneticrelaxationDipole-dipole機理：核周圍的分子相當(dāng)于許多小磁體，這些小磁體快速運動產(chǎn)生的瞬息萬變的波動磁場，包含有許多不同頻率。若其中某個波動場的頻率與核自旋產(chǎn)生的磁場的頻率一致時，這個自旋核就會與波動場發(fā)生能量交換，把能量傳給周圍分子而躍遷到低能級。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月由弛豫時間所引起的NMR信號峰的加寬，可以用測不準(zhǔn)原理來估計，即：

E*th E=h* =1/t=1/T2 譜線寬度與弛豫時間T2成反比。如果T2很小，譜線很寬 固體樣品 黏度大的樣品 快速化學(xué)交換的信號 四極矩原子核14N15NNMR譜線的寬度第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核的電四極矩(electricquadropularmoment)第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振的參數(shù)化學(xué)位移自旋耦合、耦合常數(shù)信號強度（積分值）遲豫時間NOE第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)位移當(dāng)裸露核處于外磁場B0中，它受到B0所有的作用。而實際上，處在分子中的核并不是裸露的，核外有電子云存在。核外電子云受B0的誘導(dǎo)產(chǎn)生一個方向與B0相反，大小與B0成正比的誘導(dǎo)磁場。它使原子核實際受到的外磁場強度減小。也就是說核外電子對原子核有屏蔽（shielding）作用。屏蔽常數(shù)σ

ν0=(γ/2π)B0

ν=(γ/2π)B0（1-σ）發(fā)現(xiàn)：1950年W.G.Proctor,Y.C.Yu在研究硝酸銨NH4NO3的14NNMR時發(fā)現(xiàn)兩條譜線，這說明核磁共振可以反映同一種核（14N）的不同化學(xué)環(huán)境。第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月屏蔽作用的大小與核外電子云密度有關(guān)，核外電子云密度越大，核受到的屏蔽作用越大，而實際受到的外磁場強度降低越多，共振頻率降低的幅度也越大。如果要維持核以原有的頻率共振，則外磁場強度必須增強得越多。電子云密度和核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，這種因核所處化學(xué)環(huán)境改變而引起的共振條件（核的共振頻率或外磁場強度）變化的現(xiàn)象稱為化學(xué)位移（chemicalshift）。由于化學(xué)位移的大小與核所處的化學(xué)環(huán)境有密切關(guān)系，因此就有可能根據(jù)化學(xué)位移的大小來了解核所處的化學(xué)環(huán)境，即了解有機化合物的分子結(jié)構(gòu)。第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月屏蔽常數(shù)與原子核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，其中主要包括以下幾項影響因素： =d+p+a+s

d：抗磁（diamagnetic）屏蔽的大小

p：順磁（paramagnetic）屏蔽大小

a：相鄰核的各向異性（anisotropic）的影響

s:溶劑、介質(zhì)等其他因素的影響

d是指核外球形對稱的s電子在外磁場感應(yīng)下產(chǎn)生的對抗性磁場，它使原子核實際受到的磁場稍有降低，所以這種屏蔽作用稱為抗磁性屏蔽。

p是指核外非球形對稱的電子云產(chǎn)生的磁場所起的屏蔽作用，它與抗磁屏蔽產(chǎn)生的磁場方向相反，所以起到增強外磁場的作用。s電子是球形對稱的，對順磁性屏蔽沒有貢獻(xiàn)，而d、p電子是各向異性的，對這一項都有貢獻(xiàn)。分子中其他原子或化學(xué)鍵的存在使所討論的原子核核外電子運動受阻，電子云呈非球形，也會對

p有貢獻(xiàn)。除了核外電子類型的影響之外，相鄰基團(tuán)的各向異性以及溶劑、介質(zhì)的性質(zhì)對屏蔽常數(shù)也有影響，但相比之下，

d、

p的影響大。第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)位移常數(shù)

采用位移常數(shù)

來表示化學(xué)位移 =（樣-標(biāo)）/標(biāo)*106=/振蕩器頻率*106

樣、標(biāo)分別為樣品中磁核與標(biāo)準(zhǔn)物中磁核的共振頻率；為樣品分子中磁核與標(biāo)準(zhǔn)物中磁核的共振頻率差，標(biāo)常常用振蕩器頻率0代替。位移常數(shù)的值非常小，ppm。 用值表示化學(xué)位移，同一個物質(zhì)在不同規(guī)格型號的儀器上所測得的數(shù)值是相同的。第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月直接內(nèi)標(biāo)物：TMSDSS間接內(nèi)標(biāo)物：溶劑在1H譜和13C譜中都規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)物TMS的化學(xué)位移值

=0，在它的左邊

為正值，在它的右邊

為負(fù)值，絕大部分有機物中的氫核或碳核的化學(xué)位移都是正值。不同的同位素核因屏蔽常數(shù)變化幅度不等，

值變化的幅度也不同，如1H的

值小于20，13C的

大部分在0-250，而195Pt的

可達(dá)13000。第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋耦合產(chǎn)生原因：分子中磁核間的相互作用。它對化學(xué)位移沒有影響，而對譜峰的形狀有著重要影響。ααβαBαβB-ΔBB+ΔBαβββA核譜峰A核能級圖A核磁場強度第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合常數(shù)J表示耦合的磁核干擾程度的大小，以赫茲Hz為單位。耦合常數(shù)與外加磁場無關(guān)，而與兩個核在分子中相隔的化學(xué)鍵的數(shù)目和種類有關(guān)。J值與兩核間的鍵的數(shù)目密切相關(guān)，通常在J的左上角標(biāo)以兩核相距的化學(xué)鍵數(shù)目，在J的右下角標(biāo)明相互耦合的兩個核的種類。如13C—1H之間的耦合只相隔一個化學(xué)鍵，故表示為1JC—H，而1H—C—C—1H中兩個1H之間相隔三個化學(xué)鍵，其耦合常數(shù)表示為3JH—H。J的大小還與化學(xué)鍵的性質(zhì)以及立體化學(xué)因素有關(guān)，是核磁共振譜能提供的極為重要的參數(shù)之一。J值有正負(fù)符號。相偶合的雙核取向相同時能量較高，或取向相反時能量較低，則J>0，反之，則J<0.耦合常數(shù)J第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月對于四極矩核，由于四極矩弛豫很快，粒子在高能級存在時間很短，本身核磁譜線極寬，難于檢測。同時，它與鄰近核的耦合作用也表現(xiàn)不出來，可當(dāng)作無磁性核來處理。CHCl3四極矩核的耦合第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一級譜圖的規(guī)律一組磁等價的核如果與另外n個磁等價的核相鄰時，這一組核的譜峰將被裂分為2nI+1個峰，I為自旋量子數(shù)。對于1H以及13C、19F等核種來說，I=1/2，裂分峰數(shù)目等于n+1個，因此通常稱為“n+1規(guī)律”。AX體系第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月因耦合而產(chǎn)生的多重峰相對強度可用二項式(a+b)n展開的系數(shù)表示，n為磁等價核的個數(shù)。即相鄰有一個耦合核時（n=1），形成強度基本相等的二重峰；相鄰有兩個磁等價的核時（n=2），因耦合作用形成三重峰強度為1:2:1；相鄰有三個磁等價核時（n=3），形成四重峰強度為1:3:3:1等等.A2X3體系第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月如果某組核既與一組n個磁等價的核耦合，又與另一組m個磁等價的核耦合，且兩種耦合常數(shù)不同，則裂分峰數(shù)目為（n+1）（m+1）AMX體系A(chǔ)X6體系第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)等價化學(xué)等價又稱化學(xué)位移等價。如果分子中有兩個相同的原子或基團(tuán)處于相同的化學(xué)環(huán)境時，稱它們是化學(xué)等價?；瘜W(xué)等價的核具有相同的化學(xué)位移值。 A2X3體系第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月固定環(huán)上CH2兩個氫不是化學(xué)等價的，如環(huán)已烷或取代的環(huán)已烷上的CH2；化學(xué)不等價第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月受阻旋轉(zhuǎn)時同碳上的二相同基團(tuán)，不是化學(xué)位移等價第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月手性分子中的-CH2上-CH(CH3)2不是化學(xué)等價的第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月與手性碳直接相連的-CH2上-CH(CH3)2不是化學(xué)等價的第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月前手性中心不與手性中心相連，也可能不是化學(xué)等價可以用基團(tuán)替換法分析第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗操作樣品配制儀器準(zhǔn)備實驗參數(shù)數(shù)據(jù)采集第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月樣品配制溶劑： 氘代溶解性沸點熔點濃