1、生物用核磁共振仪台式核磁共振仪The Winner of The Nobel Prize in Physics (1952) R. R. Ernst 恩斯特恩斯特The Winner of The Nobel Prize in Chemistry (1991)K. Wthrich(维特里希因维特里希因 ）The Winner of The Nobel Prize in biomacromolecule (2002)核磁共振领域诺贝尔奖获得者核磁共振领域诺贝尔奖获得者E. M. Purcell 珀赛尔珀赛尔F. Bloch 布洛赫布洛赫1946年发现核磁共振现象FT-NMR and 2DNMR发
2、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 S. P. Mansfield (彼得曼斯菲尔德彼得曼斯菲尔德), University of Nottingham, 英国英国P. C. Lauterbur(保罗劳特布尔保罗劳特布尔), University of Illinois, 美国美国 2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者年诺贝尔生理学和医学奖获得者核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。v核磁共振基本原理核磁共振基本原理v图谱解析与结构鉴定图谱解析与结构鉴定v核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪第
3、一节第一节核磁共振基本原理核磁共振基本原理 principle of NMRprinciple of NMR 原子核的自旋原子核的自旋 核磁共振条件核磁共振条件 弛豫过程弛豫过程一、概述一、概述 (introduction) 核磁共振（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（ 1010-1-110102 2MHzMHz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。 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纯化合物结构纯化合物结
4、构、混合物成分混合物成分及及定量分析定量分析等。等。特点：特点： 与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于与通常的吸收光谱相比，其来源不同，来源于 原子核自旋跃迁所得吸收谱；原子核自旋跃迁所得吸收谱； 应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、应用范围广，有机、无机、定性、结构分析、 定量等；定量等； 不需要标准样品，可直接进行定量；不需要标准样品，可直接进行定量； 不破坏样品；不破坏样品； 只能研究磁性核只能研究磁性核 。核磁共振现象产生的条件？一、原子核的自旋一、原子核的自旋 atomic nuclear spin 原子核的自旋特性，在量子力学中用自旋量子数原子核的自旋特性，在量子力学中用自
5、旋量子数I I描述原子描述原子核的运动状态。而自旋量子数核的运动状态。而自旋量子数I I的值又与核的质量数和所带电的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。 若原子核存在自旋，产生自旋角动量：若原子核存在自旋，产生自旋角动量：)1I ( I2hp 原子核的基本属性：质量和电荷数。原子核的基本属性：质量和电荷数。自旋量子数（I）与质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：=核核 磁磁 矩：矩： （ :磁旋比）磁旋比）) 1(2IIhp原子核的磁性原子核的磁性质量数质量数 质子数质子数 中子数中子数 自旋量子数自旋量子数 核磁性核
6、磁性 实例实例（A A） （Z Z） （N N） （I I）偶数偶数 偶数偶数 偶数偶数 0 0 无无 1212C,C,1616O,O,3232S S偶数偶数 奇数奇数 奇数奇数 1 1，2 2，3 3. . 有有 2 2H,H, 14 14N N奇数奇数 奇数或偶数奇数或偶数 偶数或奇数偶数或奇数 1/21/2；3/23/2；5/25/2. . 有有 1 1H,H,1313C,C,1717O,O,1919F,F,3131P P讨论讨论: :(1) I=0 的原子核的原子核 16 O； 12 C； 22 S等等 ，无自旋，没有磁矩，无自旋，没有磁矩， 不产生共振吸收不产生共振吸收(2) I=1
7、 或或 I 1的原子核的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)1/2的原子核的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是样自旋，有磁矩产生，是核核磁共振研究的主要对象磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要也是有机化合物的主要组成元素。
8、组成元素。磁性核在外磁场中的行为磁性核在外磁场中的行为拉莫尔进动拉莫尔进动当置于外加磁场当置于外加磁场H H0 0中时，相对于外磁场，可以有（中时，相对于外磁场，可以有（2 2I I+1+1）种）种自旋取向：自旋取向：I I=1/2=1/2的核，两种取向（两个能级）：的核，两种取向（两个能级）：(1)(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数与外磁场平行，能量低，磁量子数1/21/2(2)(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数与外磁场相反，能量高，磁量子数1/21/2EH00无磁场外加磁场m =-1/2 E2m =1/2 E1E 根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核磁场作用能E，即各能级的能
9、量为I=1/2的核自旋能级裂分与的核自旋能级裂分与H0的关系的关系I=1/2的的核在磁场中，核在磁场中，由低能级由低能级(E1)向高能向高能级级(E2)跃迁时，所需跃迁时，所需的能量的能量(E)为为E与核的磁旋比和外磁场强度成正比。与核的磁旋比和外磁场强度成正比。02mHhE02HhE二、核磁共振条件二、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance 在外磁场中，原子核在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要级向高能级跃迁，需要吸收能量。吸收能量。 2H20000 hHh当发生核磁共振时，原子核磁能级的能级差必
10、然等于电磁波的能量，则：共振条件共振条件(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 )共振条件：共振条件： 0 = H0 / (2 )（1）对于同一种核）对于同一种核 ，磁旋比，磁旋比 为定值，为定值， H0变，射频频率变，射频频率 变。变。（2）不同原子核，磁旋比）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度度H0和射频频率和射频频率 不同。不同。 （3） 固定固定H0 ，改变，改变 （扫频）（扫频） ，不同原子核在不同频率处发生共振。，不同原子核在不同频率处发生共振。 也可固
11、定也可固定 ，改变，改变H0 （扫场）。扫场方式应用较多。（扫场）。扫场方式应用较多。 氢核（氢核（1H）：）： 1.409 T 共振频率共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率共振频率 100 MHz 磁场强度 H0 的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉） 三、弛豫过程三、弛豫过程不同能级上分布的核数目可由不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：定律计算：磁场强度磁场强度2.3488 T；25 C；1H的共振频率与分配比：的共振频率与分配比： kThkTEkTEENNjiji expexpexp两能级上核数目差：两能级上核数目差：1.6 10-5；MHz00.
12、10024. 323488. 21068. 2280 B 共振频率共振频率999984. 0KKJssJ2981038066. 11000.10010626. 6exp1123634 jiNN弛豫弛豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到低能态。高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和饱和(saturated)低能态的核等于高能态的核。低能态的核等于高能态的核。 在在NMR中，弛豫过程有两种方式，即中，弛豫过程有两种方式，即 自旋自旋晶格弛豫和自旋晶格弛豫和自旋自旋弛豫。自旋弛豫。自旋自旋晶格弛豫晶格弛豫，又称纵向弛豫，用，又称纵向弛豫，用T1表示；表示；自旋自旋自旋弛豫自旋弛豫，
13、又称横向弛豫，用，又称横向弛豫，用T2表示。表示。第二节第二节核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移 NMR and NMR and chemical shift 核磁共振与化学位移核磁共振与化学位移 影响化学位移的因素影响化学位移的因素一、核磁共振与化学位移一、核磁共振与化学位移 nuclear magnetic resonance and chemical shift推导条件：推导条件：理想化的、裸露的氢核理想化的、裸露的氢核 , 产生单一的吸收峰；产生单一的吸收峰； (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 )共振条件共振条件目
14、前，常用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。 H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。越大，屏蔽效应越大。 0 = / (2 ) （1- ）H0 屏蔽的存在，共振需更强的外磁场屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核相对于裸露的氢核)。屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小： 1. 1. 化学位移化学位移 （chemical shift） 0 = / (2 ) （1- ）H0 在有机化合物中，各种氢核在有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，
15、即引起共振吸同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为收峰的位移，这种现象称为化学位移，化学位移，用用 表示表示。2. 2. 化学位移的表示方法化学位移的表示方法(1)(1)位移的标准位移的标准没有完全裸露的氢核，没没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（内标）（内标） 位移常数位移常数 TMS=0(2) 为什么用为什么用TMS作为基准作为基准?a. 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰； b.屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质
16、子峰不重迭；屏蔽强烈，位移最大，与有机化合物中的质子峰不重迭；c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。位移的表示方法位移的表示方法 与裸露的氢核相比，与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定的化学位移最大，但规定 TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。= （ 样样 - TMS) / 0 1060影响影响的测量值。的测量值。 小，屏蔽强，共振需小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；出现，图右侧； 大，屏蔽弱，共振需大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场要的
17、磁场强度小，在低场出现，图左侧；出现，图左侧；二、影响化学位移的因素二、影响化学位移的因素 factors influenced chemical shiftfactors influenced chemical shift（1 1）电负性、氢键）电负性、氢键-去屏蔽效应去屏蔽效应 与与H核相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，核相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离价电子偏离H核，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。核，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。-CH3 ， =1.62.0，高场；高场；-CH2I， =3.0 3.5,-O-H， -C-H， 大大 小小低场低场 高场高场（2 2）
18、溶剂效应）溶剂效应 最理想的溶剂：CCl4, CS2, 常用的溶剂：氯仿（CHCl3）、丙酮（CH3COCH3) 一般采用氘代衍生物。0123456789101112131415化学位移HCCHCOHCOOHH3CO3.7H3CN3.0H3CC2.1OH3CC1.8CH3CC0.9(ppm)第三节第三节自旋耦合与自旋裂分自旋耦合与自旋裂分 spin coupling and spin splittingspin coupling and spin splitting 自旋偶合与自旋裂分自旋偶合与自旋裂分 峰裂分数与峰面积峰裂分数与峰面积 磁等同与磁不等同磁等同与磁不等同一、自旋偶合与自旋裂分一
19、、自旋偶合与自旋裂分 spin coupling and spin splittingspin coupling and spin splitting 每类氢核不总表现每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合核之间的自旋偶合（自旋干扰）；（自旋干扰）；峰的裂分峰的裂分峰的裂分原因峰的裂分原因:自旋偶合自旋偶合相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；多重峰的峰间距：偶合常数（多重峰的峰间距：偶合常数（J），用来衡量偶合作），用来衡量偶合作用的大小。用的大小。二、峰裂分数与峰面积二、峰裂分数与峰
20、面积 number of pear splitting and pear areasnumber of pear splitting and pear areas 峰裂分数：峰裂分数：n+1 n+1 规律；规律；n:n:相邻碳原子上的状态相相邻碳原子上的状态相同的同的H H核数；核数； 相对强度比符合二项式（相对强度比符合二项式（a+b)a+b)n n展开式的展开式的系数比。系数比。 峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。间的相对比例。峰裂分数峰裂分数(一）一）C CH3HC CH HH1:11:3:3:11:11:2:1C CH
21、H HHHC CH3HCH31:6:15:20:15:6:11:11H核与核与n个等价个等价1H核相邻时，裂分峰数：核相邻时，裂分峰数：( n+1)峰裂分数（二）峰裂分数（二）1H核与核与n个不等价个不等价1H核相邻时，裂分峰数：核相邻时，裂分峰数：（n1+1)( n2+1)个；个；CCCCHaHcHbHd(nb+1)(nc+1)(nd+1)=22 2=8Ha裂分为裂分为8重峰重峰CCCHaHcBrHbHbHcHbHaHa裂分为多少重峰？裂分为多少重峰？01234JcaJca JbaHa裂分峰裂分峰:(3+1)(2+1)=12实际实际Ha裂分峰裂分峰:(5+1)=6强度比近似为：强度比近似为：
22、1:5:10:10:5:1三、化学等价和磁等同三、化学等价和磁等同 magnetically equivalent1. 1. 化学等价（化学位移等价）化学等价（化学位移等价） 若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。 分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其它的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核称为磁等同的核。
23、只表现一个偶合常数，这类核称为磁等同的核。2. 磁等同磁等同磁等同例子：磁等同例子：CHHHCHHFFCH2C CHHHHHH三个三个H核核化学等同化学等同磁等同磁等同二个二个H核化学等核化学等同，磁等同同，磁等同二个二个F核化学等核化学等同，磁等同同，磁等同六个六个H核核化学等同化学等同磁等同磁等同两核（或基团）磁等同条件两核（或基团）磁等同条件化学等价（化学位移相同）化学等价（化学位移相同）对组外任一个核具有相同的偶合常数（数值和键数）对组外任一个核具有相同的偶合常数（数值和键数）第四节第四节谱图解析与化合物结构确定analysis of spectrograph and analysis
24、 of spectrograph and structure determinationstructure determination 谱图中化合物的结构信息谱图中化合物的结构信息 简化谱图的方法简化谱图的方法 谱图解析谱图解析 谱图联合解析谱图联合解析 一、谱图中化合物的结构信息一、谱图中化合物的结构信息structure information of compound in spectrograph（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类,多少种多少种；（2）峰的面积）峰的面积 (积分线积分线)：每类质子的数目：每类质子的数目(相对相对),多少个
25、多少个；（3）峰的位移）峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，每类质子所处的化学环境，化合物中化合物中 位置位置；（4）峰的裂分数：）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数相邻碳原子上质子数；（5）偶合常数）偶合常数(J)：确定化合物构型确定化合物构型。邻苯二甲酸二乙酯的邻苯二甲酸二乙酯的NMR谱图谱图CAS：84-66-2分子式：分子式：C12H14O4分子量：分子量：222.24一级谱的特点一级谱的特点裂分峰数符和裂分峰数符和n+1规律，相邻的核为磁等价即只有一个规律，相邻的核为磁等价即只有一个偶合常数偶合常数J；若相邻；若相邻n个核，个核，n1个核偶合常数为个核偶合常数为J1， n2个核偶合常
26、数为个核偶合常数为J2，n= n1+ n2则裂分峰数为则裂分峰数为（n1+1)( n2+1)q峰组内各裂分峰强度比峰组内各裂分峰强度比(a+b)n的展开系数的展开系数q从谱图中可直接读出从谱图中可直接读出 和和J，化学位移，化学位移 在裂分峰的对在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（称中心，裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数）为偶合常数J非一级谱（二级谱）非一级谱（二级谱） v一般情况下，谱峰数目超过一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数目规律所计算的数目v组内各峰之间强度关系复杂组内各峰之间强度关系复杂v一般情况下，一般情况下， 和和J不能从谱图中直接读出不能从谱图中直接读出二、简化谱
27、图的方法 methods of simpling spectrograph1. 1. 采用高场强仪器采用高场强仪器60MHzC CHCNHH100MHz220MHzHCHBHA2. 溶剂效应及活泼氢溶剂效应及活泼氢D2O交换反应交换反应 核磁共振谱的测定，一般使用氘代溶剂核磁共振谱的测定，一般使用氘代溶剂 （如（如CDCl3），以避免普通溶剂分子中），以避免普通溶剂分子中H的干扰。同一质子的干扰。同一质子在不同的溶剂中，所测得的在不同的溶剂中，所测得的值往往不同。这种由于溶值往往不同。这种由于溶剂的影响而引起化学位移发生变化的现象称为剂的影响而引起化学位移发生变化的现象称为溶剂效应溶剂效应。
28、一般含有一般含有OH、SH、NH等活泼质子的样品，溶剂等活泼质子的样品，溶剂效应更明显。因此核磁共振图谱都标出测定时所使用的效应更明显。因此核磁共振图谱都标出测定时所使用的溶剂。溶剂。对于含有活泼氢的样品，可先用一般方法测定图对于含有活泼氢的样品，可先用一般方法测定图谱，然后加入几滴重水谱，然后加入几滴重水(D2O)，再测定图谱，在后一张，再测定图谱，在后一张图谱中信号消失的质子便是活泼质子，同时在图谱中信号消失的质子便是活泼质子，同时在 =4.7ppm=4.7ppm处出现处出现HDOHDO单峰单峰。常用溶剂及其化学位移常用溶剂及其化学位移名名 称称氯仿氯仿-d1二甲基亚砜二甲基亚砜-d6分子
29、式分子式丙酮丙酮-d6重水重水化学位移化学位移/ppm1H13CCHCl3-d1(CH3)2CO-d6H2O-d2(CH3)2SO-d6苯苯-d6甲醇甲醇-d4吡啶吡啶-d5C6H6-d6CH3OH-d4C6H5N-d5 7.27 76.92.05 206, 29.1 4.02.5 39.67.20 128.03.34, 4.11 49.0 7.18, 7.57, 149.9, 135.5 8.57 123.5三、谱图解析三、谱图解析步骤步骤i.由分子式求不饱合度由分子式求不饱合度ii. 由积分曲线求由积分曲线求1H核的相对数目核的相对数目iii. 解析各基团解析各基团 再解析：再解析： H3
30、CO,H3CNAr,H3CCO,H3CC,H3C( 低场信号低场信号 ) 最后解析最后解析：芳烃质子和其它质子芳烃质子和其它质子 COOH,CHO首先解析：首先解析：spectrum spectrum unscramblingunscrambling 活泼氢活泼氢D2O交换，解析消失的信号交换，解析消失的信号 由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析 参考参考 IR，UV，MS和其它数据推断结构和其它数据推断结构 得出结论，验证结构得出结论，验证结构 6个质子处于完全相同的化学环境，单峰。个质子处于完全相同的化学环境，单峰。没有直接与强吸电子基团（或元素
31、）相连，在高场出现。没有直接与强吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。1. 谱图解析（谱图解析（1） 质子质子a与质子与质子b所所处的化学环境不同，处的化学环境不同，两个单峰。两个单峰。单峰：没有相邻碳原单峰：没有相邻碳原子（或相邻碳原子无子（或相邻碳原子无质子）质子） 质子质子b直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，峰在低场（相对于质子峰在低场（相对于质子a ）出现。）出现。 质子质子b也受其影响，峰也向低场位移。也受其影响，峰也向低场位移。 谱图解析（谱图解析（2）第五节第五节核磁共振波谱仪nuclear magnetic resonance spec
32、trometer连续波核磁共振波谱仪连续波核磁共振波谱仪1永久磁铁或电磁铁：永久磁铁或电磁铁：提供外磁场，要求稳定性提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。六千万分之一。扫场线圈。2 射频振荡器：线圈垂射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。率的电磁辐射信号。60MHz或或100MHz。3 射频信号接受器射频信号接受器（检测器）：当质子的（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。中产生毫伏级信号。4样品管：外径样品管：外径5mm的玻璃管的玻璃管,测量过程中旋测量过程中旋转转, 磁场作用均匀。磁场作用均匀。核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪傅立叶变换核磁共振波谱仪傅立叶变换核磁共振波谱仪 不是通过扫场或扫不是通过扫场或扫频产生共振；频产生共振； 恒定磁场，施加全恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）（类似于一台多道仪）
