有机波谱分析核磁共振.pptx
第三章第三章 核磁共振波谱分析法核磁共振波谱分析法Nuclear Magnetic Resonance,NMR3.1核磁共振基本原理 原子核的自旋、核磁共振现象、弛豫过程3.2核磁共振仪3.3化学位移与影响化学位移的因素 化学位移的表示方法；诱导效应、各向异性、氢键效应、空间效应、共轭效应、各类有机化合物的化学位移3.4自旋偶合与裂分 峰裂分数与峰面积；n+1规律;核等价性3.5核磁共振氢谱解析第1页/共38页一、核磁共振发展简史:1.探索（1922 1945）20年代初期 电子自旋和电磁矩的概念1922年 Stern-Gerlach实验（它证实了原子的磁矩在外场中取向是量子化的。即角动量在（它证实了原子的磁矩在外场中取向是量子化的。即角动量在空间的取向是量子化的）空间的取向是量子化的）1939年 Rabi实验(首次NMR)(1944年获诺贝尔物理奖)激光脉冲打入物质中，引起介质上下能级粒子数周期性反转。振荡频率称为激光脉冲打入物质中，引起介质上下能级粒子数周期性反转。振荡频率称为为拉比频率，此过程发生的前提条件是脉冲时间小于介质的驰豫时间，且不为拉比频率，此过程发生的前提条件是脉冲时间小于介质的驰豫时间，且不考虑阻尼。这样可以理解为粒子处于的激发态寿命大于脉冲的作用时间。考虑阻尼。这样可以理解为粒子处于的激发态寿命大于脉冲的作用时间。第2页/共38页2.发现（1946 1955）1946年 Bloch等和Purcell等分别观测到水和石蜡的NMR(1952年获诺贝尔奖)1949年 Hahn回波，自由感应衰减信号（FID）3.化学应用（1956 1965）1957年 Lauterbur首次报道碳谱60年代初 Varian A60 Spectrometer第3页/共38页4.技术发展（1966 1975）超导磁体出现FT-NMR 2D-NMR 1971年Jeener提出概念5.生物应用（1976 1985）大分子溶液结构(Ernst,Wuthrich)体内(in vivo)NMRNMR 成像第4页/共38页6.近代期（1986 now）-医学、结构生物学、物质科学等领域医学诊断（Magnetic Resonance Imaging MRI,功能磁共振成像 FMRI）结构生物学（3D,4D-NMR）材料科学（固体NMR）其他领域（石油、农业、）第5页/共38页虞福春（1914.12 2003.2.12）第6页/共38页虞福春（1914.12 2003.2.12）1936年 北大物理系毕业1939-1946年 西南联大任教1946-1949年 俄亥俄州立大学物理系攻读博士学位1949-1951年 斯坦福大学物理系做博士后研究工作。在Bloch的支持下，他与Proctor合作发现了化学位移效应和自旋耦合裂分效应(1949)，和Proctor、Alder等合作，先后精确测定了20多个稳定核的磁矩。1951年 回北大物理系任教1996年 美国举行的国际NMR发现50周年庆祝 大会特地专函邀请他参加第7页/共38页SCI杂志杂志1.ADVANCES IN MAGNETIC RESONANCE2.ANNUAL REPORTS ON NMR SPECTROSCOPY 3.APPLIED MAGNETIC RESONANCE4.JMRI-JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING5.JOURNAL OF BIOMOLECULAR NMR 6.JOURNAL OF CARDIOVASCULAR MAGNETIC RESONANCE7.JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE8.JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE SERIES A9.JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE SERIES B10.MAGNETIC RESONANCE IMAGING11.MAGNETIC RESONANCE IN BIOLOGY12.MAGNETIC RESONANCE IN CHEMISTRY13.MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE14.MAGNETIC RESONANCE MATERIALS IN PHYSICS BIOLOGY AND MEDICINE15.MAGNETIC RESONANCE QUARTERLY16.NMR IN BIOMEDICINE 17.NMR-BASIC PRINCIPLES AND PROGRESS 18.NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE AND NUCLEIC ACIDS19.NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE,PTC20.OMR-ORGANIC MAGNETIC RESONANCE21.PHYSIOLOGICAL CHEMISTRY AND PHYSICS AND MEDICAL NMR 22.POLYSOAPS/STABILIZERS/NITROGEN-15 NMR 23.PROGRESS IN NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY24.SOLID STATE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE25.TOPICS IN MAGNETIC RESONANCE IMAGING 第8页/共38页NMRNMR波谱学是一种谱学手段：强场NMR波谱学（液体、固体）、磁共振成象NMRNMR广泛的应用：基因组计划 靶向性药物设计 开发新材料 医疗保健 石油物探 二、核磁共振概论迄今还没有哪一种谱学手段能对化学、生物和材料科学有如此大的贡献。第9页/共38页N NSN =B0FT原原原原子子子子核核核核自自自自旋旋旋旋S S射频场射频场射频场射频场19451945：Bloch,PurcellBloch,Purcell分别发现核磁共振现象分别发现核磁共振现象19521952：诺贝尔物理学奖（：诺贝尔物理学奖（Bloch,PurcellBloch,Purcell）第10页/共38页1951：发现化学位移和偶合现象：发现化学位移和偶合现象1991：诺贝尔化学奖（：诺贝尔化学奖（R.R.Ernst:FT-&2D-NMR）2002:诺贝尔化学奖（诺贝尔化学奖（K.Wthrich:FT-&2D-NMR）分子结构分子结构蛋白质构象蛋白质构象配体受体作用配体受体作用反应动力学反应动力学药物代谢药物代谢生生物物核核磁磁共共振振第11页/共38页疾病诊断疾病诊断 MRI脑功能成象脑功能成象 FMRI体内生物化学体内生物化学 MRS代谢物分析代谢物分析 MRSI药物代谢药物代谢 MRS医医学学磁磁共共振振19721972：试管中水的磁共振截面象：试管中水的磁共振截面象19801980：人的头部磁共振象：人的头部磁共振象19911991：脑功能的磁共振象脑功能的磁共振象第12页/共38页由由NMRNMR得到的结构参数得到的结构参数化学位移：化学位移：化学位移：化学位移：电子对核自旋的屏蔽作用电子对核自旋的屏蔽作用F原子核在分子中的位置原子核在分子中的位置自旋耦合：自旋耦合：自旋耦合：自旋耦合：核自旋间的相互作用核自旋间的相互作用F原子核之间的键合关系原子核之间的键合关系F化学键之间的夹角二面角化学键之间的夹角二面角弛豫速率：弛豫速率：弛豫速率：弛豫速率：核自旋间能量交换核自旋间能量交换F原子核之间的距离原子核之间的距离F分子运动的相关时间分子运动的相关时间第13页/共38页1.原子水平的位置的判定和区分：分子中不等价位置：化学位移 近邻核的耦合：自旋耦合，极化转移 谱强：核数2.位置的相互关系 结构：距离、定向、团簇 动力学：不同位置的相关运动NMRNMR提供的科学手段提供的科学手段第14页/共38页3.动力学研究：动力学研究：弛豫弛豫 s ns.4.成像：成像：密度弛豫参数、化学位移密度弛豫参数、化学位移NMR空间定域波谱：活体局域成分与结构。空间定域波谱：活体局域成分与结构。血氧量相关图象：大脑功能活动显示。血氧量相关图象：大脑功能活动显示。参数的空间分布图象。参数的空间分布图象。第15页/共38页第16页/共38页脑功能成象（脑功能成象（FMRI）1991：Belliveau JW人脑视觉皮层成象人脑视觉皮层成象 Science 254:716.大大脑脑活活动动脑血流脑血流血氧血氧血体积血体积代谢代谢FMRIFMRI第17页/共38页FMRI第18页/共38页NMRNMR的广泛应用：多学科交叉地位的广泛应用：多学科交叉地位1.液体强场液体强场NMR：化学、生物化学、：化学、生物化学、生物大分子空间构象生物大分子空间构象2.固态固态NMR：材料科学材料科学3.磁共振成像：磁共振成像：医学、脑科学医学、脑科学4.量子计算与量子计算机量子计算与量子计算机化化学学第19页/共38页3.1 核磁共振基本原理3.1.1 原子核的自旋 若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：核磁子：(常量)；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。核 磁 矩：第20页/共38页具有自旋角动量的原子核也具有磁矩=P为磁旋比，同一种核，磁旋比为常数，其值可正可负，有核的本性决定。对于I=1/2的原子核是电荷在核表面均匀分布的旋转球体。这类核不具有电四极矩（eQ=0）,核磁共振谱线较窄，最适宜于核磁共振检测。对于I1/2的原子核是电荷在核表面是非均匀分布的，其电四极矩:eQ=5/2 Z(b2-a2),核磁共振谱线较宽，不适宜于核磁共振检测。第21页/共38页讨论讨论:(1)I=0 的原子核的原子核 16 O；12 C；22 S等等，无自无自旋，没有磁矩，旋，没有磁矩，不产生共振吸收。不产生共振吸收。(2)I=1 或或 I 0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，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少研究应用较少。(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匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主主要要对对象象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。第22页/共38页B0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzzE2=+m Bm B0 0E=E2 E1=2m Bm B0 0E1=m Bm B0 0核磁矩在磁场中有2I+1个取向。Prm=1/2 m=-1/2B0B第23页/共38页3.1.2 3.1.2 核磁共振现象 自旋量子数 I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外磁场B0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2;第24页/共38页 两种取向不完全与外磁场平行，5424 和 12536 相互作用,产生进动(拉莫进动)进动频率 0；角速度0；0=2 0=B0 磁旋比；B0外磁场强度；两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E=B0（磁矩）第25页/共38页3.1.3 核磁共振条件 在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。对于氢核，能级差：E=B0 （磁矩）产生共振需吸收的能量：E=B0=h 0 由拉莫进动方程：0=2 0=B0 ;共振条件：0=B0/(2)(1)核有自旋核有自旋(磁性核磁性核)(2)外磁场、能级裂分外磁场、能级裂分(3)照射频率与外磁场的比值照射频率与外磁场的比值 0/B0=/(2 )第26页/共38页第27页/共38页3.1.4 弛豫过程 当电磁波的能量(hv)等于样品分子的某种能级差E时，分子可以吸收能量，由低能态跃迁到高能态。高能态的粒子可以自发辐射放出能量回到低能态，其几率与两能态能级差E成正比。一般吸收光谱的的E较大，自发辐射相当有效，能维持Boltzmann分布。但在核磁共振波谱中，E非常小，自发辐射的几率几乎为零。要想维持核磁共振信号的检测，必须要有某种过程，这个过程就是弛豫过程。即高能态的核以非辐射的形即高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态，重建式放出能量回到低能态，重建BoltzmannBoltzmann分布的过程。分布的过程。平衡状态平衡状态偏离平衡态偏离平衡态横向弛豫横向弛豫纵向弛豫纵向弛豫结束弛豫结束弛豫第28页/共38页3.1.5 能级分布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：两能级上核数目差：两能级上核数目差：1.6 10-5；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。第29页/共38页讨论:共振条件：0=B0/(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，B0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，需不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度要的磁场强度B0和射频频率和射频频率 不同。不同。（3）固定固定B0，改变，改变（扫频）（扫频），不同原子核在不同频率处，不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定发生共振（图）。也可固定 ，改变，改变B0（扫场）。扫场方式（扫场）。扫场方式应用较多。应用较多。氢核（1H）：1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz 磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯）第30页/共38页 在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分，如右图所示。由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。第31页/共38页3.2 3.2 核磁共振波谱仪3.2.1 永久磁铁永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。3.2.2 射频振荡器射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60 MHz或100 MHz。第32页/共38页3.2.3 射频信号接受器射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。3.2.4 样品管样品管：外径5 mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。第33页/共38页核磁共振波谱仪第34页/共38页样品的制备：试样浓度：试样浓度：5-10%；需要纯样品；需要纯样品15-30 mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg；标样浓度标样浓度（四甲基硅烷（四甲基硅烷 TMS）：1%；溶剂：溶剂：1H谱谱 四氯化碳，二硫化碳；四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物。物。第35页/共38页脉冲傅立叶变换核磁共振波谱仪Pulse Fourier Transform-NMR 不是通过扫场或扫频产不是通过扫场或扫频产生共振；生共振；恒定磁场，施加全频脉恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共立叶变换获得一般核磁共振谱图。振谱图。（类似于一台多道仪）（类似于一台多道仪）第36页/共38页超导核磁共振波谱仪 永久磁铁和电磁铁：永久磁铁和电磁铁：磁场强度 100 kG 开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：超导核磁共振波谱仪：200-400HMz；可 高达600-700HMz；第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页
