核磁共振新技术及应用-xueshengPPT课件

.,1,内容介绍(Contents),核磁共振发展-(DevelopingonNMR)核磁共振基本术语-(TermsofNMR)核磁共振新技术-(NewTechniquesonNMR)新技术的应用（小分子化合物结构测定）-(ApplicationofNMR-DeterminationofStructuresofMicromolecules),.,2,概述,核磁共振方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。,.,3,1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。,.,4,.,5,.,6,发展,19451951年：是发明NMR法并奠定理论和实验基础的时期.Bloch和Burcell由此获得了1952年度的Nobel奖金。,.,7,19511960年是连续波核磁共振(CWNMR)大发展的时期由于发现了化学位移和J偶合现象，使NMR的巨大作用已开始为化学家和生物学家所公认，他们用1H、19F、31PNMR解决了许多重要的科学难题。,发展,.,8,发展,20世纪60年代NMR进入第三个阶段：即脉冲Fourier变换NMR技术(FTNMR)的兴起从根本上提高了NMR的灵敏度.实现了常规测定天然丰度较低的13C核；这一时期发展起来的双频和多频技术使得NMR面目为之一新；此外磁场实现了超导化，谱仪的结构有了很大的变化。,.,9,发展,20世纪70年代后，由于计算机和NMR技术的不断发展并日趋成熟，因而NMR在深度和广度方面都有了新的飞跃性的发展。,.,10,1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(FelixBloch)(b)OmpA;(c)PagPFernndezC,WthrichK.NMRSolutionStructureDeterminationofMembraneProteinsReconstitutedinDetergentMicelles.FEBSLetters555:144-50,2003.,.,41,目前NMR技术已经广泛应用于天然产物有效成分的结构鉴定上,如生物碱类的钩吻生物碱、单猪屎豆碱、千层塔生物碱甙类、刺五加种子的三萜皂甙、小叶丁香橄榄苦甙、卷丹皂苷、三七皂甙、北沙参橙皮素A萜类的山茱萸环烯醚萜、扁枝藓锯齿石松烷型三萜;芳香族化合物的绵马贯众素、北五味子木脂素、葛根葛根素、吴茱萸内酯、银杏苦内酯和白果内酯；肽类的二蕊荷莲豆环肽、虎纹捕鸟蛛毒素、海南捕鸟蛛毒素、马氏钳蝎短链神经毒素。,7.NMR与天然产物化学结构鉴定研究,.,42,三、核磁共振基本原理,核磁共振原理实现核磁共振的两种方法检测共振信号的方法傅里叶(Fourier)变换,.,43,核磁共振原理,在外磁场B0中塞曼分裂图：,半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，既塞曼效应。,.,44,共振条件：=0=0实现核磁共振的两种方法,a扫场法:改变0b扫频法:改变,.,45,检测共振信号的方法,吸收法感应法平衡法,优点是比较简单，样品不易饱和，缺点是振荡频率的稳定性较差，噪音电平较高。一般只用于宽谱的波谱仪与测场仪,优点是工作稳定度高，噪音低，但漏电流相位不易调整。常用在商业波谱仪,优点是频率稳定好，噪音低，缺点是频率调谐范围不够宽。常用于灵敏度和分辨力高的波谱仪,.,46,傅里叶(Fourier)变换,时域信号F变换频域信号频域谱S（t1,t2,）S(1,2,),.,47,核磁共振新技术,核磁双共振二维核磁共振NMR成像技术魔角旋转技术极化转移技术,.,48,核磁双共振,双核自旋系统,检测器,2,扰动,1脉冲,双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种核组成的系统上，第一射频场B1使某种核共振，第二射频场B2使另外一种核共振，这样两个原子核同时发生共振。,第二射频场为干扰场，通常用一个强射频场干扰图谱中某条谱线，另一个射频场观察其他谱线的强度、形状和精细结构的变化，从而确定各条谱线之间的关系，区分相互重叠的谱线。,.,49,二维核磁共振及多维核磁共振二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命性的变化，它将挤在一维谱中的谱线在二维空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更多的信息。,.,50,NMR成像技术,投影重建成像方法Fourier成像方法弛豫时间成像方法逐点扫描方法线扫描方法切片扫描方法高分率成像和快速成像法,.,51,Fourier成像方法Fourier成像是应用十分广泛的一种方法，它与二维（多维）NMR相似。,.,52,魔角旋转技术,在固体中自旋之间的耦合较强，共振谱较宽，掩盖了其他精细的谱线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是(3cos2-1)，如果有一种方法使=54.440（魔角），则3cos-1=0，相互作用减小，达到了窄化谱线的目的。魔角旋转技术就是通过样品的旋转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时与的差别就会平均掉。,.,53,极化转移技术,灵敏核非灵敏核,检测（非灵敏核）,J,脉冲序列1,脉冲序列2,极化转移(PT)是一种非常实技术，它用二种特殊的脉冲序列分别作用于非灵敏核和灵敏核两种不同的自旋体系上。通过两体系间极化强度的转移，从而提高非灵敏核的观测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏度的富核处“借”到了极化强度。,.,54,核磁共振应用,核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学、研究机构和企业集团包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。,.,55,四、一些实际的应用,分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析,生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定,.,56,NMR及相关术语介绍,核磁共振波谱是化合物分子在磁场中受到另一射频磁场的照射，当照射场的频率等于原子核在外磁场的回旋频率时，有磁距的原子核就会吸收一定的能量产生能级的跃迁，即发生核磁共振，以吸收峰的频率对吸收强度作图所得到的图谱。,.,57,1HNMR和13C-NMR，能提供分子中有关氢及碳原子的类型、数目、互相连接方式、周围化学环境以及构型、构象等结构信息。在进行中药有效成分的结构测定时，NMR谱与其它光谱相比其作用更为重要。,1DNMR及相关术语介绍,.,58,（1）1H-核磁共振（1HNMR）1HNMR通过测定化学位移（）、质子数以及裂分情况（重峰数及偶合常数J）可以得出分子中1H的类型、数目及相邻原子或原子团的信息。,.,59,化学位移（）：是指1H核因为周围化学环境的不同，其外围电子云密度，以及绕核旋转时产生的磁的屏蔽效应也就不同。在一定的外磁场作用下其回旋频率也不同，因而需要相应频率的射频磁场才能发生共振而得到吸收信号。这些信号将会出现在不同的区域，我们在实际应用当中以四甲基硅烷TMS为内标物，将其化学位移定为0，测定各质子共振频率与它的相对距离，这个相对值就是质子的化学位移值。,.,60,峰型,单峰（s）双峰(d)三重峰(t)四重峰(q)dd峰dt峰,.,61,质子数：过去是根据氢谱上峰的积分面积并结合已知分子式求得每个信号所相当的氢个数，现在1HNMR可以直接给出每个信号代表的质子个数，并可以直接获得分子中总质子数。,.,62,信号的裂分及偶合常数：磁不等同的两个或两组1H核在一定距离内会因相互自旋偶合干扰而使信号发生裂分，而出现单峰，双峰，多重峰等。裂分间的距离称为偶合常数。其大小取决于间隔键的距离。按间隔键的多少可分为偕偶、邻偶及远程偶合。,.,63,此外还有同核去偶、重氢交换，加入反应试剂、及各种双照射技术等许多帮助结构分析的辅助技术。,.,64,二、13CNMR及相关术语介绍,1.13CNMR的优点提供有机化合物骨架；化学位移范围宽（0250）化学环境微小差别也能区别；有许多新实验技术提供辅助信息，有助于谱图解析。,.,65,2.13CNMR测定困难,信噪比低，约是氢谱的1/6000；1H对13C的偶合作用使谱峰增多，严重交叉。如CH3CH2OH,.,66,3.质子噪声去偶（宽带去偶）谱,去掉所有质子对碳的偶合，每一种碳原子只出一个峰；简化谱图，便于识别；提高信噪比；偶合信息全部丢失;峰高与碳原子个数无严格定量关系。,.,67,4.13C化学位移,一般特点大小次序与它们相连的氢有一定的对应性；分子内核相互作用的影响大于分子间的作用。各类碳原子的化学位移值饱和碳070炔碳7090烯碳100150芳碳120160羰基碳150220,.,68,5.碳谱的特殊实验技术,定量碳谱（反转门控去偶谱）谱峰强度与碳原子个数成正比；测量时间长。DEPT谱分DEPT45，DEPT90，DEPT135等；用于区分伯、仲、叔、季碳原子。,.,69,宽带去偶谱,反转门控去偶谱,.,70,.,71,二、二维谱简介,经两次傅里叶变换得到的，两个坐标都是频率。表示方法：堆积图和等高线图。最常用的二维谱：H-H相关（H-HCOSY）C-H相关（C-HCOSY，HMQC）C-H远程相关（HMBC）,.,72,与核磁共振有关的联用技术,核磁共振波谱是当今应用于溶液、固态及晶体分子结构分析的最为有效的方法之一。混合物的结构测定通常需要预先将混合物分离成较纯的单体，然后再测试每个组分的谱学数据。这样就会遇到诸多的问题，比如样品处理时间太长，分离所得到的样品量太少以及普通制备用的分离手段达不到分离要求或分离中易变物质，使NMR的应用受到一定的限制。LC-NMR联用是把HPLC的分离能力和NMR提供最大量结构信息的能力结合起来达到鉴定化合物结构的目的。这也是LC-NMR近几年得到快速发展的原因之一。LC-NMR技术已在许多领域中得到应用。其硬件和软件已商品化，技术日臻完善。,.,73,.,74,.,75,常见的13C-NMR谱类型及其特征a.噪音去偶谱（全氢去偶或宽带去偶）采用宽频电磁辐射照射1H，使其对13C偶合全部消除，13C信号以单峰形式出现，对于判断其化学位移十分方便。,.,76,.,77,b.选择氢核去偶及远程选择氢核去偶：对某个氢核进行选择性照射，以消除其偶合影响，与之相关联的13C信号发生改变，根据峰的裂分变化情况，结合化学位移，可以推断分子中存在的片段结构。,.,78,c.DEPT谱：通过改变照射1H核的脉冲宽度（）或设定不同的弛豫时间，使不同类型的13C在图谱上呈现单峰并分别呈现正向峰或倒置峰。,.,79,=45时季C信号消失，其它都向上=90时季C信号消失CH3,CH2信号消失CH=135时季C信号消失CH3,CHCH2,.,80,.,81,（3）二维核磁共振波谱（2D-NMR）2D-NMR技术使一维核磁共振谱中复杂和堆积难于分辨的信号得以识别。包括：同核的1H-1H化学位移相关（1H-1HCOSY）谱，异核的13C-1HCOSY谱、以及NOESY（示氢核之间的NOE关系）谱等。,.,82,同核的1H-1H化学位移相关谱(1H-1HCOSY)：是同一个偶合体系中质子之间的偶合相关谱。可以用来确定质子的化学位移以及质子之间的偶合关系和连接顺序。,.,83,.,84,1H检测的异核化学位移相关谱特别是13C-1H化学位移相关谱，对于鉴定化合物的结构是十分重要的方法。它包括HMQC谱和HMBC谱。HMQC谱是通过1H检测的异核多量子相关谱，此谱反映1H核和与其直接相连的13C的关联关系。,.,85,.,86,HMBC谱是通过1H检测的异核多键相关谱，反映1H核和与其远程偶合的13C的关联关系。,.,87,.,88,4.NOESY谱（1H核之间NOE相关）NOE效应：选择照射一种质子使其饱和，则与该质子在立体空间位置上接近的另一个或数个质子信号强度增高的效应称为核的Overhauser效应，简称NOE。NOE主要用来确定两种质子在分子立体空间结构中是否距离相近，若存在NOE，则表示相近；NOE越大，则两者在空间的距离就越近。NOE是确定分子中某些基团的位置，立体构型和优势构象的重要手段之一。,.,89,NOESY谱是为了在二维图谱上观察NOE效应而开发出来的新技术。在其谱中，空间相近的质子间NOE效应可以观测到，并能作为相关峰出现在图谱上。,.,90,2DNMR小分子天然产物研究中的应用举例,.,91,1.1H-NMR,化学位移-H(ppm)-020ppm偶合常数-J(Hz)质子数峰的裂分-二重峰(d)即双峰三重峰(t)四重峰(q)多重峰(m),.,92,解析实例,例1：C3H7Cl的NMR。,.,93,例2：下列谱图是否的NMR？,所以，该图是2,3,4-