核磁共振解析课件

1、核磁共振氢谱和碳谱核磁共振氢谱和碳谱 Different Types of NMR vElectron Spin Resonance (ESR) 1-10 GHz (frequency) used in analyzing free radicals (unpaired electrons) vMagnetic Resonance Imaging (MRI) 50-300 MHz (frequency) for diagnostic imaging of soft tissues (water detection) vNMR Spectroscopy (MRS) 300-900 MHz (fr

2、equency) primarily used for compound ID and characterization NMR in Everyday Life Magnetic Resonance Imaging NMR Spectroscopy 布鲁克布鲁克Bruker 瓦里安瓦里安Varian(Agilent)Varian(Agilent) 900MHz 800MHz 600MHz 500MHz 400MHz 300MHz 省测试中心省测试中心 600MHz 山西大学测试中心山西大学测试中心 300MHz Explaining NMR MeOOC O OH H N OH H 1 2 3

3、 4 5 6 7 8 10 15 16 17 14 13 18 19 20 12 11 9 21 2223 1、确定中药化学成分的结构 核磁共振能解决中医药研究中什么问题？ MeOOC O OH H N OH H 1 2 3 4 5 6 7 8 10 15 16 17 14 13 18 19 20 12 11 9 21 2223 氨基酸氨基酸 有机酸区域有机酸区域 糖区糖区芳香区芳香区 2、中药指纹图谱 1, 乳酸; 2, 丙氨酸; 3, 醋酸; 4, 丙酮酸; 5, 琥珀酸; 6, 2-氧化戊二酸; 7, 柠檬酸; 8,二甲胺; 9, 三甲胺; 10,二甲基甘氨酸; 11, 肌酸酐; 12,

4、 牛磺酸; 13, 氧化三甲胺; 14,甘氨酸; 15,肌氨酸; 16, 糖区间; 17, -葡萄糖; 18, -葡萄糖; 19,尿囊素; 20,尿素; 21, 马尿酸; 22, 甲酸. 空白组和模型组尿液典型 1H NMR图谱. 3、中医药代谢组学研究、中医药代谢组学研究 3、确定蛋白的结构 什么样的核可以测定NMR图谱？ 1H NMR 13C NMR 15N NMR 中字数和质子数，一个奇数，一个偶数 I=0，中字数、质子数均为偶数 I=1/2 I=2/3 I=2/5 I=1, I=2 中子数和质子数均为奇数 I=3 存在自旋运动的核存在自旋运动的核 自旋量子数自旋量子数I不等于不等于0

5、什么样的核可以测定NMR图谱？ 核磁共振氢谱 1H 自旋量子数自旋量子数( I ) 1/2 没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的 在外磁场在外磁场H0中，它的取向分为两种中，它的取向分为两种(2I+1=2) 一种和磁场方向一种和磁场方向相反相反，能量较高，能量较高(E= H0) 一种和磁场方向一种和磁场方向平行平行，能量较低，能量较低( E= H0) 两种取向的能量差两种取向的能量差 E可表示为可表示为: 00 000 ) 2 () 2 1 () 2 (2 2)( H h rH h r HHHE 若外界提供一个电磁波，波的频率适当，若外界提供一个电磁波，波的

6、频率适当， 能量恰好等于核的两个能量之差，能量恰好等于核的两个能量之差，h = E， 那么此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，那么此原子核就可以从低能级跃迁到高能级， 产生产生核磁共振吸收核磁共振吸收。 核磁共振解析课件 Principles of NMR h Low Energy High Energy NN SS 核磁共振谱核磁共振谱 化学位移化学位移 化学环境化学环境 峰面积峰面积 质子数质子数 核磁共振解析课件 氢原子核的外面有氢原子核的外面有电子电子，它们对磁场的磁它们对磁场的磁 力线有排斥作用。力线有排斥作用。 对原子核来讲，周围的电子起对原子核来讲，周围的电子起屏蔽（屏蔽（Shi

7、elding）效应）效应 核周围的电子云密度越大，屏蔽效应就越大核周围的电子云密度越大，屏蔽效应就越大 核周围的电子云密度是受所连基团的影响，故不同化核周围的电子云密度是受所连基团的影响，故不同化 学环境的核，它们所受的屏蔽作用各不相同，它们的学环境的核，它们所受的屏蔽作用各不相同，它们的 核磁共振信号亦就出现在不同的地方。核磁共振信号亦就出现在不同的地方。 化学位移的产生原因化学位移的产生原因 核磁共振解析课件 屏蔽作用屏蔽作用 磁场强度变的更小磁场强度变的更小 参考标准参考标准 常用的标准物质是四甲基硅烷常用的标准物质是四甲基硅烷 (CH3)4Si（Tetramethyl silane，简

8、写，简写TMS） 只有一个峰，只有一个峰， 电负性电负性 Si C, 屏蔽作用很高，屏蔽作用很高， 一般质子的吸收峰都出现在它的左边一般质子的吸收峰都出现在它的左边-低场低场 核磁共振解析课件 化学位移（化学位移（Chemical shift） 其他峰与四甲基硅烷峰之间的距离其他峰与四甲基硅烷峰之间的距离 6 0 6 1010 H HH H HH 标准样品 标准 标准样品 ppm，百万分之一，百万分之一 TMS的的 值定为值定为0，其他质子的，其他质子的 值应为负值值应为负值 可是文献中常将负号略去，将它看作正数可是文献中常将负号略去，将它看作正数 核磁共振解析课件 吸收峰数吸收峰数 多少种不

9、同化学环境质子多少种不同化学环境质子 峰的位置峰的位置 质子类型质子类型 峰的面积峰的面积 每种质子数目每种质子数目 核磁共振解析课件 结构解析的几个重要参数 化学位移 耦合常数 峰型（s，d，t，q） 积分面积 自旋自旋- -自旋耦合作用自旋耦合作用 核的自旋方式有两种：与外加磁场核的自旋方式有两种：与外加磁场同向同向（ ） 或或反向反向（ ） 它会使它会使邻近的核邻近的核感受到磁场强度的感受到磁场强度的加强加强 或或减弱减弱 使邻近质子半数分子的共振吸收向使邻近质子半数分子的共振吸收向低场低场移动移动， 半数分子的共振吸收向半数分子的共振吸收向高场高场移动移动 原来的信号原来的信号裂分为裂

10、分为强度相等的两个峰强度相等的两个峰 -即一组双重峰即一组双重峰 自旋自旋 自旋耦合自旋耦合（Spin-spin coupling） 相邻碳上氢核的相互影响相邻碳上氢核的相互影响 耦合常数耦合常数（Coupling constant, ） J 两个裂分峰间距离两个裂分峰间距离 单位：赫兹单位：赫兹 Hz 耦合常数耦合常数 J nJA-B 来表示 来表示 A,B 为彼此耦合的核为彼此耦合的核 n 为为 A,B 核之间相隔化学键的数目核之间相隔化学键的数目 如如 3JH-H=8.0Hz 表示两个相隔三根化学键质子间的表示两个相隔三根化学键质子间的 耦合常数为耦合常数为 8.0 赫兹。赫兹。 耦合常

11、数耦合常数 J 只与化学键性质有关只与化学键性质有关 而与外加磁场无关而与外加磁场无关 它是它是 NMR 谱图分析的参数之一谱图分析的参数之一 耦合常数耦合常数 J nJA-B 来表示 来表示 A,B 为彼此耦合的核为彼此耦合的核 n 为为 A,B 核之间相隔化学键的数目核之间相隔化学键的数目 如如 3JH-H=8.0Hz 表示两个相隔三根化学键质子间的表示两个相隔三根化学键质子间的 耦合常数为耦合常数为 8.0 赫兹。赫兹。 耦合常数耦合常数 J 只与化学键性质有关只与化学键性质有关 而与外加磁场无关而与外加磁场无关 它是它是 NMR 谱图分析的参数之一谱图分析的参数之一 耦合常数耦合常数

12、J nJA-B 来表示 来表示 A,B 为彼此耦合的核为彼此耦合的核 n 为为 A,B 核之间相隔化学键的数目核之间相隔化学键的数目 如如 3JH-H=8.0Hz 表示两个相隔三根化学键质子间的表示两个相隔三根化学键质子间的 耦合常数为耦合常数为 8.0 赫兹。赫兹。 Spin-Spin Coupling C - Y C - CHC - CH2C - CH3 H | H | H | H | singlet doublet triplet quartet XZXZXZXZ J Spin Coupling Intensities 1 1 1 1 2 1 1 3 3 峰型的裂分比例峰型的裂分比例 d

13、：1:1 t： 1:2:1 q：1:3:3:1 对于自旋量子数对于自旋量子数I=1/2的一级类型的耦合的一级类型的耦合 可以归纳以下几条规则：可以归纳以下几条规则： 1. 某核和某核和n个磁等价的核耦合时，可产生个磁等价的核耦合时，可产生n+1条谱线，条谱线， 若它再与另一组若它再与另一组m个磁等价核耦合，则谱线的数目个磁等价核耦合，则谱线的数目 是（是（n+1）(m+1）条。）条。 2. 谱线裂分的间距即是它们的耦合常数谱线裂分的间距即是它们的耦合常数J 。 3. 一级类型的多重峰通过其中点作对称分布，中心一级类型的多重峰通过其中点作对称分布，中心 位置即为化学位移值。位置即为化学位移值。

14、4. 多重峰的相对强度为二项展开式（多重峰的相对强度为二项展开式（a+b）n的系数，的系数， n为等价核的个数。即可由下表表示为等价核的个数。即可由下表表示: n（核的个数）（核的个数）谱线相对强度谱线相对强度 0 1 1 1 1 2 1 2 1 3 1 3 3 1 4 1 4 6 4 1 5 1 5 10 10 5 1 . . 复杂峰型 dddd dtdt dqdq NMR Peak Intensities C - CHC - CH2C - CH3 Y | Y | Y | XZXZXZ AUC = 1AUC = 2AUC = 3 影响氢核化学位移的因素影响氢核化学位移的因素 1. 诱导效应诱

15、导效应 CHCH3 3X X 不同化学位移与不同化学位移与-X-X的电负性的电负性 化合物化合物 电负性（电负性（X） 4.0（F） 3.5（O） 3.1（Cl） 2.8（Br） 2.5（I） （ppm） 4.26 3.40 3.05 2.68 2.16 CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3I X X , , : : X X , , 电子云密度电子云密度 , , 屏蔽效应屏蔽效应 , , 共振在较低磁场发生，共振在较低磁场发生， 拉电子基团越多拉电子基团越多, , 这种影响越大这种影响越大 CH2ClH CHCl2H CCl3H 3.05 5.30 7.27 基团距离越远，受到

16、的影响越小基团距离越远，受到的影响越小 CH2CH3CH2Br 1.251.693.30 屏蔽效应屏蔽效应 正屏蔽正屏蔽： 由于结构上的变化或介质的影响使氢核外由于结构上的变化或介质的影响使氢核外 电子云密度增加，或者感应磁场的方向与外磁电子云密度增加，或者感应磁场的方向与外磁 场相反，则使谱线向高磁场方向移动（右移），场相反，则使谱线向高磁场方向移动（右移）， 值减小，亦叫抗磁性位移。值减小，亦叫抗磁性位移。 去屏蔽去屏蔽： 由于结构上的变化或介质的影响使氢核外由于结构上的变化或介质的影响使氢核外 电子云密度减少，或者感应磁场的方向与外磁电子云密度减少，或者感应磁场的方向与外磁 场相同，则使

17、谱线向低磁场方向移动（左移），场相同，则使谱线向低磁场方向移动（左移）， 值增加，亦称顺磁性位移。值增加，亦称顺磁性位移。 质子类型质子类型 /ppm 环丙烷环丙烷 0.2 伯伯 0.9 仲仲 1.3 叔叔 1.5 乙烯型乙烯型 4.55.9 乙炔型乙炔型 23 各类质子的化学位移各类质子的化学位移 H RCH3 R2CH2 R3CH CCH CCH 质子类型质子类型 /ppm 烯丙型烯丙型 1.7 氟氟 44.5 氯氯 3.4 溴溴 2.54 碘碘 24 醇醇 3.44 醚醚 3.34 CCCH2-H FCH ClCH BrCH ICH HOCH R O CH 质子类型质子类型 /ppm 酯

18、酯 3.74.1 22.2 酸酸 22.6 羰基化合物羰基化合物 22.7 醛醛 910 羟基羟基 15.5 烯醇烯醇 1517 羧酸羧酸 10.512 胺胺 15 RCOOCH ROOCCH HOOCCH OCCH OCH ROH CCOH RCOOH RNH2 Characteristic Chemical Shifts 常用的核磁分析溶剂 氘代氯仿 氘代甲醇 氘代吡啶 氘代二甲亚砜 氘代水（重水） 氘代丙酮 溶剂的选择原则： 溶解性 1.谱峰的分辨率 注意注意: :氘代试剂不能污染氘代试剂不能污染 核磁分析的溶剂和样品量 单体： 300MHz 10mg 400-500MHz 5-10mg

19、 600MHz 3-5mg 600MHz带低温探头 1-2mg 氘代溶剂：0.5-0.6ml，高度不低于3-3.5 cm 混合物：30-50 mg 左右，不超过60mg 低于低于20 mg20 mg 氢谱测试的参数 累加（采样）次数：4的倍数 核磁序列: 一般32次足够（600MHz） 定标试剂 TMS：脂溶性：脂溶性 TMSP (TSP):水溶性水溶性 溶剂峰和杂质的判断 氯仿：单峰，7.26 甲醇：五重峰，3.30 重水：宽单峰，4.80 吡啶：3个单峰，7.22, 7.58， 8.74 DMSO：五重峰，2.50 单体中的杂质：积分面积不成比例的峰单体中的杂质：积分面积不成比例的峰 A

20、Modern NMR Instrument Radio Wave Transceiver 核磁共振解析课件 NMR Magnet 核磁共振解析课件 Magnet Legs Probe Sample Bore Cryogens Magnet Coil NMR Magnet Cross-Section 核磁共振解析课件 An NMR Probe 核磁共振解析课件 NMR Sample & Probe Coil 核磁共振解析课件 常见中药化学成分的氢谱特征 脂肪酸 香豆素 黄酮类 甾体类 三萜皂苷类 核磁共振碳谱核磁共振碳谱 12C 98.9% 磁矩 磁矩 =0, 没有没有NMR 13C 1.1%

21、有磁矩 有磁矩(I=1/2)， 有有NMR 灵敏度很低灵敏度很低, 仅是仅是 1H 的的 1/6700 计算机的问世及谱仪的不断改进，计算机的问世及谱仪的不断改进， 可得很好的碳谱可得很好的碳谱 在有机物中，有些官能团不含氢在有机物中，有些官能团不含氢 例如：例如：-C=O，-C=C=C-，-N=C=O等等 官能团的信息官能团的信息: 不能从不能从 1H 谱中得到，谱中得到， 只能从只能从 13C 谱中得到有关的结构信息谱中得到有关的结构信息 C HC H 有机化合物有机化合物的骨架元素的骨架元素 13C 谱 谱 化学位移范围大化学位移范围大 300 ppm 1H 谱的谱的 2030 倍倍 分

22、辨率高分辨率高 谱线之间分得很开，容易识别谱线之间分得很开，容易识别 13C 自然丰度 自然丰度 1.1%， 不必考虑不必考虑 13C 与与 13C 之间的耦合，之间的耦合， 只需考虑同只需考虑同 1H 的耦合。的耦合。 碳谱中碳谱中 1H 和和 13C 1J1H-13C 是最重要的作用是最重要的作用 J: 100 300 Hz范围范围 s 电子的百分数和电子的百分数和 J 值值 近似计算式近似计算式 1J=5 (s%） 100 Hz CH4 （sp3 杂化杂化 s%=25%） 1J=125Hz CH2=CH2 (sp2 杂化杂化 s%=33%） 1J=157Hz C6H6 （sp2 杂化杂化 s%=33%） 1J=159Hz HC CH （sp 杂化杂化 s%=50%） 1J=249Hz 1313C NMR C NMR化学位移化学位移 化学位移化学位移 1) TMS为参考标准，为参考标准， c=0 ppm 2) 以各种溶剂的溶剂峰作为参数标准以各种溶剂的溶剂峰作为参数标准 碳的类型碳的类型 化学位