核磁共振波谱学概论

1、核磁共振波谱学核磁共振波谱学庞文民庞文民 联系方法联系方法本课程主要内容：本课程主要内容：第一讲：核磁共振波谱学概述第二讲：核磁共振基本原理第三讲：核磁共振氢谱第四讲：核磁共振碳谱第五讲：核磁共振二维谱第六讲：固体核磁共振谱第七讲：核磁共振波谱仪介绍第八讲：核磁共振实例及解析第一讲：核磁共振波谱学概述：第一讲：核磁共振波谱学概述： 什么是核磁共振什么是核磁共振 核磁共振的发展历史核磁共振的发展历史 核磁共振谱的主要参数核磁共振谱的主要参数 核磁共振的特点及其应用核磁共振的特点及其应用核磁共振概念核磁共振概念核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR），是指核磁

2、矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂（Zeeman Splitting），共振吸收某一特定频率的射频（radio frequency 简写为rf或RF）辐射的物理过程。 1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自独立观察到核磁共振现象。 1952年获得诺贝尔物理奖 核磁共振现象核磁共振现象许多原子核是有磁性的许多原子核是有磁性的在磁场中磁矩绕磁场作在磁场中磁矩绕磁场作Larmor进动进动在特定频率的电磁波照射下发生共振在特定频率的电磁波照射下发生共振核磁共振信号强度对电磁波频率作图就是核磁共振信号强度对电磁波频率作图就是通常看到的通常看到的核磁

3、共振谱图核磁共振谱图B0正戊醇C5H11OH的质子去耦13C谱 CH3CH2OH质子谱的精细结构核磁谱提供原子核所处环境的信息核磁谱提供原子核所处环境的信息,是目前最有用的结构分析手段之一是目前最有用的结构分析手段之一主要的核磁共振参数主要的核磁共振参数 化学位移 偶合常数 弛豫参数 T1,T2, NOE 提供了化学分子的分子拓扑结构与空间提供了化学分子的分子拓扑结构与空间结构的信息结构的信息,以及分子运动和分子相互作以及分子运动和分子相互作用的信息用的信息 核磁共振波谱学的发展历史核磁共振波谱学的发展历史核磁共振波谱学发展史上的里程碑核磁共振波谱学发展史上的里程碑1946年年Stanford

4、的的Bloch和和Harvard的的Purcell各自独各自独立观察到核磁共振现象。立观察到核磁共振现象。 1952年获得诺贝尔物理奖年获得诺贝尔物理奖 30年代年代Rabi和和Gorter等做等做了许多工作。了许多工作。1936 年年Gorter试图观察试图观察LiF中的中的7Li核的共核的共振吸收。不幸的是，由于所振吸收。不幸的是，由于所使用的使用的LiF太纯，使样品的弛太纯，使样品的弛豫时间太长而失败。豫时间太长而失败。固体(石蜡)中核磁矩共振吸收 布洛赫物理评论“核感应”的论文 瑞士的Ernst对二维NMR进行了深入研究，于1976年用量子统计的系综理论对二维NMR原理进行详尽的理论阐

5、述，1983年又提出乘积算符理论，大大简化了脉冲序列的分析。二维二维NMR1 比列时的Jeener于1971年提出二维NMR的思想2 瑞士的Ernst对二维NMR进行了深入研究，于1976年用量子统计的系综理论对二维NMR原理进行详尽的理论阐述，1983年又提出乘积算符理论，大大简化了脉冲序列的分析。二维二维NMR 脉冲傅立叶变换及多维核磁共振波谱技术的发展使得NMR可以用于蛋白质溶液结构解析 瑞士的Wthrich首先将2D-NMR的方法用于蛋白质，发展了将2D-NMR和距离几何结合得到蛋白质在溶液中的空间结构的方法 ，第一个用NMR方法解析出蛋白质的空间结构,获得2002年诺贝尔化学奖 瑞士

6、的瑞士的Wthrich第一个用第一个用NMR方法解析出蛋白质的方法解析出蛋白质的空间结构空间结构The Nobel Prize in Physiology or medicine 2003核磁共振成像技术 （MRI）核磁共振是发展中的学科核磁共振是发展中的学科新实验方法新实验方法8名科学家获得6次诺贝尔奖 3次物理学奖 2次化学奖 1次医学生理学奖 1993年恩斯特预言： 下一次？。核磁共振波谱学发展的历史核磁共振波谱学发展的历史多学科交叉的历史多学科交叉的历史1960: KIS 1.25 MHz Permanent Magnet核磁共振谱仪核磁共振谱仪(Bruker)高场核磁共振谱仪的发展为

7、核磁共振应用于高场核磁共振谱仪的发展为核磁共振应用于生物大分子奠定了基础生物大分子奠定了基础化学位移和自旋偶合的相继发现将化学位移和自旋偶合的相继发现将NMR信号与信号与化学结构联系起来，化学结构联系起来，NMR开始广泛用于化学开始广泛用于化学蛋白质的蛋白质的1H谱谱 蛋白质的第一张1H谱(核糖核酸酶, 40MHz),记于1957年 Adapted from J e r e m y N . S . E v a n s ( 1 9 9 5 ) Biomolecular NMR Spectroscopy. p.3, Oxford University Press Inc. 2.0 mM Rnase

8、 T1的900MHz 1H谱 核磁共振波谱的主要参数核磁共振波谱的主要参数NMRNMR观测结果能提供物质结构的基本信息观测结果能提供物质结构的基本信息 1 1、静态结构、静态结构 .化学位移（） .偶合常数（J） 2、动态结构动态结构 .纵向弛豫（T1），即自旋晶格弛豫 .横向弛豫（T2），即自旋自旋弛豫 .核欧沃豪斯增强效应（Nuclear Overhauser Effect，简称为NOE）弛豫时间1H NMR13C NMRDEPTsCOSYHSQCHMBCTOCSYNOESY11B NMR19F23Na29Si31P195Pt 核磁共振的特点及其应用核磁共振的特点及其应用核磁共振技术的特点

9、及其应用核磁共振技术的特点及其应用核磁共振基本原理-引言庞文民 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入到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。 涉及化工、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。 从物理学渗透到化学、生物、地质、药学、医学、农业、环境、矿业、脑科学、量子计算机、纳米材料、C60、软物质、超导材料以及材料等学科。核磁共振核磁共振( (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)NMR) 物质分子由自旋量子数I0的原子核在外磁场中受到射频辐照所产生的共振吸收现象。 而实际上我们检

10、测的是被观测核周围环境对其吸收的精确频率来量度的，结果可衡量该原子在分子中化学环境如何，以此来推测物质分子结构。表：不同频率电磁波的种类及运动模式表：不同频率电磁波的种类及运动模式电磁波的种电磁波的种类划分类划分波长范围波长范围跃迁方式跃迁方式研究应用技研究应用技术术m表示通常各表示宇宙线宇宙线10-12 X-ray10-12 10-81 A 电子振动产生相干次生x-rayX衍射光谱紫紫外外线线远紫外远紫外 近紫外近紫外1x10-82x10-7 2x10-74x10-710200nm 200400nm外层电子跃迁UV. 荧光, 原子吸收光谱可见光可见光4x10-78x10-7400800nm外

11、层电子跃迁可见光红红外外线线近红外近红外中红外中红外远红外远红外8x10-72.5x10-62.5x10-62.5x10-52.5x10-52x10-3125004000cm-14000400cm-14005cm-1振动 旋转 IRRaman电电磁磁波波微波微波超短波超短波短波短波中波中波长波长波2x10-3111010102102103103104150GHz330MHz33033MHz333.3MHz3300330KHz33033KHz电子自旋核自旋 ESR, 雷达, 微波炉NMR, 电视, FM.通讯,无线电等.NMR在物质微结构解析中的位置 结构 性能相关联： 一次结构(化学结构) 化

12、学反应 二次结构(序列结构) 生物分子蛋白质功能 高次结构(凝聚态相结构) 固体物性 动态结构 一般与物质机能化关联 NMR可应用于多层次结构解析出发物或粗产物质纯物质谱仪数据处理(确认) 最近以来发展趋势：色谱-质谱-NMR连用，但要求技术高。萃取、精馏(对液态)重结晶、升华（对固态）气液色谱(已发展很快)A.非分光法B.分光法核磁共振在物质科学中的应用 NMR波谱学是物理学、化学以及生命科学等多学科研究物质成分、结构和动态强有力的常规工具。它对有机化学、生物化学、材料化学、植物化学、药物化学乃至物理化学、无机化学等均起着积极的推动作用。它在药学、化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质国防

13、、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。 波谱学有很强的理论性，也有很高的应用性，快速、灵敏、准确是它的应用特点。 核磁共振在物理学中的主要应用核磁共振在物理学中的主要应用 核磁矩的测量 量子算法验证 。核磁共振在化学中的主要应用核磁共振在化学中的主要应用 基本化学结构的确定、立体构型和构象的 确定； 化学反应机理研究、化学反应速度测定； 化学、物理变化过程的跟踪； 化学平衡的研究及平衡常数的测定； 溶液中分子的相互作用及分子运动的研究（氢键相互作用、分子链的缠结、胶束的结构等）； 混合物的快速成分分析。 核磁共振在生命科学中的应用核磁共振在生命科学中的应用核磁共振基本原理-引言庞文民1）测定

14、生物大分子在溶液中的三维结构：是目前为止唯一能够准确测定生物大分子在溶液中的三维结构的方法；最具前沿科学的不溶性蛋白或膜蛋白空间三位结构研究也需要用到固体核磁。2）蛋白质与核酸的相互作用：分子生物学、分子遗传学、基因调控、药物设计等领域中都要涉及的重大问题；3）蛋白质卷曲和折叠研究：研究卷曲和折叠的动力学过程；4）药物设计：研究激素-受体复合物；酶与底物的复合物；功能蛋白与靶分子复合物，特别是关于结合点的结构信息。核磁共振在医学中的应用核磁共振在医学中的应用 核磁共振成像技术（MRI）主要是临床诊断的成像、研究动植物形态的微成像、功能成像和分子成像。 核磁共振在材料科学中的主要应用核磁共振在材

15、料科学中的主要应用 高功率固体NMR是研究高分子聚合物、玻璃、陶瓷、煤、树脂、新型表面活性剂、压电物质的研究等非常重要的、有的时候甚至是唯一的方法。 利用核磁共振方法有可能解决某些属于分子结构和晶体结构的问题，有可能研究固体中分子运动的性质，研究结构相变（例如铁电体的结构相变），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精细场等。 利用核磁共振方法研究硅酸盐材料中硅结构的变化，可以知道水泥中硅的聚合度。可以研究硅酸盐玻璃中铝的配位结构及其变化。 核磁共振技术在创新药物研究及药物质量控制方面具有广泛的应用，不仅能定性定量分析药物及杂质，而且能建立复杂的中药指纹图谱。核磁共振在工业领域中的应用核磁共振在工业

16、领域中的应用 在石油分析中，用它做定性和定量分析。运用核磁共振磁力仪，在油气勘探中可直接寻找油气藏，确定圈闭面积及油气水界面，提供可靠的油气地质储量，为勘探人员寻找油气开辟了新途径；在实验室，利用核磁共振成像技术，可以描述岩心结构、构造、小断层、含油饱和度等，为油田开发、部署生产井提供可靠的数据。该技术具有分析速度快、成本低、岩样无损、准确性高等特点，是目前较为理想的储层快速评价技术。 在日用化学和食品工业中，使用核磁测量物质的含水量和含油量以及其它性质。 精细有机合成，环保中水质稳定剂和水质处理剂的机理、过程研究，合成反应过程的在线监控和原料、最终产品的质量监控都离不开使用NMR谱仪。Pic

17、oSpin-45微型核磁共振波谱仪微型核磁共振波谱仪共振频率：共振频率：45 MHz分辨率：优于分辨率：优于100 ppb信噪比：信噪比：300, 纯水单次扫描纯水单次扫描液体石英毛细管：液体石英毛细管：300 um ID重量：重量：4.7 kg Joseph P. Hornak, Ph.D. Copyright 1997-99 J.P. Hornak. All Rights Reserved. 参考文献：1. Contemporary Instrumental Analysis, Kenneth A. Rubiuon(影印版) ,第十一章,科学出版社.白春礼主编2003,p477-513.2

18、. 谱学导论, 范康年,北京，科学出版社，2001年3. 现代核磁共振实用技术及应用，毛希安，2000年4. 核磁共振原理与试验方法，高汉宾等，2008年5. 生物大分子多维核磁共振，夏佑林等，1999年6. 核磁共振实验200例实用教程，陶家洵等译，2008年7. 波谱数据表有机化合物的结构解析，荣国斌译，2002年参考文献（续）：8. Basic One- and Two-dimensional NMR Spectroscopy,Horst Friebolin,20059. Solid State NMR of Polymers，Lon J.Mathias,199110.有机化合物结构鉴定与有机波谱学（第二版），宁永成，北京，科学出版社，200011.Introduction to Stereochemistry and Conformational Analysis，Eusebio Juaristi，