现代核磁技术在有机化学中的应用

现代核磁技术在有机化学中的应用第1页，课件共103页，创作于2023年2月

核磁共振方法以其技术手段多样化、提供信息丰富,对样品无破坏性等受关注。自1946年美国斯坦福大学(F.Block)和哈佛大学(E.M.Purcell)各自独立发现核磁共振现象以来，其理论和技术得到迅速发展，并且很快从物理学实验室渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科的科研、生产教学活动中。如今，核磁共振已形成为一门具有完整理论和多方向（液体、固体、生物、成像）的新学科。I.引言第2页，课件共103页，创作于2023年2月1940s核磁共振的起步阶段

核磁共振现象的发现、物理研究、理论成熟1950s1965核磁共振的早期应用

连续波核磁（CW－NMR）(1H、13C、19F和31P)1965`~1970s核磁共振的发展期

由于计算机科学、材料科学的发展和化学、生物学等的 需 要，脉冲核磁(PFT-NMR)开始占有主导地位

1971~ 进入核磁共振的成熟期

2DNMR出现(Jeener),（诺贝尔奖:Ernst1991、 Wüthrich 2002、 Gadian2003)第3页，课件共103页，创作于2023年2月1944年 I.Rabi

1952年 F.Block1952年 E.M.Purcell1955年 W.E.Lamb1955年 P.Kusch1964年 C.H.Townes1966年 A.Kastler1977年 J.H.VanVleck1981年 N.Bloembergen1983年 H.Taube1989年 N.F.Ramsey

1991年 R.R.Ernst2002年 K.Wüthrich2003年 Gadian核磁共振与诺贝尔奖第4页，课件共103页，创作于2023年2月yearFrequency(MHz)S/Na1961606196510030196922080197830030019783608001985(1989)50036001988(1996)6006000199475090001995500b300001996(2002)200080090030000第5页，课件共103页，创作于2023年2月核磁共振物理学多学科的共同努力创造了核磁共振的今天材料科学数学计算机化学生物学医学药学环境食品法学体育第6页，课件共103页，创作于2023年2月II.核磁共振的主要特点高分辨率、多参数性、方法多、信息丰富低灵敏度

3106310831010310123101431016

(Hz)NMRMicrowaveInfraredUltraviolet

第7页，课件共103页，创作于2023年2月高分辨率第8页，课件共103页，创作于2023年2月多参数性

第9页，课件共103页，创作于2023年2月方法的多样性1H13C13C:DEPT135o(CHCH3

,CH2

)13C:DEPT90o(CH)1H－1H:COSY(化学键上相邻氢原子的识别)1H－1H:TOCSY(结构片断的识别)1H－1H:NOESY(空间上相近的氢原子的识别)1H－13C:(HSQC,HMQC)(碳氢直接相关（碳氢原子直接相连）)1H－13C:HMBC(碳氢远程相关（碳氢原子二、三、四键偶合）)常用的核磁共振（NMR）实验第10页，课件共103页，创作于2023年2月信息丰富NMR的直接信息

化学位移（）耦合常数（J）信号强度（I）NOE效应（）驰豫时间（T1/T2）第11页，课件共103页，创作于2023年2月低灵敏度=exp(-E/kT)(N–N)/N≈10-6

NN第12页，课件共103页，创作于2023年2月最活跃的领域高分辨核磁

生物技术固体核磁

材料科学功能成像（FMRI）

认知科学第13页，课件共103页，创作于2023年2月射频磁场与置于静磁场样品的磁化矢量之间的相互作用III.核磁共振的基本概念

0=

-B0

(0＝201

＝

0)-B021=——第14页，课件共103页，创作于2023年2月JJ:原子核的角动量:

磁矩o:

拉默尔频率:旋磁比o原子核I>

1/2NMR形成的基本条件第15页，课件共103页，创作于2023年2月EB01Hsplitting13CsplittingE静磁场(B0)E=hB0/2NMR的形成第16页，课件共103页，创作于2023年2月第17页，课件共103页，创作于2023年2月射频磁场(B1)

B1N/N=exp(-E/kT)FIDNMR的形成第18页，课件共103页，创作于2023年2月0=-B0-B021=——0＝20NMR的形成

1＝

0脉冲信号采集FID信号傅立叶变换谱图第19页，课件共103页，创作于2023年2月核磁共振与原子发射的实验过程比较测试技术检测对象初始化条件激发信号AES原子（金属为主）原子化（原子化源）外层电子（激发源）电磁波NMR原子核（I≠0）磁能级裂分（静磁场）低能态核子（射频场）FID第20页，课件共103页，创作于2023年2月NMR的直接信息

化学位移（）耦合常数（J）信号强度（I）NOE效应（）驰豫时间（T1/T2）第21页，课件共103页，创作于2023年2月

化学位移（）反映了在特定条件下检测原子在分子中所处的化学环境

=———106(s-o)o*

取代基的电负性 *s-p杂化特性*环烷基的环电流效应 *磁各向异性*氢键 *溶剂特性第22页，课件共103页，创作于2023年2月21934587第23页，课件共103页，创作于2023年2月耦合常数（J）

自旋－自旋耦合，可反映相邻核的特征，可提供化合物分子内相接和立体化学的信息nJHX表达方式：耦合原子相隔键数耦合常数第24页，课件共103页，创作于2023年2月3JHHΦ0°90°180°(Karplus公式)3J=A+BcosΦ+Ccos2Φ(A=7B=-1C=5)ΦCCHH第25页，课件共103页，创作于2023年2月信号强度（I）

NMR的直接信息可反映，化合物中原子个数之间的相对关系S=nexcdet2B02NsT-1T2Note:

S/NNs1/2,TemperatureSensitivity,butT2,S/N第26页，课件共103页，创作于2023年2月frequencyWW+1/tpW-1/tpExcitationProfile第27页，课件共103页，创作于2023年2月NOE效应（）

偶极－偶极耦合，常用来提高低磁旋比核的检测灵敏度，可提供化合物内原子之间的距离、空间结构和分子内运动状态等的信息Max=i/2o——r6

i(S)1c*第28页，课件共103页，创作于2023年2月0c=1.24第29页，课件共103页，创作于2023年2月驰豫时间（T1/T2） 自旋驰豫T2

，晶格驰豫T1——从激发态恢复到平衡态所需的时间，可提供化合物分子大小和分子运动的信息T2e－t/T2第30页，课件共103页，创作于2023年2月Mz=0T=T1*ln2Mz=90%M0t=3T1Mz=99%M0t=5T1Mz=(1–2e(-t/T1))M0T1第31页，课件共103页，创作于2023年2月IV、应用举例应用范围化学、物理、生物、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、超导材料第32页，课件共103页，创作于2023年2月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（LC-NMR,DOSY)溶液高分辨核磁共振在化学中主要应用应用范围第33页，课件共103页，创作于2023年2月应用实例药用小分子的核磁结构解析 利用质谱获得:

其分子量:279.03

分子式为:C17H17N3O样品溶于甲醇-d4第34页，课件共103页，创作于2023年2月1H应用实例第35页，课件共103页，创作于2023年2月1H谱提供的基本信息2个独立存在的共轭烯烃质子，1个邻位取代的苯环结构7个烷基质子,1氮甲基或甲氧基H2O－CH3CD3OD7个质子应用实例第36页，课件共103页，创作于2023年2月13C应用实例第37页，课件共103页，创作于2023年2月13C谱提供的基本信息1个羰基季碳5个共轭烯烃季碳6个叔碳低场区N－CH3－CH－CH2－高场区应用实例第38页，课件共103页，创作于2023年2月abcdefhigjklmHMQC应用实例第39页，课件共103页，创作于2023年2月HMQC谱提供的基本信息谱峰a/b;c/d;d/e分别对应于3个亚甲基上的质子对；亚甲基上质子磁不等价现象表明可能有刚性结构存在应用实例第40页，课件共103页，创作于2023年2月COSY2个相互独立的自旋体系3个独立存在的含质子集团应用实例第41页，课件共103页，创作于2023年2月2个共轭结构上的烯烃质子COSY谱提供的基本信息应用实例第42页，课件共103页，创作于2023年2月abcdefg？应用实例第43页，课件共103页，创作于2023年2月HMBC应用实例第44页，课件共103页，创作于2023年2月应用实例第45页，课件共103页，创作于2023年2月应用实例第46页，课件共103页，创作于2023年2月HMBC谱提供的基本信息脂肪集团通过共轭烯烃与相接，可能形式为：氮甲基通过共轭烯烃与苯环相接，可能结构为：羰基将上述两部分连接，最终可能结构为：应用实例第47页，课件共103页，创作于2023年2月应用实例第48页，课件共103页，创作于2023年2月NOESY应用实例第49页，课件共103页，创作于2023年2月NOESY谱提供的部分信息第50页，课件共103页，创作于2023年2月应用实例第51页，课件共103页，创作于2023年2月17a17b16a16b10b10a971应用实例第52页，课件共103页，创作于2023年2月NMR其它应用示例第53页，课件共103页，创作于2023年2月扩散实验与分离第54页，课件共103页，创作于2023年2月★交换谱与化学反应第55页，课件共103页，创作于2023年2月H2O(OH)3’(OH)4’(OH)2’H2O1.33120.95250.2153(OH)3’3.44850.82580.2510(OH)4’2.22290.84260.0733(OH)2’0.49550.20320.0816第56页，课件共103页，创作于2023年2月异核谱与定量分析Al-13Al(III)AlO33-第57页，课件共103页，创作于2023年2月NOE实验与手性结构的确定药用先导化合物的结构研究第58页，课件共103页，创作于2023年2月NMR实验与指纹识别第59页，课件共103页，创作于2023年2月碳谱与反应动力学第60页，课件共103页，创作于2023年2月选择性激发与量子计算第61页，课件共103页，创作于2023年2月V.NMR实验中与结构解析相关的几种现象第62页，课件共103页，创作于2023年2月1QuadrupolarNuclei

第63页，课件共103页，创作于2023年2月QuaternaryCarbonC2C3C5C6RelativesignalHight(cm)0.791.271.560.90Relativehalfpeakwidth(Hz)6.53.72.86.2Wp∝1/T2第64页，课件共103页，创作于2023年2月第65页，课件共103页，创作于2023年2月第66页，课件共103页，创作于2023年2月2.Tautomeric

??第67页，课件共103页，创作于2023年2月第68页，课件共103页，创作于2023年2月3.intra-molecularhydrogenbonding

第69页，课件共103页，创作于2023年2月第70页，课件共103页，创作于2023年2月第71页，课件共103页，创作于2023年2月4.Waterpeak第72页，课件共103页，创作于2023年2月MO16T=343KMO16DMSO+H2OMO16withwatersuppression第73页，课件共103页，创作于2023年2月5.NOE信号与分子大小第74页，课件共103页，创作于2023年2月4mg/0.5ml40mg/0.5ml6.浓度第75页，课件共103页，创作于2023年2月第76页，课件共103页，创作于2023年2月VI.与NMR实验相关的几个问题第77页，课件共103页，创作于2023年2月

Intheexperimentalpreparation,anyproblem,whichisneglected,wouldbesourcesofthefailureinthepracticeofNMRexperiments.第78页，课件共103页，创作于2023年2月1.核磁试剂：

氘代试剂

特种核磁试剂 参比试剂、弛豫试剂 位移试剂、手性试剂

第79页，课件共103页，创作于2023年2月a).氘代试剂

(1)作用： 溶剂、 锁场、 匀场、 零点校正 （内参比试剂）

第80页，课件共103页，创作于2023年2月DMSOCDCl325344352试剂对谱的影响第81页，课件共103页，创作于2023年2月（2)物理、化学特性：

溶解度——

灵敏度、分辨率与峰形

熔点与沸点——

变温实验

氢的置换特性——

影响活泼氢的观测

杂质——

顺磁性物质如分子氧第82页，课件共103页，创作于2023年2月粘度——

峰形与驰豫参数的选择

核磁试剂可分为： 粘性试剂： 苯、氮－氮二甲基酰胺、 二甲亚砜、吡啶、甲苯和水

非粘性试剂：

丙酮、硝基丙酮、氯仿、 二氯甲烷和甲醇第83页，课件共103页，创作于2023年2月(3）核磁特性：

试剂纯度——

指氘代率，市售试剂应 在99.5％～99.95％之间 残存峰的位置——对13C谱影响很大，低浓度时 对1H谱的影响也不能忽视 位移特性——

含芳香族基团的溶剂（如苯、吡 啶）可使检测物的化学位移发生 明显变化

含水量——

特别注意某些试剂具有很强的 吸水性第84页，课件共103页，创作于2023年2月含水量对H2O

第85页，课件共103页，创作于2023年2月b).特殊核磁试剂

（1)参比试剂 作用：确定化学位移的参照点

最常见的有：四甲基硅烷、 六甲基二硅醚

注：

现代核磁共振谱仪都配有氘锁场系统，就1H 和13C谱而言参比试剂的意义已显得不那么 重要了。第86页，课件共103页，创作于2023年2月（2）位移试剂

可改变检测物中某些核子的化学位移

最常用的是含有镧系元素的化合物如：

Er(TEC)3 Pr(TEC)3第87页，课件共103页，创作于2023年2月（3）弛豫试剂

用来改变驰豫参量，加快弛豫速度

有机溶剂中常用： 乙酰丙酮铬 （Cr(III)acetylacetonate） 水溶液中常用 氯化锰（MnCl2）

第88页，课件共103页，创作于2023年2月（3）手性试剂 化合物的手性结构判别

手性镧系位移试剂（CLSR） 手性溶剂（CSA） 手性衍生试剂（CDA）注：以上试剂使用时，应对加入量进行严格控制第89页，课件共103页，创作于2023年2月2.NMR的样品制备NMRtube clean,noscratchSampleVolume testa