有机合成核磁共振解析教程专家讲座

目录1系统介绍2核磁共振仪器组成及工作原理3核磁共振原理:原子核间相互作用4仪器分辨率及稳定性5RF脉冲6去偶7水峰压制技术8两维核磁共振9核磁共振中梯度场应用10.高分辨魔角旋转光谱11.固体核磁共振2024/4/181有机合成核磁共振解析教程专家讲座第1页B0yxz简单介绍2024/4/182有机合成核磁共振解析教程专家讲座第2页核磁共振:介绍核磁共振或简称NMR是一个用来研究物质分子结构及物理特征光谱学方法.它是众多光谱分析法中一员.其它分析方法: 电子自旋共振(ESR/EPR)

红外光谱学(IR)

质谱学(MS)

色谱学(LC/GC/HPLC) X-ray(SCD/XRF/XRD)核磁共振成像或称MRI

已经频繁使用在医院疾病诊疗中.2024/4/183有机合成核磁共振解析教程专家讲座第3页核磁共振:介绍即使一小部分核磁共振仪器在工业上被用来做质量控制,但核磁共振仪器现大部分仍局限在试验室使用.应用范围: 结构确定StructureDetermination

化学判定ChemicalIdentification

聚合物特征测定PolymerCharacterization

药品开发DrugDevelopment

催化研究Catalysis用户: 化学企业ChemicalCompanies

药剂化学PharmaceuticalCompanies

石油化工PetrochemicalIndustry

高分子材料PolymerIndustry

大学Universities

医院Hospitals2024/4/184有机合成核磁共振解析教程专家讲座第4页核磁共振:介绍核磁共振研究材料称为样品.样品能够处于液态,固态.众所周知,宏观物质是由大量微观原子或由大量原子组成分子组成,原子又是由质子与中子组成原子核及核外电子组成.核磁共振研究对象是原子核.一滴水大约由1022分子组成.HCHHmmm(10-6m)nm(10-9m)A(10-10m)2024/4/185有机合成核磁共振解析教程专家讲座第5页核磁共振:介绍含有非零自旋量子数原子核含有自旋角动量,因而也就含有磁矩,比如象1H,31P,13C,15N

等原子核.磁矩是一矢量.假如含有这类核物质置放于磁场中,原来无规则磁矩矢量会重新排列而平行于外加磁场.与外磁场同向和反向磁矢量符合Boltzmann分布.在数量上同向与反向差异很小,但正是这一微小差异造就了核磁共振光谱学.B0M单位体积内原子核磁矩矢量和定义为宏观磁化强度矢量M

(macroscopicmagnetization.其方向与外磁场方向相同2024/4/186有机合成核磁共振解析教程专家讲座第6页在磁场中,原来简并能级分裂成不一样能级状态.假如用适当频率电磁辐射照射就可观察到核自旋能级跃迁.原子核能级改变不但取决于外部磁场强度大小及不一样种类原子核,而且取决于原子核外部电子环境.这么我们就可取得原子核外电子环境信息.宏观上讲,当用适当频率电磁辐射(RF)照射样品,宏观磁化强度矢量从Z-轴转到X或Y轴上.经过接收器,傅立叶转换就得到核磁共振谱图.核磁共振:介绍B0MB0MRF脉冲接收器ReceiverFTS(t)S(w)2024/4/187有机合成核磁共振解析教程专家讲座第7页核磁共振:介绍样品:

非磁性及非导电灵敏度:

样品需含»1015

原子核

溶液固体Solids600MHz成像NMR2024年4月18日8有机合成核磁共振解析教程专家讲座第8页核磁共振:介绍Larmor频率化学位移自旋-自旋偶合e.g.B0=11.7T, w(1H)=500MHz

w(13C)=125MHz化学位移~B0

»kHz自旋-自旋偶合»Hz-kHz2024/4/189有机合成核磁共振解析教程专家讲座第9页核磁共振:介绍Information:Larmor频率 原子核化学位移: 结构测定(功效团)J-偶合:

结构测定(原子相关性)偶极偶合: 结构测定(空间位置关系)弛豫:

动力学

1H13CCH3>C=CH-HHCCCHHHHDJHHHCJCHC>C=C<CH32024/4/1810有机合成核磁共振解析教程专家讲座第10页核磁共振:介绍分辨率可经过提升外磁场强度和增加谱图维数而提升.nDNMR(n=2,3,4)1D谱2D(轮廓图)2024/4/1811有机合成核磁共振解析教程专家讲座第11页NMR谱仪FMAudio反馈600谱仪2024/4/1812有机合成核磁共振解析教程专家讲座第12页NMR谱仪600MHz磁体探头机柜RF产生RF放大信号检测数据采集控制数据信息交流运行控制磁体控制前置放大器计算机数据储存;数据处理;总体控制.2024/4/1813有机合成核磁共振解析教程专家讲座第13页NMR谱仪:机柜AQX(Digital)CCUTCUFCURCUVTunitBSMSshimlockCCUAQRASURouterACBADCRX22AmplifierAmplifierPTS2024/4/1814有机合成核磁共振解析教程专家讲座第14页NMR谱仪:探头RF接口RF线圈+调谐元件(电容器)HelmholtzSolenoid2024/4/1815有机合成核磁共振解析教程专家讲座第15页RF-CoilinNMRProbes2024/4/1816有机合成核磁共振解析教程专家讲座第16页NMR谱仪:术语和简写AVANCE系统:FCU: 频率控制单元FrequencyControlUnitASU: 频辐设置单元AmplitudeSettingUnitTCU: 时间控制单元TimingControlUnitCCU: 协调控制单元CommunicationControlUnitRCU: 接收控制单元ReceiverControlUnitBSMS: 布鲁可智能磁体控制系统BrukerSmartMagnetSystemLOT: 发射/调谐开关LocalOscillatorandTuneBoardACB: 功放控制板AmplifierControlBoardRX22: 接收器ReceiverADC: 数字/摸拟转换器AnalogtoDigitalConverterHPPR: 前置放大器Pre-amplifierLCB: 锁场控制板LockControlBoardPTS: 频率合成器brandofsynthesizerusedXwinNMR: 运行软件OperatingSoftwareLINUX/WINDOWS: 计算机操作系统SGIOperatingSoftwarePulseProgram: 脉冲程序OperatorInstructionsforexperiment2024/4/1817有机合成核磁共振解析教程专家讲座第17页NMR谱仪:术语和简写AV系统:FCU: 频率控制单元FrequencyControlUnitSGU: 信号产生单元AmplitudeSettingUnitTCU: 时间控制单元TimingControlUnitCCU: 协调控制单元CommunicationControlUnitRCU: 接收控制单元ReceiverControlUnitBSMS: 布鲁可智能磁体控制系统BrukerSmartMagnetSystemACB: 功放控制板AmplifierControlBoardRX22: 接收器ReceiverADC: 数字/摸拟转换器AnalogtoDigitalConverterHPPR: 前置放大器Pre-amplifierLCB: 锁场控制板LockControlBoardXwinNMR: 运行软件OperatingSoftwareLINUX/WINDOWS: 计算机操作系统SGIOperatingSoftwarePulseProgram: 脉冲程序OperatorInstructionsforexperiment2024/4/1818有机合成核磁共振解析教程专家讲座第18页2.NMR检测A:磁化强度矢量,Larmor频率B:RF脉冲,脉冲功率,探头,电击放电C:磁化强度矢量进动,旋转坐标系,接收器,前置放大器D:接收器增益值,弛预时间(T1,T2)E:傅立叶转换,正交检测,频率扫描宽度,折反峰folding

B0MB0MRFpulseReceiverFTS(t)S(w)AECBD2024/4/1819有机合成核磁共振解析教程专家讲座第19页B0yxz2.a:宏观磁化强度矢量600MHzB0yxzM 含有非零自旋量子数原子核含有自旋角动量,因而也就含有磁矩.在磁场 中,原来无规则磁矩矢量会重新排列而平行于外加磁场.与外磁场同向和反向磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁场方向进动使XY平面上投影相互抵消.因为沿磁场方向能量较低,故原子分布较多一些而造成一个沿Z-轴非零合磁矩矢量.即使在理论上经常讨论单一原子情形,但在实际上,单一原子核磁信号非常小而无法观察.故此我们定义单位体积内原子核磁矩矢量和为宏观磁化强度矢量其方向与外磁场方向相同.以此矢量来描述宏观样品核磁特征.2024/4/1820有机合成核磁共振解析教程专家讲座第20页2.a:Larmor频率核磁矩沿外磁场方向进动频率称为Larmor频率w或共振频率.此频率大小取决于原子核种类及外磁场大小.g

是磁旋比.它是原子核本身属性并只能经过试验获取.在案BRUKER仪器上,原子核频率是经过参数BFn(MHz)设置.如BF1代表第一通道.更精细频率调整可用参数On来完成.On叫频率偏差频率或偏置频,所以总频率为SFOn:SFO1=BF1+O12024/4/1821有机合成核磁共振解析教程专家讲座第21页2.b:RF脉冲核磁信号只能在核磁化矢量位于XY平面时才能被检测到.使用与原子核Larmor频率相同无线电射频即可将M从Z-轴转向X-或Y-轴.MMrf+M当观察信号时,RF脉冲是处于关闭状态.NMR信号是在微伏(microvolts)而RF脉冲是在千伏kilovolts.2024/4/1822有机合成核磁共振解析教程专家讲座第22页2.b.旋转坐标系为了更加好描述与简化所研究体系而引进旋转坐标系统.旋转坐标系统中Z-轴与传统三维坐标系Z-轴一致,而其X-与Y-轴却以与核磁共振频率相同(Larmor频率)频率绕Z-轴旋转.在此体系中,核磁矩不在围绕Z-轴旋转而是静止在某一点上.MrfMrfxzyx’y’zxzyy’‘传统坐标系X-与Y-轴以Larmor频率围绕Z-轴旋转‘旋转坐标系2024/4/1823有机合成核磁共振解析教程专家讲座第23页实际应用上例子.当磁化矢量被转到XY平面后,它仍以Larmor频率绕Z-轴旋转.一样,核磁信号也以大致相当频率饶Z旋转.然而此高频信号(数百兆赫)是不可能被数字化,即使使用高分辨ADC.实际应用上,就将检测到信号与一参考频率想混合而得到其差频.此差频落在100KHz范围内(声频)并很轻易被数字化.混合检测信号(10-800MHz)参考频率(10-800MHz)自由衰减信号(FID)(audio:0-100kHz)接收器(RX22)数字化器(HADC)计算机储存2.b.旋转坐标系2024/4/1824有机合成核磁共振解析教程专家讲座第24页经过RF脉冲照射,磁化矢量将以RF脉冲照射方向为轴在垂直于RF脉冲照射方向平面内转动.如使用X-脉冲则磁化矢量将围绕X-轴方向在YZ平面内转动.-只要RF脉冲打开,则磁化矢量转动就不会停顿.-磁化矢量转动速度取决于脉冲强度.-脉冲长度将决定磁化矢量停顿位置.Mrfxyz45o90o180o270o360o2.b:RF脉冲2024/4/1825有机合成核磁共振解析教程专家讲座第25页90o

或p/2脉冲将给出最大信号.所以也就成为准确测定此参数原因之一.在特定功率强度下,经过采集一系列不一样脉冲长度谱图以确定最大值或零强度点.此点就给出90o或180o脉冲.在BRUKER仪器,RF脉冲普通以pn(e.g.p1)等参数来描述其标准单位是微秒(ms).功率强度是以pln,(e.g.pl1)等参数来描述其标准单位是dB.MrfxyzPulselength901802703602.b:RF脉冲2024/4/1826有机合成核磁共振解析教程专家讲座第26页2.b:RF产生频率合成器Sythesizer频率控制单元FCU时间控制单元TCU频辐设置单元ASU功放Amplifier(BLAH,BLAX)到探头电脑指令2024/4/1827有机合成核磁共振解析教程专家讲座第27页2.c:信号接收MB0接收/发射线圈经过脉冲照射后,磁化矢量被转到XY平面上并绕Z-轴旋转.因为此转动切割了接收器线圈,并在接收器线圈中产生振荡电流.其频率就是Larmor频率.在NMR中,接收线圈与发射线圈是同一线圈.X信号首先被送到前置放大器然后送到接收器.接收器分解此信号使之频率降低到声频范围.模拟数字转换器将此信号数字化.Vt2024/4/1828有机合成核磁共振解析教程专家讲座第28页2.c:前置放大器(Preamp)去接收器信号从功放来RF脉冲HPPR控制1HXD前置放大器HPPR前置放大器有两种用途:1.放大检测NMR信号(从微伏到毫伏)2.分离高能RF脉冲与低能NMR信号.前置放大器含有一接收发射开关(T/R).其作用就是阻止高压RF脉冲进入敏感低压信号接收器.2024/4/1829有机合成核磁共振解析教程专家讲座第29页2.c:接收器(Receiver)检测方法:含有Larmor频率NMR信号与激发脉冲混合,所得差被数字化.混合检测信号(10-800MHz)参考频率(10-800MHz)自由衰减信号(FID)(audio:0-100kHz)接收器(RX22)数字化器(HADC)计算机储存2024/4/1830有机合成核磁共振解析教程专家讲座第30页2.c:接收器(Receiver)mixing信号(10-800MHz)SFO1+22MHz(32-822MHz)自由衰减信号(FID)(audio:0-100kHz)接收器(RX22)Digitizer(HADC)计算机储存RX22检测过程:含有Larmor频率NMR信号将被混合两次.首先将信号与SFO1+22MHz脉冲混合.然后将所得信号再与22MHz混合而得到含有音频自由衰减信号(FID).使用22MHz频率是为防止频率泄露与部件间频率干扰.混合(I)mixing混合(II)IF22MHz2024/4/1831有机合成核磁共振解析教程专家讲座第31页2.c:ADCNMR信号通常包含许多共振频率及振辐.为能更加好描述NMR信号,我们普通使用16或18bitADC.增益值(RG)应被调整到一适当值.既能充分利用又不至于使接收器过饱和.RG太低RG太高RG适当2024/4/1832有机合成核磁共振解析教程专家讲座第32页NMR信号被称为自由衰减信号(FreeInductionDecay或FID).此信号并不能象COS涵数一样保持一样振辐连续下去,而是以指数方式衰减为零.此一现象是由所谓自旋-自旋弛预造成.(T2relaxation)在BRUKER仪器中,时域信号数据点是由参数TD

设定.为使时域信号能够被完全采集到,TD应为一适当值,以免使信号被剪断(truncation).2.d:自由衰减信号(FreeInductionDecay)TDsetproper*TDtoosmall2024/4/1833有机合成核磁共振解析教程专家讲座第33页在测量NMR信号同时,因为仪器电子元件及样品本身产生噪音也一样被接收线圈检测到.为了得到适当信噪比图谱我们普通能够增加扫描次数以到达要求信噪比(S/N),信号平均是指经过增加扫描次数来压制噪音而增加信号强度方法.N次额外扫描回给出倍增强信号强度在BRUKER仪器中,扫描次数是由参数ns设置.另外,增加扫描次数时,一定要考虑T1弛豫影响,也就是说要考虑参数D1设置2.d:信号平均(SignalAveraging)noiselevelsignal2024/4/1834有机合成核磁共振解析教程专家讲座第34页FID谱图NSS/N14162561(ref)2x4x16x2.d:信号平均(SignalAveraging)2024/4/1835有机合成核磁共振解析教程专家讲座第35页2.d:弛豫效应(Relaxation)NMR信号是一个以常数为T2指数方式衰减涵数.T2就是横向弛豫过程时间常数.另外,在XY平面磁化矢量需要一定时间回到Z-轴上.这一过程需要时间就叫纵向弛豫时间.其时间常数是T1.T1

和T2

与原子核种类,样品特征及状态,温度以及外加磁场大小相关.信号平均方法成功关键就是要正确设定参数D1.D1必须是五倍T1以确保在下次扫描时磁化矢量完全回到Z-轴.有时为节约时间,使用小角度脉冲,重复扫描以到达增强信号目标.T1=30s,4scansa.D1=150s;90opulse;600s;b.D1=15s;90opulse;60s;c.D1=15s;30opulse;60s.abc2024/4/1836有机合成核磁共振解析教程专家讲座第36页2.e:傅立叶转换(FourierTransformation)在核磁共振试验中,因为原子核所处电子环境不一样,而含有不一样共振频率.实际上,NMR信号包含许多共振频率复合信号.分析研究这么一个符合信号显然是很困难.傅立叶转换(FT)提供了一个更为简单分析研究方法.就是将时域信号经过傅立叶转换成频域信号.在频域信号图谱中,峰高包含原子核数目标信息,而位置则揭示原子核周围电子环境信息.timefrequencyFT2024/4/1837有机合成核磁共振解析教程专家讲座第37页2.e:傅立叶转换(FourierTransformation)因为NMR检测器不能检测出顺时针或反时针方向核磁信号,傅立叶转换后,将给出+w

和–w两个峰.xVtxVtFT0-ww2024/4/1838有机合成核磁共振解析教程专家讲座第38页NMRSignalReference(SFO1)90o0oADCABRealImaginary数学处理为了区分顺时针与反时针旋转产生峰.正交检测方法被用来处理这一问题.经过使用含有900相位差两个基本点检测器,正负频率就很轻易区分开.实际应用中,并非使用两个检测器,而是使用一个检测器.将检测到信号分成两部分并分别送到含有偿使用900相位差两个通道中.2.e:正交检测(QuadratureDetection)2024/4/1839有机合成核磁共振解析教程专家讲座第39页ChannelAChannelBFTFTChannelA+B2.e:正交检测(QuadratureDetection)2024/4/1840有机合成核磁共振解析教程专家讲座第40页2.e:傅立叶转换对cosineExponential (slow)Exponential (fast)blockpulsetimefrequencyFTtimefrequencyFTnoise2024/4/1841有机合成核磁共振解析教程专家讲座第41页2.e:填零(ZeroFilling)在数据采集时,最好只采集数据直到信号衰减为零,但因为数据点较少而影响谱峰分辨率.增加采集时间因为信号已没,所采集到只是噪音.在FID尾部经过填零方法能够很好处理这个文题.TD=SI=128TD=128;SI=1024TDTDSI2024/4/1842有机合成核磁共振解析教程专家讲座第42页2.e:线宽因子(LineBroadening)Lb=0Lb=5Lb=10NMR信号普通都集中在FID前部,后部含有大部分为噪音.将FID乘一权重指数函数就能迫使尾部FID为零.其程度由参数LB控制.当然还有其它权重涵数能够利用.使用这些涵数虽可提升信噪比却一牺牲分辨率为代价.在BRUKER仪器中,这些涵数统称为窗口涵数.2024/4/1843有机合成核磁共振解析教程专家讲座第43页一个有问题图谱能够经过检验FID来诊疗.时域上两个涵书乘积经傅立叶转化后,其频域涵数将含有前两时域涵数单独转化成频域涵数全部特征(convolutiontheory).比如一个被剪切FID能够被看成是FID乘以一常数涵.傅立叶转化后所得涵数含有FID及常数涵数共同特征.=xFT2.e:傅立叶转换2024/4/1844有机合成核磁共振解析教程专家讲座第44页正确图谱SpikeArcingBadlineshape(shimming)2.e:傅立叶转换(FourierTransformation)2024/4/1845有机合成核磁共振解析教程专家讲座第45页采样快慢决定了观察谱图频率范围而由所谓驻留时间参数(DW)确定.二者间关系由下试确定.sw=1000Hzsw=500Hzdw=0.5msdw=1ms2.e:傅立叶转换(FourierTransformation)2024/4/1846有机合成核磁共振解析教程专家讲座第46页2.e:峰折返(Folding)当NMR信号数字化时速度太慢时会造成对FID信号频率错误表示.数学上为能正确确定一经过坐标原点周期涵数频率,在某一周期内必须有两个已知点.所以对FID信号数字化采样时,也必须在某一周期内采集到最少两个点(NyquistTheorem).

假如不这么就会产生峰折返.不产生峰折返所能到达最大频率叫NyquistFrequency.真实峰出现峰2024/4/1847有机合成核磁共振解析教程专家讲座第47页2.e:频域谱图宽度(SpectralWindow)在BRUKER仪器中,频域谱图中央点是由参数SFo1(=SF+o1)确定.其中,SF是所观察原子核Larmor频率;o1是偏置频率能够用来改变频域谱图中央点.o1o1o12024/4/1848有机合成核磁共振解析教程专家讲座第48页在实际测试未知样品时,能够使用较大SW值采样.然后调整O1采样.最终再调整SW.1.较大sw2.调整o13.调整swo1newo1swswnewsw2.e:频域谱图宽度(SpectralWindow)2024/4/1849有机合成核磁共振解析教程专家讲座第49页2.e:相位调整(Phasing)通常所采集到谱图含有吸收(absorption)与扩散(dispersion)组份.

经过相位调整能够到纯粹吸收峰.ReImReImInphaseOutofphase2024/4/1850有机合成核磁共振解析教程专家讲座第50页在BRUKER仪器中,相位调整首先对最大峰进行零级相位调整PH0,然后以一级相位调整PH1来调整其它峰.1.

FTphase2.Adjustph0onbiggestpeak3.Adjustotherpeakswithph12.e:相位调整(Phasing)2024/4/1851有机合成核磁共振解析教程专家讲座第51页3.NMR:原子核间相互作用分子中原子并不是孤立存在,它不但在相互间发生作用也同周围环境发生作用,从而造成相同原子核却有不一样核磁共振频率.Larmor频率化学位移自旋-自旋偶合e.g.B0=11.7T, w(1H)=500MHz

w(13C)=125MHz化学位移~B0

»kHz自旋-自旋偶合»Hz-kHz2024/4/1852有机合成核磁共振解析教程专家讲座第52页3.NMR:化学位移(ChemicalShift)在磁场中,因为原子核外电子运动而产生一个小磁场Be(localfield).此小磁场与外加磁场(B0)方向相反.从而使原子核感受到一个比外加磁场小磁场(B0+Blo).此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用.B0Be原子核实际感受到磁场: B=(1-s)B0s化学位移常数2024/4/1853有机合成核磁共振解析教程专家讲座第53页3.NMR:PPM单位因为化学位移是与外加磁场成正比,所以在不一样磁场下所花絮位移数值也不一样.也会引发许多麻烦.引入ppm并使用同意参考样品,就是光谱独立于外加磁场.0Hz15003000450060000ppm48120Hz15003000450060000ppm4812参考样品峰300MHz500MHz300MHz500MHz1ppm=300Hz1ppm=500Hz2024/4/1854有机合成核磁共振解析教程专家讲座第54页0ppm428610HC=OHC=CH2CH3即使使用不一样仪器或在不一样场强下,相同官能团含有相同ppm值.不一样官能团因为存在于不一样电子环境因而含有不一样化学位移,从而使结构坚定成为可能..3.NMR:化学位移(ChemicalShift)2024/4/1855有机合成核磁共振解析教程专家讲座第55页3.NMR:自旋-自旋偶合(ScalarCoupling)相邻原子核能够经过中间媒介(电子云)而发生作用.此中间媒介就是所谓化学键.这一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合).特点是经过化学键间接作用.CHCHHC异核J-coupling同核J-couplingJCHJHH2024/4/1856有机合成核磁共振解析教程专家讲座第56页自旋-自旋偶合引发共振线分裂而形成多重峰.多重峰实际代表了相互作用原子核彼此间能够出现空间取向组合.CHJCHCHJCH原始频率ww-J/2w+J/2JCH3.NMR:自旋-自旋偶合(ScalarCoupling)2024/4/1857有机合成核磁共振解析教程专家讲座第57页3.NMR:同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)多重峰出现规则:1.

某一原子核与N个相邻核相互偶合将给出(n+1)重峰.2.等价组合含有相同共振频率.其强度与等价组合数相关.3.磁等价核之间偶合作用不出现在谱图中.4.偶合含有相加性.比如:HaHbCCwawbJABHBHBHAHAJAB2024/4/1858有机合成核磁共振解析教程专家讲座第58页HaHbCCHcAB,CBCAAB,C是化学等价核JAB=JAC3.NMR:同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)2024/4/1859有机合成核磁共振解析教程专家讲座第59页HaHbCCHcB,C是化学不等价核JAC=10HzJAC=4HzJBC=7HzABCwAJACJAC3.NMR:同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)2024/4/1860有机合成核磁共振解析教程专家讲座第60页3.NMR:异核J-偶合(HeteronuclearJ-Coupling)*CH*CH2*CH3CH1H2H3CH1H2CH1*CC2024/4/1861有机合成核磁共振解析教程专家讲座第61页因为一些核自然丰度并非如此100%.顾此谱图中可能出现偶合分裂峰和无偶合峰.氯仿中氢谱是一个经典例子.x100H-13CH-13C105HzH-12C3.NMR:异核J-偶合(HeteronuclearJ-Coupling)2024/4/1862有机合成核磁共振解析教程专家讲座第62页4.NMR:分辨率与稳定性(ResolutionandStability)为能区分微小化学位移和偶合常数,高分辨率仪器(0.1Hz)是必须.它不但要求外磁场必须含有相当稳定性,同时要求处于同位置但相同核给出相同共振频率也就是说线宽要非常得心应手小.稳定性是经过稳定磁体及锁场系统来实现,而小线宽则经过能提供均匀场强磁体及匀场来完成.2024/4/1863有机合成核磁共振解析教程专家讲座第63页4.NMR:锁场(Lock)试验对磁场稳定性要求能够经过锁场实现.经过不间断测量一参考信号(氘信号)并与标准频率进行比较.假如出现偏差,则此差值被反馈到磁体并经过增加或降低辅助线圈(Z0)电流来进行矫正.2DLockTXLockRXLockfreq.DZ0-coil2024/4/1864有机合成核磁共振解析教程专家讲座第64页4.NMR:匀场(Shimming)在样品中,磁场强度应该是均匀且单一,以使相同核不论处于样品何种位置都应给出相同共振峰.为达此目标,一系列所谓匀场线圈按绕制所提供涵数方式给出赔偿以消除磁场不均匀性,从而得到窄线形.实际应用中可分为低温匀场(cryo-shims)线圈和室温匀场线圈RT-shims).低温匀场线提供较大矫正.2024/4/1865有机合成核磁共振解析教程专家讲座第65页4.NMR:匀场(Shimming)匀场线圈分为两组:改变Z-轴方向场强称为纵向匀场(axial,on-axisorz-shims);改变垂直与Z-轴方向场强称为横向匀场(transverseoroff-axisshims).2024/4/1866有机合成核磁共振解析教程专家讲座第66页4.NMR:匀场效果(EffectofZ-Shims)

±Z+Z2-Z2+Z4-Z4±Z3±Z52024/4/1867有机合成核磁共振解析教程专家讲座第67页4.NMR:匀场(Shimming)x,y,zz,z2x,y,xy,xz,yz,x2y2z,z2,z3x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyzz,z2,z3,z4x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyz,x3y3,x2y2z2z,z2,z3,z4,z5,z6SpinningNon-spinning匀场需要丰富经验为基础.经过观察锁场信号高低,样品信号线形及FID.2024/4/1868有机合成核磁共振解析教程专家讲座第68页4.NMR:匀场(Shimming)当首次安装仪器或探头时,旋转与非旋转样品线形是一个标准参考数据.氢谱线形数据是经过测量氘代丙酮中3%氯仿而得.数据

0.3/7/14表明Hzat50%;半峰宽7Hzat0.55%;碳卫星峰高度峰宽14Hzat0.11%1/5碳卫星峰高度峰宽13Csatellites215Hz2024/4/1869有机合成核磁共振解析教程专家讲座第69页4.NMR:Shimming样品旋转在50,0.55and0.11%处确定峰宽数值50%0.11%0.55%旋转边带2024/4/1870有机合成核磁共振解析教程专家讲座第70页4.NMR:匀场(Shimming)50%0.11%0.55%样品不旋转在50,0.55and0.11%处确定峰宽数值2024/4/1871有机合成核磁共振解析教程专家讲座第71页5.NMR:RF脉冲B0M在传统坐标系中,因为外加磁场对原子核作用，磁化矢量以Larmor频率绕外加磁场进动.假如旋转坐标系旋转频率与原子核共振频率相同，在旋转坐标系中则没有磁场而磁化矢量也就会静止不动．但假如旋转坐标系旋转频率与原子核共振频率有差异，则磁场就会出现而磁化矢量会围绕此小磁场运动．此小磁场叫偏置场．DwMM传统坐标系旋转坐标系在共振共振偏置旋转坐标系2024/4/1872有机合成核磁共振解析教程专家讲座第72页5.NMR:RF脉冲zw1=

weffxzw1Dwxweffzw1=

weffxM在共振RF脉冲共振偏置ＲＦ脉冲假如RF脉冲施加在原子核共振频率，则磁化矢量就绕施加ＲＦ场转动.假如RF脉冲未施加在原子核共振频率则磁化矢量就绕施加ＲＦ场与磁场合场方向转动.Mzweffxweff2024/4/1873有机合成核磁共振解析教程专家讲座第73页5.NMR:共振与偏置共振（Onandoffresonance）在共振靠近共振偏置共振经过改变Ｏ１以达到共振频率2024/4/1874有机合成核磁共振解析教程专家讲座第74页因为核磁共振样品经常包含多出一个峰，ＲＦ脉冲不可能对全部共振进行在共振激发．但若以高功率脉冲（使有效场尽可能贴近ＸＹ平面）仍可到达近似效果．实际应用上使用短而强脉冲．zw1Dwxweffzw1=

weffxzw1DwxweffRF(O1)5.NMR:RF脉冲2024/4/1875有机合成核磁共振解析教程专家讲座第75页p/2=6ms00400006000080000Dw(Hz)00400006000080000Dw(Hz)p/2=18msp=36ms磁化矢量与偏置共振关系5.NMR:RF脉冲2024/4/1876有机合成核磁共振解析教程专家讲座第76页计算脉冲强度:

若p/2脉冲10ms

则2p

脉冲40ms

那么w1＝1/40ms=25kHz若p/2脉冲太长，能够增加功率是其变短．不要超出探头所能负担功率不然会损坏探头！！！RF功率放大器输出功率是用dB.dB数值表示与最大输出功率相比实际输出功率衰减程度．由上式可看出每6dB衰减将使输出伏特值减半而使９００脉冲长度加倍．在ＢＲＵＫＥＲ仪器中，脉冲强度由Ｐln设定．１２０dB表示小强度，０表示大强度．Attenuation(dB)=-20log(V/Vmax)5.NMR:RF脉冲2024/4/1877有机合成核磁共振解析教程专家讲座第77页5.NMR:９００脉冲测定（Paropt）Paropt是一ＡＵ程序．它可改变某一参数（Ｐ１，Ｄ１，Ｏ１等）并将一系列处理谱图列出．谱图储存在处理数控９９９文件中．运行Paropt,首先要得到一谱图以确定谱图战士区域．(dp1).然后在特定脉冲强度改变Ｐ１值．最大峰为何９００，第一个零点为１８００．dp12024/4/1878有机合成核磁共振解析教程专家讲座第78页经过限定激发宽度，我们就可选择激发某一特定区域．施加等幅或调制振幅与相位选择性脉冲可完成这一使命．等幅调制RF选择激发Dante软脉冲整形脉冲AdiabaticPulsesShapedDante5.NMR:选择性脉冲（SelectiveRFPulses）2024/4/1879有机合成核磁共振解析教程专家讲座第79页经过对ＲＦ脉冲时域涵数傅立叶转换，此脉冲激发图象可在频域谱中直观表现出来．frequencyFT频率时间5.NMR:选择性脉冲（SelectiveRFPulses）2024/4/1880有机合成核磁共振解析教程专家讲座第805000-1000-1500Hz激发脉冲时域与频域关系，可使制作整形脉冲和选择激发区域变得轻易．RFshapeExcitedregionFT5.NMR:选择性脉冲（SelectiveRFPulses）2024/4/1881有机合成核磁共振解析教程专家讲座第81页RectangleSincSinc(3)GaussHalfGaussDantePulseExcitationFTPulseExcitationFT5.NMR:选择性脉冲（SelectiveRFPulses）2024/4/1882有机合成核磁共振解析教程专家讲座第82页选择脉冲长度决定激发区域．Gauss:4ms‘hard’p/2pulseGauss:2msGauss:1ms5.NMR:选择性脉冲（SelectiveRFPulses）2024/4/1883有机合成核磁共振解析教程专家讲座第83页Eburp,20ms经过改变选择脉冲频率能够改变选择激发位置

spoffs1etc.5.NMR:选择性脉冲（SelectiveRFPulses）2024/4/1884有机合成核磁共振解析教程专家讲座第84页.5.NMR:整形脉冲一些特征2024/4/1885有机合成核磁共振解析教程专家讲座第85页6.NMR:Decoupling原子核间偶合造成谱图复杂化．CHJCHCHJCHoriginalfrequencyww+J/2w-J/2JCH2024/4/1886有机合成核磁共振解析教程专家讲座第86页6.NMR:去偶(Decoupling)假如峰数不多，偶合方式仍可分析出．但当很多锋出现时，偶合方式分析就不是那么轻易．*CH3-CH2-未去偶氢去偶2024/4/1887有机合成核磁共振解析教程专家讲座第87页氢对碳偶合作用能够经过对氢施加一个脉冲消除.此一技术称为去偶.对氢核饱和照射,促使氢核自旋状态快速变换,临近碳核无法感觉到氢核自旋状态取向而只感受到氢核两种取想平均效果.详细说,对氢核饱和照射使碳核原来两条共振线w-J/2和w+J/2合并平均而得到[(w-J/2)+(w+J/2)]/2=w.CHJCHCHJCHp-pulseonH这相当于使用一系列1800脉冲快速照射氢核.C-HpHC-HpHpHpHC-HC-HC-HC-HpHw+J/2w-J/2w+J/2w-J/2w+J/2w-J/26.NMR:去偶(Decoupling)2024/4/1888有机合成核磁共振解析教程专家讲座第88页氢去偶除简化碳谱还因为有核Overhauser效应而增加信噪比.decoupledcoupledC-HC-H2*CH3-CH2-6.NMR:去偶(Decoupling)2024/4/1889有机合成核磁共振解析教程专家讲座第89页实际应用中,一个连续脉冲照射在氢共振频率而不是使用一系列1800脉冲.次法称为宽带去偶.去偶试验应注意以下两点:1.氢脉冲应施加在氢共振频率上.2脉冲强度要足够强但又要比探头承受强度低.6.NMR:去偶(Decoupling)2024/4/1890有机合成核磁共振解析教程专家讲座第90页6.NMR:去偶与脉冲强度关系00.10.20.40.60.81.01.55去偶与脉冲强度关系2024/4/1891有机合成核磁共振解析教程专家讲座第91页6.NMR:去偶,脉冲强度及偏值频率关系ProtonresonanceoffsetProtonRFpower2024/4/1892有机合成核磁共振解析教程专家讲座第92页6.NMR:组合脉冲去偶(CompositePulseDecoupling)在工作上去偶试验很易成功,但偏置共振中,去偶效率随偏置频率增加很快降低.虽可增加脉冲强度,但探头对大功率承受程度又阻止无限增加脉冲强度.好处理方法就是将去偶强度均匀开以增加去偶宽度.一系列组合脉冲适合用于此一目标.Waltz,Garp,Dipsi,Mlevetc.称为组合脉冲去偶序列或CPD.使用这些脉冲序列要设置两个基本点参数900脉冲长度及强度.2024/4/1893有机合成核磁共振解析教程专家讲座第93页7.NMR:水峰压制(WaterSuppression)核磁共振试验样品有许多是溶在水中,而水共振信号又是实际样品数千甚至数万倍.ADC资源基本上被用来描述水峰而极少一部分用来描述实际样品以致样品信号被淹没在噪音.x64问题:-动态范围;-实际样品信号低S/N;-实际样品信号淹没在基线噪音中;-靠近水峰信号”骑”在水峰上.处理方法:在采样前压制水峰.一经惯用到方法是预饱和.2024/4/1894有机合成核磁共振解析教程专家讲座第94页7.NMR:预饱和(Presaturation)使用一长约定1-2s而低脉冲选择使水峰达饱和状态,然后用一硬900脉冲激发样品.其结果是使接收器增益参数增加而提升动态范围及S/N.zgrg=1zgprrg=64压水峰试验:1.脉冲序列zgpr;2.预饱和时间为1.5s;3.O1移到水峰位置.4.逐步增加脉冲强度;5.优化匀场条件,并准确调整O1位置.2024/4/1895有机合成核磁共振解析教程专家讲座第95页8.Two-DimensionalNMR假如使用两个基本点脉冲采集一系列谱图,同时依此增加两脉冲时间间隔t1.第一个脉冲将磁化矢量转到XY平面上,此磁化矢量将围绕Z-轴旋转.因为在不一样时间内磁化矢量转到不一样位置,造成第二个脉冲过后采集到FID含有不一样相位和振幅.于是能够说这一系列FID相位和振幅被t1所调制.增加t1t1t22024/4/1896有机合成核磁共振解析教程专家讲座第96页8.2DNMRFID相位及振幅被t1调制也就等于谱图相位及振幅被t1调制.从傅立叶转换中很轻易看到这一点.FT(t2)t2t1t1f22024/4/1897有机合成核磁共振解析教程专家讲座第97页8.2DNMR对t1进行第二次傅立叶转换就能够确定调制频率.就是将全部谱图第一个点进行傅立叶转换,然后第二个点一直到全部点.所得谱图就是一个单位均为频率两维谱图.FT(t1)f2f2f1t12024/4/1898有机合成核磁共振解析教程专家讲座第98页8.2DNMR2DNMR谱图常以轮廓图表示而不用三维方式.相同情况一样使用在地图上1020304050602040600.511.521020304050601020304050602024/4/1899有机合成核磁共振解析教程专家讲座第99页8.2DNMR两维谱图可简化图谱增加分辨率同时也可得到原子间相关关系.2024/4/18100有机合成核磁共振解析教程专家讲座第100页8.2DNMR:Cosy2DCosy

谱中,交叉峰f1=a,f2=b表明a与b有自旋-自旋偶合作用.投影图将给出普通氢谱543210012345C交叉峰s对角线峰2024/4/18101有机合成核磁共振解析教程专家讲座第101页8.2DNMR:Cosy500MHzN-typeCOSYspectrumofStrychnine,.RFp/2FIDp/2t1Cosy

经惯用于氢二维谱.在此基础上演化出Tocsy,andDQF-Cosy.2024/4/18102有机合成核磁共振解析教程专家讲座第102页8.2DNMR:NoesyNoesy交叉峰表示原子相互在空间上相邻.其强度可用来估算原子间距并以此推断分子空间结构.HaHb012345543210fafbfcHc2024/4/18103有机合成核磁共振解析教程专家讲座第103页8.2DNMR:NoesyNoesy

经常被用来确定一些生物大分子象蛋白质,核酸,DNA,RNA等.水中gramicidine

400MHzNoesy谱.2024/4/18104有机合成核磁共振解析教程专家讲座第104页8.2DNMR:异核相关谱(HeteronuclearCorrelation)1008060402002543101H13CC-H异核相关谱给出碳氢偶合关系.2024/4/18105有机合成核磁共振解析教程专家讲座第105页8.2DNMR:HeteronuclearCorrelation异核相关谱可经过观察碳(1H-13CHetcor)或观察氢(HMQC,HSQC).观察氢试验也称做反相试验.FID1Hp/2p13Cp/2p/2DDt113C-1HHMQCofSucroseinD2O13C1H2024/4/18106有机合成核磁共振解析教程专家讲座第106页核磁共振光谱中磁场梯度原理PrinciplesofMagneticFieldGradientsinNMRSpectroscopy9.磁场梯度(MagneticFieldGradients)2024/4/18107有机合成核磁共振解析教程专家讲座第107页梯度场被广泛应用在核磁共振试验,其特点是:-消除额外干扰信号而增加动态范围.-节约时间(不在需要相位循环)-降低信号干扰(t1-噪音)-提升谱图质量.9.磁场梯度(MagneticFieldGradients)2024/4/18108有机合成核磁共振解析教程专家讲座第108页‘Worstcase’scenarioCosyspectrum.t1-噪音峰中央峰(axialpeaks)扫描循环太快在相同条件下采集梯度场Cosy谱9.磁场梯度(MagneticFieldGradients)2024/4/18109有机合成核磁共振解析教程专家讲座第109页同性均匀磁场进动频率(Larmor)w

正比与giB0gi

磁旋比.

g1H=4g13C若B0=11.7T那么w1H=500MHz在旋转坐标系(w)磁化矢量静止不动zB0uvzxy9.梯度场2024/4/18110有机合成核磁共振解析教程专家讲座第110页在外磁场施加一个Z方向梯度场.施加梯度场与外磁场叠加,所以,原子核将经历一个不一样磁场.因而将围绕新磁场以不一样频率进动.w(z)=gB0+gzGzzB0uv+++++zGzzxy9.梯度场2024/4/18111有机合成核磁共振解析教程专家讲座第111页在旋转坐标西中,假如梯度场强为20G/cm线圈有效长度是1cm.1Gauss相当于4258Hz氢频率.处于z=+0.5cm原子核就会以0.5*20*4258=42580Hz速度旋转,而在z=0原子则静止不动.zB0uv+++++00.250.5-0.25-0.5

02129042580-21290-42580wz(Hz)zGzzxyz(cm)在外磁场施加一个Z方向梯度场.9.梯度场2024/4/18112有机合成核磁共振解析教程专家讲座第112页因为所处不一样平面位置原子核将感受到不一样磁场而磁化矢量含有不一样旋转频率,从而形螺旋状,其螺矩取决于梯度场强度.zB0uv+++++zGzzxy9.梯度场2024/4/18113有机合成核磁共振解析教程专家讲座第113页MRI/NMRimaging叠加在主磁场上梯度场使原子核共振频率成为空间涵数.在核磁成象(MRI)试验中,磁化矢量是在梯度场打开情况下检测.所以MRI谱图给出频率分布.每一频率层表明样品中不一样位置而其强度表明含有相同频率原子核数量.(ReproducedfromErnstetal.PrinciplesOfNuclearMagneticResonanceinOneandTwoDimensions,OxfordUniversityPress)9.梯度场成象2024/4/18114有机合成核磁共振解析教程专家讲座第114页xyxzimageplaney9.Gradients:Imaging2024/4/18115有机合成核磁共振解析教程专家讲座第115页9.梯度场在NMR应用因为梯度场使处于不一样位置原子核含有不一样频率,所以在施加梯度场前转到XY平面聚焦磁化矢量,在梯度场打开后会很快散开.梯度场关闭磁化矢量将以没有梯度场时频率旋转.梯度场实际是以脉冲形式施加在样品上.不一样强度梯度场脉冲能够使磁化矢量散开相同程度,只是施加梯度场时间不一样而已.磁化矢量注意:只有横向磁化矢量被散焦,而纵向磁化矢量不受影响.信号XY2024/4/18116有机合成核磁共振解析教程专家讲座第116页9.梯度场(水峰压制)1.选择激发水峰2.施加梯度场打散水峰信号3.900硬脉冲激发其它峰信号.0002024/4/18117有机合成核磁共振解析教程专家讲座第117页p/2p/2RF水峰梯度FIDref:Doddrelletal.J.Mag.Reson1986,70,1762mMSucroseinH2Otop:singlepulsebot:Submergerg=1rg=64x89.梯度场(水峰压制)SUBMERGE:使用梯度场及选择性脉冲水峰压制2024/4/18118有机合成核磁共振解析教程专家讲座第118页在许多应用中,被梯度场打散确实信号有经过施加梯度场重新聚焦形成回波.两个基本脉冲序列,‘gradientrecalledecho’和‘gradientspinecho’.1.GradientRecalledEcho5RF梯度场FID1234p/2XY143259.梯度回波2024/4/18119有机合成核磁共振解析教程专家讲座第119页RFp/2梯度场FIDstartacquisition时间(ms)05101520259.梯度回波2024/4/18120有机合成核磁共振解析教程专家讲座第120页2a.自旋回波2b.梯度回波RFFID12345p/2pRFFID梯度场123456p/2pXY143256XY143259.梯度回波2024/4/18121有机合成核磁共振解析教程专家讲座第121页RFp/2梯度场FID开始采样时间(ms)0510152025p9.梯度回波2024/4/18122有机合成核磁共振解析教程专家讲座第122页RFp/2梯度场FIDref:Piottoetal.J.Biomol.NMR(1992),2,661选择1800脉冲翻转除水外原子核自旋状态2mMSucroseinH2Otop:singlepulsebot:Watergaterg=1rg=64水门(WATERGATE)利用梯度回波水峰压制9.梯度场:水峰压制2024/4/18123有机合成核磁共振解析教程专家讲座第123页9.梯度场替换脉冲相循环许多NMR试验利用RF脉冲相循环以选择需要”coherences”(同相重合态).梯度场可实现同一目标从而消除了相循环.

比如COSY

试验.为实现正交检测,消除横向轴峰需要四步相循环.而使用梯度场一步即可完成.RFp/2gradientFIDp/2t11nn=1N-typen=-1P-type2024/4/18124有机合成核磁共振解析教程专家讲座第124页9.COSYP/N选择:一次扫描500MHzvinylbromide氢COSY谱.只扫描一次造成P,N-型谱同时出现.RFp/2FIDp/2t1相位00CHHHC=BrN-type对角线AxialpeaksP-type对角线2024/4/18125有机合成核磁共振解析教程专家讲座第125页500MHzvinylbromide氢COSY谱.扫描四次消除横向轴峰及实现正交检测.RFp/2FIDp/2t1相位009018027001800180CHHHC=Br9.COSYP/N选择:相循环2024/4/18126有机合成核磁共振解析教程专家讲座第126页500MHzvinylbromide氢COSY谱.使用梯度场扫描一次消除横向轴峰及实现正交检测.RFp/2梯度场FIDp/2t11nn=1P-typeCHHHC=Br9.COSYP/N选择:梯度场2024/4/18127有机合成核磁共振解析教程专家讲座第127页n=-1N-typeCHHHC=Br500MHzvinylbromide氢COSY谱.使用梯度场扫描一次消除横向轴峰及实现正交检测.RFp/2梯度场FIDp/2t11n9.COSYP/N选择:梯度场2024/4/18128有机合成核磁共振解析教程专家讲座第128页500MHzN-type

Strychnine氢COSY谱.使用梯度场扫描一次9.COSYP/N选择:梯度场2024/4/18129有机合成核磁共振解析教程专家讲座第129页9.多量子过滤中梯度场500MHz使用单(上)双(下)量子过滤重水中蔗糖氢谱.RFp/2梯度场FIDp/2p/21n多量子同相重合态”阶”指两状态磁量子数之差.处于多量子同相重合态核磁子散相速度与其”阶”成正比.经过使用一定百分比一对梯度检测之前而能够选择聚焦某一处于多量子同相重合态原子核.2024/4/18130有机合成核磁共振解析教程专家讲座第130页甲乙醚:CH3-CH2-OCH3MQ选择(1:n)两梯度场CH2OCH3CH3n=1n=2n=3n=4n=59.多量子过滤中梯度场2024/4/18131有机合成核磁共振解析教程专家讲座第131页500MHz双量子过滤COSY谱(mof1,4androstene-dione),一次扫描.9.多量子过滤中梯度场2024/4/18132有机合成核磁共振解析教程专家讲座第132页9.异核梯度试验在1H-13C反相试验中,一个需要处理问题是抑制那些没有与13C相连氢信号.梯度提供了一个比相循环更有效方法.x128氯仿上:单脉冲下:一维梯度HSQC.rg=1rg=642024/4/18133有机合成核磁共振解析教程专家讲座第133页梯度场作用在不一样核将引发不一样进动频率.w(z)=giGzz.比如z=0.5andGz=20G/cm氢核,含有42580Hz,而碳核10625Hz(g13C=1/4g1H).13CFID1Htransfergradient14gradie