核磁共振解析學習教案

1、會計學1核磁共振解析核磁共振解析第一頁，編輯于星期二：七點 六分。n300-900 MHz (frequency) primarily used for compound ID and characterization第1頁/共72頁第二頁，編輯于星期二：七點 六分。Magnetic Resonance Imaging第2頁/共72頁第三頁，編輯于星期二：七點 六分。第3頁/共72頁第四頁，編輯于星期二：七點 六分。第4頁/共72頁第五頁，編輯于星期二：七點 六分。布魯克布魯克Bruker瓦里安瓦里安Varian(Agilent)Varian(Agilent)900MHz800MHz600MH

2、z500MHz400MHz300MHz省測試中心省測試中心 600MHz山西大學測試中心山西大學測試中心 300MHz第5頁/共72頁第六頁，編輯于星期二：七點 六分。第6頁/共72頁第七頁，編輯于星期二：七點 六分。MeOOCOOHHNOHH1234567810151617141318192012119212223第7頁/共72頁第八頁，編輯于星期二：七點 六分。1、確定中藥化學成分的結構核磁共振能解決中醫(yī)藥研究中什么問題？MeOOCOOHHNOHH1234567810151617141318192012119212223第8頁/共72頁第九頁，編輯于星期二：七點 六分。氨基酸氨基酸有機酸區(qū)

3、域有機酸區(qū)域糖區(qū)糖區(qū)芳香區(qū)芳香區(qū)2、中藥指紋圖譜第9頁/共72頁第十頁，編輯于星期二：七點 六分。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, 檸檬酸; 8,二甲胺; 9, 三甲胺; 10,二甲基甘氨酸; 11, 肌酸酐; 12, 牛磺酸; 13, 氧化三甲胺; 14,甘氨酸; 15,肌氨酸; 16, 糖區(qū)間; 17, -葡萄糖; 18, -葡萄糖; 19,尿囊素; 20,尿素; 21, 馬尿酸; 22, 甲酸. 空白組和模型組尿液典型 1H NMR圖譜.3、中醫(yī)藥代謝組學研究、中醫(yī)藥代謝組學研究第10頁/共72頁第十一頁，編輯于星期

4、二：七點 六分。3、確定蛋白的結構第11頁/共72頁第十二頁，編輯于星期二：七點 六分。什么樣的核可以測定NMR圖譜？1H NMR13C NMR15N NMR第12頁/共72頁第十三頁，編輯于星期二：七點 六分。中字數和質子數，一個奇數，一個偶數I=0，中字數、質子數均為偶數I=1/2I=2/3I=2/5I=1,I=2 中子數和質子數均為奇數I=3存在自旋運動的核存在自旋運動的核自旋量子數自旋量子數I不等于不等于0什么樣的核可以測定NMR圖譜？第13頁/共72頁第十四頁，編輯于星期二：七點 六分。核磁共振氫譜第14頁/共72頁第十五頁，編輯于星期二：七點 六分。 1H 自旋量子數自旋量子數(

5、I ) 1/2沒有外磁場時，其自旋磁距取向是混亂的沒有外磁場時，其自旋磁距取向是混亂的在外磁場在外磁場H0中，它的取向分為兩種中，它的取向分為兩種(2I+1=2)一種和磁場方向一種和磁場方向相反相反，能量較高，能量較高(E= H0)一種和磁場方向一種和磁場方向平行平行，能量較低，能量較低( E= H0)第15頁/共72頁第十六頁，編輯于星期二：七點 六分。兩種取向的能量差兩種取向的能量差 E可表示為可表示為:00000)2()21()2(22)(HhrHhrHHHE 若外界提供一個電磁波，波的頻率適當，若外界提供一個電磁波，波的頻率適當，能量恰好等于核的兩個能量之差，能量恰好等于核的兩個能量之

6、差，h = E， 那么此原子核就可以從低能級躍遷到高能級，那么此原子核就可以從低能級躍遷到高能級，產生產生核磁共振吸收核磁共振吸收。第16頁/共72頁第十七頁，編輯于星期二：七點 六分。hLow Energy High EnergyNNSS第17頁/共72頁第十八頁，編輯于星期二：七點 六分。核磁共振譜核磁共振譜化學位移化學位移 化學環(huán)境化學環(huán)境峰面積峰面積質子數質子數第18頁/共72頁第十九頁，編輯于星期二：七點 六分。 氫原子核的外面有氫原子核的外面有電子電子，它們對磁場的磁它們對磁場的磁力線有排斥作用。力線有排斥作用。 對原子核來講，周圍的電子起對原子核來講，周圍的電子起屏蔽（屏蔽（Sh

7、ielding）效應）效應核周圍的電子云密度越大，屏蔽效應就越大核周圍的電子云密度越大，屏蔽效應就越大 核周圍的電子云密度是受所連基團的影響，故不同化學環(huán)境的核周圍的電子云密度是受所連基團的影響，故不同化學環(huán)境的核，它們所受的屏蔽作用各不相同，它們的核，它們所受的屏蔽作用各不相同，它們的核磁共振信號亦核磁共振信號亦就出現在不同的地方。就出現在不同的地方?；瘜W位移的產生原因化學位移的產生原因第19頁/共72頁第二十頁，編輯于星期二：七點 六分。屏蔽作用屏蔽作用 磁場強度變的更小磁場強度變的更小 參考標準參考標準常用的標準物質是四甲基硅烷常用的標準物質是四甲基硅烷(CH3)4Si（Tetramet

8、hyl silane，簡寫，簡寫TMS） 只有一個峰，只有一個峰， 電負性電負性 Si C, 屏蔽作用很高，屏蔽作用很高， 一般質子的吸收峰都出現在它的左邊一般質子的吸收峰都出現在它的左邊-低場低場第20頁/共72頁第二十一頁，編輯于星期二：七點 六分。化學位移（化學位移（Chemical shift） 其他峰與四甲基硅烷峰之間的距離其他峰與四甲基硅烷峰之間的距離6061010HHHHHH標準樣品標準標準樣品ppm，百萬分之一，百萬分之一 TMS的的 值定為值定為0，其他質子的，其他質子的 值應為負值值應為負值可是文獻中常將負號略去，將它看作正數可是文獻中常將負號略去，將它看作正數第21頁/共

9、72頁第二十二頁，編輯于星期二：七點 六分。吸收峰數吸收峰數 多少種不同化學環(huán)境質子多少種不同化學環(huán)境質子峰的位置峰的位置 質子類型質子類型峰的面積峰的面積 每種質子數目每種質子數目第22頁/共72頁第二十三頁，編輯于星期二：七點 六分。第23頁/共72頁第二十四頁，編輯于星期二：七點 六分。結構解析的幾個重要參數化學位移耦合常數峰型（s，d，t，q）積分面積第24頁/共72頁第二十五頁，編輯于星期二：七點 六分。第25頁/共72頁第二十六頁，編輯于星期二：七點 六分。第26頁/共72頁第二十七頁，編輯于星期二：七點 六分。自旋自旋- -自旋耦合作用自旋耦合作用核的自旋方式有兩種：與外加磁場核

10、的自旋方式有兩種：與外加磁場同向同向（ ） 或或反向反向（ ） 它會使它會使鄰近的核鄰近的核感受到磁場強度的感受到磁場強度的加強加強 或或減弱減弱 使鄰近質子半數分子的共振吸收向使鄰近質子半數分子的共振吸收向低場低場移動移動， 半數分子的共振吸收向半數分子的共振吸收向高場高場移動移動原來的信號原來的信號裂分為裂分為強度相等的兩個峰強度相等的兩個峰 -即一組雙重峰即一組雙重峰第27頁/共72頁第二十八頁，編輯于星期二：七點 六分。自旋自旋 自旋耦合自旋耦合（Spin-spin coupling） 相鄰碳上氫核的相互影響相鄰碳上氫核的相互影響耦合常數耦合常數（Coupling constant,

11、） J 兩個裂分峰間距離兩個裂分峰間距離 單位：赫茲單位：赫茲 Hz第28頁/共72頁第二十九頁，編輯于星期二：七點 六分。耦合常數耦合常數 J nJA-B 來表示來表示 A,B 為彼此耦合的核為彼此耦合的核 n 為為 A,B 核之間相隔化學鍵的數目核之間相隔化學鍵的數目如如 3JH-H=8.0Hz 表示兩個相隔三根化學鍵質子間的表示兩個相隔三根化學鍵質子間的 耦合常數為耦合常數為 8.0 赫茲。赫茲。耦合常數耦合常數 J 只與化學鍵性質有關只與化學鍵性質有關 而與外加磁場無關而與外加磁場無關它是它是 NMR 譜圖分析的參數之一譜圖分析的參數之一耦合常數耦合常數 J nJA-B 來表示來表示

12、A,B 為彼此耦合的核為彼此耦合的核 n 為為 A,B 核之間相隔化學鍵的數目核之間相隔化學鍵的數目如如 3JH-H=8.0Hz 表示兩個相隔三根化學鍵質子間的表示兩個相隔三根化學鍵質子間的 耦合常數為耦合常數為 8.0 赫茲。赫茲。耦合常數耦合常數 J 只與化學鍵性質有關只與化學鍵性質有關 而與外加磁場無關而與外加磁場無關它是它是 NMR 譜圖分析的參數之一譜圖分析的參數之一耦合常數耦合常數 J nJA-B 來表示來表示 A,B 為彼此耦合的核為彼此耦合的核 n 為為 A,B 核之間相隔化學鍵的數目核之間相隔化學鍵的數目如如 3JH-H=8.0Hz 表示兩個相隔三根化學鍵質子間的表示兩個相隔

13、三根化學鍵質子間的 耦合常數為耦合常數為 8.0 赫茲。赫茲。第29頁/共72頁第三十頁，編輯于星期二：七點 六分。 C - Y C - CHC - CH2C - CH3H |H |H |H |singlet doublet triplet quartetXZXZXZXZJ第30頁/共72頁第三十一頁，編輯于星期二：七點 六分。1 11 121 13 3峰型的裂分比例峰型的裂分比例d：1:1t： 1:2:1q：1:3:3:1第31頁/共72頁第三十二頁，編輯于星期二：七點 六分。對于自旋量子數對于自旋量子數I=1/2的一級類型的耦合的一級類型的耦合可以歸納以下幾條規(guī)則：可以歸納以下幾條規(guī)則：1

14、. 某核和某核和n個磁等價的核耦合時，可產生個磁等價的核耦合時，可產生n+1條譜線，條譜線， 若它再與另一組若它再與另一組m個磁等價核耦合，則譜線的數目個磁等價核耦合，則譜線的數目 是（是（n+1）(m+1）條。）條。2. 譜線裂分的間距即是它們的耦合常數譜線裂分的間距即是它們的耦合常數J 。3. 一級類型的多重峰通過其中點作對稱分布，中心一級類型的多重峰通過其中點作對稱分布，中心 位置即為化學位移值。位置即為化學位移值。4. 多重峰的相對強度為二項展開式（多重峰的相對強度為二項展開式（a+b）n的系數，的系數， n為等價核的個數。即可由下表表示為等價核的個數。即可由下表表示:第32頁/共72

15、頁第三十三頁，編輯于星期二：七點 六分。n（核的個數）（核的個數）譜線相對強度譜線相對強度0 11 1 12 1 2 13 1 3 3 14 1 4 6 4 15 1 5 10 10 5 1.第33頁/共72頁第三十四頁，編輯于星期二：七點 六分。復雜峰型dddddtdtdqdq第34頁/共72頁第三十五頁，編輯于星期二：七點 六分。 C - CHC - CH2C - CH3Y |Y |Y |XZXZXZ AUC = 1AUC = 2AUC = 3第35頁/共72頁第三十六頁，編輯于星期二：七點 六分。影響氫核化學位移的因素影響氫核化學位移的因素第36頁/共72頁第三十七頁，編輯于星期二：七點

16、 六分。1. 誘導效應誘導效應 CHCH3 3X X 不同化學位移與不同化學位移與-X-X的電負性的電負性化合物化合物電負性（電負性（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 2.16CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3IX X , , : : X X , , 電子云密度電子云密度 , , 屏蔽效應屏蔽效應 , , 共振在較低磁場發(fā)生，共振在較低磁場發(fā)生， 第37頁/共72頁第三十八頁，編輯于星期二：七點 六分。拉電子基團越多拉電子基團越多, , 這種影響越大這種影響越大CH2ClHCHC

17、l2HCCl3H第38頁/共72頁第三十九頁，編輯于星期二：七點 六分?；鶊F距離越遠，受到的影響越小基團距離越遠，受到的影響越小CH2CH3CH2Br1.251.693.30第39頁/共72頁第四十頁，編輯于星期二：七點 六分。屏蔽效應屏蔽效應正屏蔽正屏蔽： 由于結構上的變化或介質的影響使氫核外由于結構上的變化或介質的影響使氫核外電子云密度增加，或者感應磁場的方向與外磁電子云密度增加，或者感應磁場的方向與外磁場相反，則使譜線向高磁場方向移動（右移）場相反，則使譜線向高磁場方向移動（右移）， 值減小，亦叫抗磁性位移。值減小，亦叫抗磁性位移。去屏蔽去屏蔽： 由于結構上的變化或介質的影響使氫核外由于

18、結構上的變化或介質的影響使氫核外電子云密度減少，或者感應磁場的方向與外磁電子云密度減少，或者感應磁場的方向與外磁場相同，則使譜線向低磁場方向移動（左移）場相同，則使譜線向低磁場方向移動（左移）， 值增加，亦稱順磁性位移。值增加，亦稱順磁性位移。第40頁/共72頁第四十一頁，編輯于星期二：七點 六分。 質子類型質子類型 /ppm環(huán)丙烷環(huán)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各類質子的化學位移各類質子的化學位移HRCH3R2CH2R3CHCCHCCH第41頁/共72頁第四十二頁，編輯于星期二：七點 六分。 質子類型質子類型 /ppm烯丙型烯丙型

19、 1.7氟氟 44.5氯氯 3.4溴溴 2.54碘碘 24醇醇 3.44醚醚 3.34CCCH2-HFCHClCHBrCHICHHOCHR O CH第42頁/共72頁第四十三頁，編輯于星期二：七點 六分。 質子類型質子類型 /ppm酯酯 酸酸 羰基化合物羰基化合物 醛醛 910羥基羥基 烯醇烯醇 1517羧酸羧酸 10.512胺胺 15RCOOCHROOCCHHOOCCHOCCHOCHROHCCOHRCOOHRNH2第43頁/共72頁第四十四頁，編輯于星期二：七點 六分。第44頁/共72頁第四十五頁，編輯于星期二：七點 六分。常用的核磁分析溶劑氘代氯仿氘代甲醇氘代吡啶氘代二甲亞砜氘代水（重水）

20、氘代丙酮溶劑的選擇原則：溶解性1. 譜峰的分辨率注意注意: :氘代試劑不能污染氘代試劑不能污染第45頁/共72頁第四十六頁，編輯于星期二：七點 六分。核磁分析的溶劑和樣品量單體： 300MHz 10mg 400-500MHz 5-10mg 600MHz 3-5mg 600MHz帶低溫探頭 1-2mg氘代溶劑：，高度不低于3-3.5 cm混合物：30-50 mg 左右，不超過60mg低于低于20 mg20 mg第46頁/共72頁第四十七頁，編輯于星期二：七點 六分。氫譜測試的參數累加（采樣）次數：4的倍數核磁序列:一般32次足夠（600MHz）第47頁/共72頁第四十八頁，編輯于星期二：七點 六

21、分。定標試劑TMS：脂溶性：脂溶性TMSP (TSP):水溶性水溶性第48頁/共72頁第四十九頁，編輯于星期二：七點 六分。溶劑峰和雜質的判斷氯仿：單峰，甲醇：五重峰，重水：寬單峰，吡啶：3個單峰， DMSO：五重峰，2.50 單體中的雜質：積分面積不成比例的峰單體中的雜質：積分面積不成比例的峰第49頁/共72頁第五十頁，編輯于星期二：七點 六分。Radio WaveTransceiver第50頁/共72頁第五十一頁，編輯于星期二：七點 六分。第51頁/共72頁第五十二頁，編輯于星期二：七點 六分。Magnet LegsProbeSample BoreCryogensMagnet Coil第5

22、2頁/共72頁第五十三頁，編輯于星期二：七點 六分。第53頁/共72頁第五十四頁，編輯于星期二：七點 六分。第54頁/共72頁第五十五頁，編輯于星期二：七點 六分。常見中藥化學成分的氫譜特征脂肪酸香豆素黃酮類甾體類三萜皂苷類第55頁/共72頁第五十六頁，編輯于星期二：七點 六分。核磁共振碳譜核磁共振碳譜12C 98.9% 磁矩磁矩 =0, 沒有沒有NMR13C 1.1% 有磁矩有磁矩(I=1/2)， 有有NMR 靈敏度很低靈敏度很低, 僅是僅是 1H 的的 1/6700計算機的問世及譜儀的不斷改進，計算機的問世及譜儀的不斷改進， 可得很好的碳譜可得很好的碳譜第56頁/共72頁第五十七頁，編輯于

23、星期二：七點 六分。在有機物中，有些官能團不含氫在有機物中，有些官能團不含氫 例如：例如：-C=O，-C=C=C-，-N=C=O等等官能團的信息官能團的信息:不能從不能從 1H 譜中得到，譜中得到，只能從只能從 13C 譜中得到有關的結構信息譜中得到有關的結構信息C HC H 有機化合物有機化合物的骨架元素的骨架元素第57頁/共72頁第五十八頁，編輯于星期二：七點 六分。13C 譜譜化學位移范圍大化學位移范圍大 300 ppm 1H 譜的譜的 2030 倍倍分辨率高分辨率高 譜線之間分得很開，容易識別譜線之間分得很開，容易識別13C 自然豐度自然豐度 1.1%， 不必考慮不必考慮 13C 與與

24、 13C 之間的耦合，之間的耦合， 只需考慮同只需考慮同 1H 的耦合。的耦合。第58頁/共72頁第五十九頁，編輯于星期二：七點 六分。碳譜中碳譜中 1H 和和 13C 1J1H-13C 是最重要的作用是最重要的作用J: 100 300 Hz范圍范圍s 電子的百分數和電子的百分數和 J 值值 近似計算式近似計算式 1J=5 (s%） 100 Hz CH4 （sp3 雜化雜化 s%=25%） 1J=125HzCH2=CH2 (sp2 雜化雜化 s%=33%） 1J=157Hz C6H6 （sp2 雜化雜化 s%=33%） 1J=159HzHC CH （sp 雜化雜化 s%=50%） 1J=249Hz第59頁/共72頁第六十頁，編輯于星期二：七點 六分。1313C NMRC NMR化學位移化學位移化學位移化學位移 1) TMS為參考標準，為參考標準， c=0 ppm 2) 以各種溶劑的溶劑峰作為參數標準以各種溶劑的溶劑峰作為參數標準碳的類型碳的類型 化學位移化學位移 （ppm） C-I 040 C-Br 2565 C-Cl 3580 CH3 830 CH2 1555 CH 2060第60頁/共72頁第六十一頁，編輯于星期二：七點 六分。碳的類型碳的類型 化學位移化學位移 （ppm） C（炔）（炔） 6585 =C（烯）（烯） 100150 C=O 170210 C-O 40