核磁共振解析1课件.ppt

1、单击此处添加副标题内容核磁共振解析1核磁共振氢谱和碳谱核磁共振氢谱和碳谱Different Types of NMRvElectron 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(f

2、requency)primarily used for compound ID and characterizationNMR in Everyday LifeMagnetic Resonance ImagingNMR Spectroscopy布鲁克布鲁克Bruker瓦里安瓦里安Varian(Agilent)Varian(Agilent)900MHz800MHz600MHz500MHz400MHz300MHz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 300MHzExplaining NMRMeOOCOOHHNOHH123456781015161714131819201

3、21192122231、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？MeOOCOOHHNOHH1234567810151617141318192012119212223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,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、

4、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 NMR13C NMR15N 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=1/2I=2/3I=2/5I=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，

5、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:00000)2()21()2(22)(HhrHhrHHHE 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。Principles of NMRhLow Energy High EnergyNNSS核磁共振谱核磁共振谱化学位移化学位移 化学环境

6、化学环境峰面积峰面积质子数质子数 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（Shielding）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屏蔽

7、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6061010HHHHHH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

8、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，将它看作正数吸收峰数吸收峰数 多少种不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

9、向高场高场移动移动原来的信号原来的信号裂分为裂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

10、 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 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

11、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。Spin-Spin Coupling C-Y C-CHC-CH2C-CH3H|H|H|H|singlet doublet triplet quartetXZXZXZXZJSpin Coupling Intensities1 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对于自

12、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。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

13、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 11 1 12 1 2 13 1 3 3 14 1 4 6 4 15 1 5 10 10 5 1.复杂峰型dddddtdtdqdqNMR Peak Intensities C-CHC-CH2C-CH3Y|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）

14、2.8（Br）2.5（I）（ppm）4.26 3.40 3.05 2.68 2.16CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3IX 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CH2ClHCHCl2HCCl3H3.055.307.27基团距离越远，受到的影响越小基团距离越远，受到的影响越小CH2CH3CH2Br1.251.693.30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

15、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

16、学位移各类质子的化学位移HRCH3R2CH2R3CHCCHCCH 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 3.34CCCH2-HFCHClCHBrCHICHHOCHR O CH 质子类型质子类型 /ppm酯酯 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 15RCOOCHROOCCHHOOCCHOCCHOCHROHCCOHRCOOHRNH2Characteristic Chemical Shifts常用的核磁分析溶剂氘代氯仿

17、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 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

18、，3.30重水：宽单峰，4.80吡啶：3个单峰，7.22,7.58，8.74DMSO：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 Modern NMR InstrumentRadio WaveTransceiverNMR MagnetMagnet LegsProbeSample BoreCryogensMagnet CoilNMR Magnet Cross-SectionAn NMR Probe NMR Sample&Probe Coil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=

19、0,没有没有NMR13C 1.1%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

20、倍倍分辨率高分辨率高 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=125HzCH2=CH2 (sp2 杂化杂化 s%=33%）1J=157Hz C6H6 （sp2 杂化杂化 s%=33%）1J

21、=159HzHC CH（sp 杂化杂化 s%=50%）1J=249Hz1313C NMRC 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 化学位移化学位移（ppm）C-I 040 C-Br 2565 C-Cl 3580 CH3 830 CH2 1555 CH 2060碳的类型碳的类型 化学位移化学位移 （ppm）C（炔）（炔）6585=C（烯）（烯）100150 C=O 170210 C-O 4080 C6H6（苯）（苯）110160 C-N 3065sp3:=0100

22、 ppmsp2:=100210 ppm羰基碳羰基碳:=170210 ppmCH3CH3CH3CH3CH3CH3非常好的对称性，分子中有非常好的对称性，分子中有9 9个碳个碳=10=10 50 ppm 50 ppm 只可能出现三个峰只可能出现三个峰分子中有分子中有9 9个碳个碳=10=10 50 ppm 50 ppm 出现出现6 6个共振峰个共振峰全顺式全顺式1,3,5-1,3,5-三甲基环己烷三甲基环己烷1r-3-1r-3-反反-5-5-反三甲基环己烷反三甲基环己烷CH3CH3CH3CH3CH3CH3甲基甲基5个个CH8个个CH2末端双键末端双键：106113碳谱的解析MeOOCOOHHNOHH1234567810151617141318192012119212223C-1C-22C-9C-10C-4C-21C-3C-19C-20C-2溶剂峰，七重，溶剂峰，七重，49.320 C,结合结合DEPT:5 个季碳个季碳羧酸羧酸或羧或羧酸酯酸酯OCO172.6季碳季碳甲基甲基5个个CH8个个CH2末端双键末端双键：106113氢谱和碳谱的模拟氢谱和碳谱的模拟学习交流共同提高感谢观赏