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实用核磁技术2008.9王志宏元素所合成楼[e-mail]实用核磁技术本课程主要面对有机专业的研究生及已经开展实验室工作的高年级本科生。鉴于简单核磁的解析已在基础有机化学及有机结构分析课程中讲述，本课程将不做详细讲解，而是在讲授核磁基本理论的基础上突出实用技能，特别是重点实验室核磁平台所使用的Bruker及Varian的仪器使用中常用的技术，以及常见问题的解决。课程力求使学生在使用核磁的过程中不但知其然，而且知其所以然，进而更好地利用核磁解决科研中遇到的实际问题。课程安排核磁基础理论:核磁共振原理一维核磁(1H,13C,DEPT,NOE差谱等）二维核磁(COSY,TOCSY,HETCOR,INADEQUATE,HSQC,HMBC,NOESY,ROESY等)核磁实用技术:样品及仪器准备工作(制备,调谐,匹配,锁场,匀场,90°脉冲测定等)一维及二维核磁的测定(窗函数处理,基线和相位校正,T1噪音消除等)BrukerTopspin基本操作VarianVNMR基本操作期末考试，闭卷，满分100核磁书籍推荐1．有机化合物结构鉴定与有机波谱学，宁永成2.OrganicStructurefromSpectra，L.D.Field,S.Sternhell,J.R.Kalman,JohnWiley&Sons,Ltd,2002核磁书籍推荐•3.SpectrometricIdentificationofOrganicCompoundsbyRobertM.Silverstein;FrancisX.WebsterandDavidJ.Kiemle•4.ModernNMRSpectroscopy:AGuideforChemistsbyJeremyK.M.SandersandBrianK.Hunter核磁共振现象核磁共振简称NMR，是指处于外磁场中的物质原子核系统收到相应频率的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。根据核磁共振波谱图上的共振峰的位置、强度和精细结构等信息，可以研究分子的结构。核磁共振现象NHOOHOH1936年：科学家预测到了核磁共振现象1946年：美国斯坦福大学F.Bloch研究组美国哈佛大学E.M.Purcell研究组（获得1952年诺贝尔物理学奖）1951年：M.E.Packard博士首次成功地记录了乙醇的1H-NMR谱1951年：卢福春和W.G.Proctor博士发现了含氮化合物的14N-NMR信号核磁技术发展简史50年代：40MHz核磁共振仪1958年开始推广60MHz核磁共振仪60年代：超导核磁共振研制成功100MHz核磁共振仪220MHz核磁共振仪250MHz核磁共振仪脉冲傅立叶变换核Overhauser效应70年代：付立叶变换技术引入核磁共振300MHz核磁共振仪400MHz核磁共振仪500MHz核磁共振仪核磁技术发展简史1971年：J.Jeener博士提出二维核磁共振概念80年代：600MHz核磁共振仪问世二维核磁共振技术有了实质性的突破90年代：二维核磁共振技术取得到了长足地进步脉冲梯度场90年代：三维、四维核磁共振技术取得到了实质性的突破1991年：瑞士核磁共振谱学家R.R.Ernst教授因其在二维核磁共振谱和脉冲-傅立叶变换核磁共振上的杰出贡献而获得诺贝尔化学奖核磁技术发展简史核磁技术发展简史NMR(nuclearmagneticresonance)1952FelixBloch1952EdwardPurcellfortheirdevelopmentofnewmethodsfornuclearmagneticprecisionmeasurements......anddiscoveriesinconnectiontherewith1991RichardErnstforhiscontributionstothedevelopmentofthemethodologyofhighresolutionnuclearmagneticresonance(NMR)spectroscopy.forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution2002KurtWüthrich核磁主要功能及提供的信息一维1H谱，普通一维13C谱化学位移，耦合常数，积分值二维1H-1H相关谱（COSY）质子间提供化学键的耦合编辑13C谱（DEPT,APT）区分C,CH,CH2,CH31H-13C一键相关谱（HMQC,HSQC）1H及13C归属远程1H-13C相关谱(HMBC)二键，三键相关性NOE相关谱（NOESY）立体化学及构象分析核磁共振波谱仪核磁基本工作原理samplemagnetmagnetizationperturbationresponsedetectiondataFouriertransformationspectrumstorage质子是一种转动着的带电荷的粒子(Z=1)，故有磁矩。磁矩只有两种可能的取向，在无外磁场时，这两种取向的能量是简并的，习惯上采用核自旋量子数m来表征。如对一个质子，m=+½或-½。把这种核描述为1/2的核自旋(I)。核电荷带正电，故核磁矩沿磁场方向(m=+½)排列的核，其能量最低。核磁基本工作原理B0m=+½m=-½核磁基本工作原理无磁场作用Bo在外加磁场作用下Ho0abBoanti-parallelparallel自旋产生核磁矩核磁基本工作原理EEabB0核磁共振：处于外磁场中的物质原子核系统收到相应频率的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。•E=hυ=hc/lUV400nm7.5x1014Hz300kJ/molIR3000cm-19x1013Hz36kJ/molNMR400MHz4x108Hz0.16J/mol旋磁比，γ的大小与原子核的性质有关，是单位磁感应强度下的共振频率。不同的核，有着其各自特征的旋磁比。abEEabB0提供的外加磁场越高，仪器越灵敏。旋磁比越大，核越敏感。不同的核由于其旋磁比不同而在相同的磁场下有不同的共振频率。g1H=26,753107T-1s-1g13C=6,728107T-1s-1400MHz：1H400MHz13C100.56MHz15N40.52MHz31P161.92MHz核磁基本工作原理磁矩在不同能级上的分布BoltzmannStatistics:E=-ghBmIkTBkTEeNNkT/E011gbaB0=1.4T,n60MHz,Na1.0000006NbB0=21.1T,n900MHz,Na1.000145NbB0=9.5T,n400MHz,Na1.000064Nb原子核在不同能级上的分布非常接近低能级上与高能级上原子核分布的差在ppm数量级上(PartsPerMillion-ppm).不可能通过直接的检测手段检测到，因此需要通过共振的方法来观测NMR400MHz4x108Hz0.16J/mol信号强度与原子核在不同能级上分布量的差值有关核磁共振条件根据经典图象，原子核取球形，绕自己的轴转动。因此，许多原子核具有内禀角动量PP=I(I+1)ħħ=h/2π，h＝planck常数I为角动量量子数，简称核自旋，I=0，½，2/3，2…P与之相对应的磁矩，有如下关系式：=gPg是比例常数，称磁旋比=gI(I+1)ħI=0,=0观测不到NMR信号对大多数的原子核与P同向少数情况下如15N，29Si，与P反向核磁共振条件质子数中子数自旋量子数典型核偶数偶数012C，16O，32S奇数奇数1，2，3…2H，14N，10B偶数奇数1/2，3/2，5/2…13C，17O奇数偶数1/2，3/2，5/2…1H，19F，31P，11B，35Cl，127I只有当原子核的自旋量子数I非零时，原子核才具有非零的自旋角动量P，从而具有磁矩，才可能通过核磁进行观察和研究。共振原子核[ppm]8642[rel]024681012141HCyclosporinexam1d_1H11C:\Bruker\TOPSPINguest[ppm]8642[rel]024681012141HCyclosporinexam1d_1H11C:\Bruker\TOPSPINguest[ppm]15010050[rel]051015202513C{1H}AV300AutomationCholesterylacetatepivot=27.91ppmPhaseincrement=12.80ph0=-90.00ph1=0.00[ppm]15010050[rel]051015202513C{1H}AV300AutomationCholesterylacetatepivot=27.91ppmPhaseincrement=12.80ph0=-90.00ph1=0.00常见核磁的共振频率Larmor进动(precession)经典表示法，核偶极子绕Ｚ轴（与静磁场方向一致）进动。它的行为如同陀螺一样，进动频率（或称Larmor频率）nL正比与静磁场强度B0。对于进动着的核，核偶极子进动的角度只能取某一确定的数值，如I=½的质子，角度是54。44’。gn2BL宏观磁化强度(Magnetization)从经典图象出发，I=½，如1H，13C，位于双锥面上的核绕静磁场Z进动。将样品中所有的核磁矩的Z分量相加得（沿磁场方向）宏观磁化强度M0。在脉冲NMR实验中，M0起着重要的作用。提供的外加磁场越高，仪器越灵敏。旋磁比越大，核越敏感。kTBkTEeNNkT/E011gbaNMR400MHz4x108Hz0.16J/molB0=9.5T,n400MHz,Na1.000064Nb脉冲和检测在X方向有一组线圈，以频率为ω1的振荡电流产生一磁场B1，当M受到一个磁场B1的激发时，M会偏向X－Y平面B0产生一个作用于M的力矩，使M以γBo的频率绕Z轴产生进动在与B0垂直的X轴上设一线圈，则可以检测到进动所带来的磁化量分量的振荡。经过适当的信号放大和处理后，即得到最终的核磁信号yzMMxyB1xxyzB0MxyzMw0pulseRotatingFrame设定新的坐标系并把B1的方向设为x轴，x轴和y轴围绕z轴以频率γBo旋转。ω1＝ω0＝γBo，即激发频率等于进动频率时，90度激发后的磁化量落在y轴上。yzMMxyB1xzyMxyxBozyMxyxwoLaboratoryFrameRotatingFramezyMxyxzyxMo/2驰豫(Relaxation)处于高能级的核必须回到低能态，才能维持处于低能态的核的微弱的数量优势，使得核磁共振信号得以检测。这一过程以非辐射的形式实现，称为驰豫过程。1、自旋--晶格驰豫，又称纵向驰豫:自旋核与周围分子交换能量的过程，如固体的晶格，液体则为周围的同类分子或溶剂分子。用弛豫时间T1示。2、自旋--自旋驰豫，又称横向驰豫:核磁矩之间进行能量交换的过程。用弛豫时间T2示。kTBkTEeNNkT/E011gbaFID(FreeInductionDecay)andFouriertransformationS(w)=∫S(t)e-iwtdtS(t)=1/2∫S(w)eiwtdt--FID，freeinductiondecay,freeoftheinfluenceoftheradiofrequencyfield,inducedinthecoil,anddecayingbacktoequilibrium.FID(FreeInductionDecay)andFouriertransformation90ºxRFpulsetw1w1=gH0w2=gH0fFourierTrans