1、核磁共振氫譜和碳譜核磁共振氫譜和碳譜Different Types of NMRvElectron Spin Resonance (ESR)v1-10 GHz (frequency) used in analyzing free radicals (unpaired electrons)vMagnetic Resonance Imaging (MRI)v50-300 MHz (frequency) for diagnostic imaging of soft tissues (water detection)vNMR Spectroscopy (MRS)v300-900 MHz (freque

2、ncy) primarily used for compound ID and characterizationNMR in Everyday LifeMagnetic Resonance ImagingNMR Spectroscopy布魯克布魯克Bruker瓦里安瓦里安Varian(Agilent)900MHz800MHz600MHz500MHz400MHz300MHz省測試中心省測試中心 600MHz山西大學(xué)測試中心山西大學(xué)測試中心 300MHzExplaining NMRMeOOCOOHHNOHH12345678101516171413181920121192122231、確定中藥化學(xué)成

3、分的構(gòu)造核磁共振能處理中醫(yī)藥研討中什么問題？MeOOCOOHHNOHH1234567810151617141318192012119212223氨基酸氨基酸有機酸區(qū)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, ?；撬? 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

4、模型組尿液典型 1H NMR圖譜.3、中醫(yī)藥代謝組學(xué)研討、中醫(yī)藥代謝組學(xué)研討3、確定蛋白的構(gòu)造什么樣的核可以測定NMR圖譜？1H NMR13C NMR15N NMR中字數(shù)和質(zhì)子數(shù)，一個奇數(shù)，一個偶數(shù)I=0，中字數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)I=1/2I=2/3I=2/5I=1,I=2 中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為奇數(shù)I=3存在自旋運動的核存在自旋運動的核自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)I不等于不等于0什么樣的核可以測定NMR圖譜？核磁共振氫譜 1H 自旋量子數(shù)( I ) 1/2沒有外磁場時，其自旋磁距取向是混亂的在外磁場H0中，它的取向分為兩種(2I+1=2)一種和磁場方向相反，能量較高(E=H0)一種和磁場方向平行，能量較低

5、( E= H0)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 假設(shè)外界提供一個電磁波，波的頻率適當(dāng)，假設(shè)外界提供一個電磁波，波的頻率適當(dāng)，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(chǎn)生核磁共振吸收。產(chǎn)生核磁共振吸收。Principles of NMRhnLow Energy High EnergyNNSS核磁共振譜核磁共振譜化學(xué)位移化學(xué)位移 化學(xué)環(huán)境化學(xué)環(huán)境峰面積峰面積質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù) 氫原子核的外面有電子，它們對磁場的

6、磁氫原子核的外面有電子，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，周圍的電子起屏蔽對原子核來講，周圍的電子起屏蔽Shielding效應(yīng)效應(yīng)核周圍的電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)就越大核周圍的電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)就越大 核周圍的電子云密度是受所連基團的影響，故不同化核周圍的電子云密度是受所連基團的影響，故不同化學(xué)環(huán)境的核，它們所受的屏蔽作用各不一樣，它們的學(xué)環(huán)境的核，它們所受的屏蔽作用各不一樣，它們的核磁共振信號亦就出如今不同的地方。核磁共振信號亦就出如今不同的地方?；瘜W(xué)位移的產(chǎn)生緣由化學(xué)位移的產(chǎn)生緣由屏蔽作用屏蔽作用 磁場強度變的更小磁場強度變的更小 參考規(guī)范參考規(guī)范常用的規(guī)

7、范物質(zhì)是四甲基硅烷常用的規(guī)范物質(zhì)是四甲基硅烷(CH3)4SiTetramethyl silane，簡寫，簡寫TMS 只需一個峰，只需一個峰， 電負性電負性 Si C, 屏蔽作用很高，屏蔽作用很高， 普通質(zhì)子的吸收峰都出如今它的左邊普通質(zhì)子的吸收峰都出如今它的左邊-低場低場化學(xué)位移化學(xué)位移Chemical shift 其他峰與四甲基硅烷峰之間的間隔其他峰與四甲基硅烷峰之間的間隔6061010HHHHHH標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣品ppm，百萬分之一，百萬分之一 無量綱無量綱 TMS的的值定為值定為0，其他質(zhì)子的，其他質(zhì)子的值應(yīng)為負值值應(yīng)為負值可是文獻中常將負號略去，將它看作正數(shù)可是文獻中常將負號略去，將

8、它看作正數(shù)吸收峰數(shù)吸收峰數(shù) 多少種不同化學(xué)環(huán)境質(zhì)子多少種不同化學(xué)環(huán)境質(zhì)子峰的位置峰的位置 質(zhì)子類型質(zhì)子類型峰的面積峰的面積 每種質(zhì)子數(shù)目每種質(zhì)子數(shù)目構(gòu)造解析的幾個重要參數(shù)化學(xué)位移耦合常數(shù)峰型s，d，t，q積分面積自旋自旋- -自旋耦協(xié)作用自旋耦協(xié)作用核的自旋方式有兩種：與外加磁場同向核的自旋方式有兩種：與外加磁場同向 或反向或反向 它會使臨近的核感遭到磁場強度的加強它會使臨近的核感遭到磁場強度的加強 或減弱或減弱 使臨近質(zhì)子半數(shù)分子的共振吸收向低場挪動，使臨近質(zhì)子半數(shù)分子的共振吸收向低場挪動， 半數(shù)分子的共振吸收向高場挪動半數(shù)分子的共振吸收向高場挪動原來的信號裂分為強度相等的兩個峰原來的信號裂

9、分為強度相等的兩個峰 -即一組雙重峰即一組雙重峰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(shù)耦合常數(shù)Coupling constant, J 兩個裂分峰間間隔兩個裂分峰間間隔 單位：赫茲單位：赫茲 Hz耦合常數(shù)耦合常數(shù) 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(xué)鍵的數(shù)目核之間相隔化學(xué)鍵的數(shù)目如如 3JH-H=8.0Hz 表示兩個相隔三根化學(xué)鍵質(zhì)子間的表示兩個相隔三根化學(xué)鍵質(zhì)子間的 耦合常數(shù)為耦合常數(shù)為 8.0 赫茲。赫茲。耦合常數(shù)耦合常數(shù) J 只與化學(xué)鍵性質(zhì)有關(guān)只與化

10、學(xué)鍵性質(zhì)有關(guān) 而與外加磁場無關(guān)而與外加磁場無關(guān)它是它是 NMR 譜圖分析的參數(shù)之一譜圖分析的參數(shù)之一耦合常數(shù)耦合常數(shù) 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(xué)鍵的數(shù)目核之間相隔化學(xué)鍵的數(shù)目如如 3JH-H=8.0Hz 表示兩個相隔三根化學(xué)鍵質(zhì)子間的表示兩個相隔三根化學(xué)鍵質(zhì)子間的 耦合常數(shù)為耦合常數(shù)為 8.0 赫茲。赫茲。耦合常數(shù)耦合常數(shù) J 只與化學(xué)鍵性質(zhì)有關(guān)只與化學(xué)鍵性質(zhì)有關(guān) 而與外加磁場無關(guān)而與外加磁場無關(guān)它是它是 NMR 譜圖分析的參數(shù)之一譜圖分析的參數(shù)之一耦合常數(shù)耦合常數(shù) J nJA-B 來表示來表示 A,B 為彼此耦合的核為

11、彼此耦合的核 n 為為 A,B 核之間相隔化學(xué)鍵的數(shù)目核之間相隔化學(xué)鍵的數(shù)目如如 3JH-H=8.0Hz 表示兩個相隔三根化學(xué)鍵質(zhì)子間的表示兩個相隔三根化學(xué)鍵質(zhì)子間的 耦合常數(shù)為耦合常數(shù)為 8.0 赫茲。赫茲。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對于自旋量子數(shù)對于自旋量子數(shù)I=1/2的一級類型

12、的耦合的一級類型的耦合可以歸納以下幾條規(guī)那么：可以歸納以下幾條規(guī)那么：1. 某核和某核和n個磁等價的核耦合時，可產(chǎn)生個磁等價的核耦合時，可產(chǎn)生n+1條譜線，條譜線， 假設(shè)它再與另一組假設(shè)它再與另一組m個磁等價核耦合，那么譜線的數(shù)目個磁等價核耦合，那么譜線的數(shù)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(shù)譜線裂分的間距即是它們的耦合常數(shù)J 。3. 一級類型的多重峰經(jīng)過其中點作對稱分布，中心一級類型的多重峰經(jīng)過其中點作對稱分布，中心 位置即為化學(xué)位移值。位置即為化學(xué)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+bn的系數(shù)，的系數(shù)， n為等價核的個數(shù)

13、。即可由下表表示為等價核的個數(shù)。即可由下表表示:n核的個數(shù)核的個數(shù)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. .復(fù)雜峰型dddddtdtdqdqNMR Peak Intensities C - CHC - CH2C - CH3Y |Y |Y |XZXZXZ AUC = 1AUC = 2AUC = 3影響氫核化學(xué)位移的要素影響氫核化學(xué)位移的要素1. 誘導(dǎo)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng) CH3X 不同化學(xué)位移與-X的電負性化合物電負性X 4.0F 3.5O 3.1Cl 2.8Br 2.5Ippm 4.26 3.40 3.05 2.6

14、8 2.16CH3XCH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3IX X, , : : X X, , 電子云密度電子云密度, , 屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng), , 共振在較低磁場發(fā)生，共振在較低磁場發(fā)生， 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CH2ClHCHCl2HCCl3H3.055.307.27基團間隔越遠，遭到的影響越小基團間隔越遠，遭到的影響越小CH2CH3CH2Br1.251.693.30屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng)正屏蔽：正屏蔽： 由于構(gòu)造上的變化或介質(zhì)的影響使由于構(gòu)造上的變化或介質(zhì)的影響使氫核外氫核外電子云密度添加，或者感應(yīng)磁場的方向電子云密度添加，或者感應(yīng)磁場的方向與外磁與外

15、磁場相反，那么使譜線向高磁場方向挪動場相反，那么使譜線向高磁場方向挪動右移，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： 由于構(gòu)造上的變化或介質(zhì)的影響使由于構(gòu)造上的變化或介質(zhì)的影響使氫核外氫核外電子云密度減少，或者感應(yīng)磁場的方向電子云密度減少，或者感應(yīng)磁場的方向與外磁與外磁場一樣，那么使譜線向低磁場方向挪動場一樣，那么使譜線向低磁場方向挪動左移，左移， 值添加，亦稱順磁性位移。值添加，亦稱順磁性位移。 質(zhì)子類型 /ppm環(huán)丙烷 0.2伯 0.9仲 1.3叔 1.5乙烯型 4.55.9乙炔型 23各類質(zhì)子的化學(xué)位移各類質(zhì)子的化學(xué)位移HRCH3R2CH2R3CHCCHCC

16、H 質(zhì)子類型 /ppm烯丙型 1.7氟 44.5氯 3.4溴 2.54碘 24醇 3.44醚 3.34CCCH2-HFCHClCHBrCHICHHOCHR O CH 質(zhì)子類型 /ppm酯 3.74.1 22.2酸 22.6羰基化合物 22.7醛 910羥基 15.5烯醇 1517羧酸 10.512胺 15RCOOCHROOCCHHOOCCHOCCHOCHROHCCOHRCOOHRNH2Characteristic Chemical Shifts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氘代丙酮溶劑的選擇原那么：溶解性譜峰的分辨率留意留意: :氘代試劑不能污染氘代試劑不能污

17、染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：0.5-0.6ml，高度不低于3-3.5 cm混合物：30-50 mg 左右，不超越60mg低于低于20 mg20 mg氫譜測試的參數(shù)累加采樣次數(shù)：4的倍數(shù)核磁序列:普通32次足夠600MHz定標(biāo)試劑TMS：脂溶性：脂溶性TMSP (TSP):水溶性水溶性溶劑峰和雜質(zhì)的判別氯仿：單峰，7.26甲醇：五重峰，3.30重水：寬單峰，4.80吡啶：3個單峰，7.22, 7.58， 8.74DMSO：五重峰，2.50 單體中的雜質(zhì)：積分面積不

18、成比例的峰單體中的雜質(zhì)：積分面積不成比例的峰A Modern NMR InstrumentRadio WaveTransceiverNMR MagnetMagnet LegsProbeSample BoreCryogensMagnet CoilNMR Magnet Cross-SectionAn NMR Probe NMR Sample & Probe Coil常見中藥化學(xué)成分的氫譜特征脂肪酸香豆素黃酮類甾體類三萜皂苷類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

19、1H 的的 1/6700計算機的問世及譜儀的不斷改良，計算機的問世及譜儀的不斷改良， 可得很好的碳譜可得很好的碳譜在有機物中，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(guān)的構(gòu)造信息譜中得到有關(guān)的構(gòu)造信息C H C H 有機化合物的骨架元素有機化合物的骨架元素13C 譜譜化學(xué)位移范圍大化學(xué)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

20、.1%， 不用思索不用思索 13C 與與 13C 之間的耦合，之間的耦合， 只需思索同只需思索同 1H 的耦合。的耦合。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(shù)和電子的百分數(shù)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=249Hz13C NMR13C NMR化學(xué)位移化學(xué)位移化學(xué)位移化學(xué)位移 1) TMS為參考規(guī)范，為參考規(guī)范，c=0 ppm 2) 以各種溶劑的溶劑峰作為參數(shù)