南开大学-实用核磁技术lecture 1---introduction.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Welcome to Nankai,实用核磁技术,2008.9,王志宏,元素所合成楼,407,zhihongwang,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,),Bruker Topspin,基本操作,Varian VNMR,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.,Organic Structure from Spectra,，,L.D.Field,S.Sternhell,J.R.Kalman,John Wiley&Sons,Ltd,2002,核磁书籍推荐,3.,Spectrometric Identification of Organic Compounds by Robert M.Silverstein;Francis X.Webster and David J.Kiemle,4.,Modern NMR Spectroscopy:A Guide for Chemists by Jeremy K.M.Sanders and Brian K.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,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,1,H-NMR,谱,1951,年：卢福春和,W.G.Proctor,博士发现了,含氮化合物的,14,N-NMR,信号,核磁技术发展简史,50年代：40,MHz,核磁共振仪,1958年开始推广 60,MHz,核磁共振仪,60年代：超导核磁共振研制成功,100MHz,核磁共振仪,220,MHz,核磁共振仪,250,MHz,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,400,MHz,核磁共振仪,500,MHz,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,：,600,MHz,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(nuclear magnetic resonance),1952,Felix Bloch,1952,Edward,Purcell,for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements.,.,and discoveries in connection therewith,1991,Richard Ernst,for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance(NMR)spectroscopy.,for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution,2002,Kurt W,thrich,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,CH3,1H-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,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=+,或,-,。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=+,),排列的核，其能量最低。,核磁基本工作原理,B,0,m=+,m=-,核磁基本工作原理,无磁场作用,Bo,在外加磁场作用下,H,o,0,a,b,Bo,anti-parallel,parallel,自旋产生核磁矩,核磁基本工作原理,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=h=h c/,l,UV 400nm,7.5 x 10,14,Hz,300 kJ/mol,IR 3000 cm,-1,9 x 10,13,Hz,36 kJ/mol,NMR 400 MHz,4 x10,8,Hz,0.16 J/mol,旋磁比，,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。,a,b,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。,g,1,H=26,753 10,7,T,-1,s,-1,g,13,C=6,728 10,7,T,-1,s,-1,400MHz,：,1,H 400MHz,13,C 100.56MHz,15,N 40.52MHz,31,P 161.92MHz,核磁基本工作原理,磁矩在不同能级上的分布,Boltzmann Statistics:,E=-,g,h,B,m,I,B,0,=1.4T,n=60 MH,z,N,a,=1.0000006N,b,B,0,=21.1T,n=900 MH,z,N,a,=1.000145N,b,B,0,=9.5T,n=400 MH,z,N,a,=1.000064N,b,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(,Parts Per Million-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,NMR 400 MHz,4 x10,8,Hz,0.16 J/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,P,P=I(I+1),=h/2,，,h,planck,常数,I,为角动量量子数，简称核自旋，,I=0,，,，,2,/,3,，,2,P,与之相对应的磁矩,，有如下关系式：,=P,是比例常数，称磁旋比,=,I(I+1),I=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,15,N,，,29,Si,，,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,0,12,C,，,16,O,，,32,S,奇数 奇数,1,，,2,，,3,2,H,，,14,N,，,10,B,偶数 奇数,1/2,，,3/2,，,5/2,13,C,，,17,O,奇数 偶数,1/2,，,3/2,，,5/2,1,H,，,19,F,，,31,P,，,11,B,，,35,Cl,，,127,I,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,m,，,才可能通过核磁进行观察和研究。,共振原子核,常见核磁的共振频率,Larmor,进动,(precession),经典表示法，核偶极子绕轴（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）,L,正比与静磁场强度,B,0,。,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=,的质子，角度是,54,。,44,。,宏观磁化强度,(Magnetization),从经典图象出发，,I=,，,如,1,H,，,13,C,，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,M,0,。,在脉冲,NMR,实验中，,M,0,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。,NMR 400 MHz,4 x10,8,Hz,0.16 J/mol,B,0,=9.5T,n=400 MH,z,N,a,=1.000064N,b,脉冲和检测,在,X,方向有一组线圈，以频率为,1,的振荡电流产生一磁场,B,1,，当,M,受到一个磁场,B,1,的激发时，,M,会偏向,X,Y,平面,B,0,产生一个作用于,M,的力矩，使,M,以,Bo,的频率绕,Z,轴产生进动,在与,B,0,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,Rotating Frame,设定新的坐标系并把,B,1,的方向设为,x,轴，,x,轴和,y,轴围绕,z,轴以频率,Bo,旋转。,1,0,Bo,，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。,z,y,M,xy,x,B,o,z,y,M,xy,x,w,o,Laboratory Frame,Rotating Frame,z,y,M,xy,x,z,y,x,M,o,p,/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。,FID(Free Induction Decay)and Fourier transformation,S,(,w,)=,S,(,t,),e,-i,w,t,d,t,S,(,t,)=,1,/,2,p,S,(,w,),e,i,w,t,d,t,-,-,FID,，,free induction decay,free of the influence of the radio frequency field,induced in the coil,and decaying back to equilibrium.,FID(Free Induction Decay)and Fourier transformation,90,x,RF pulse,t,1,1,=,H,0,2,=,H,0,f,Fourier,Transform,+,2,t,A,