現(xiàn)代核磁技術(shù)在有機(jī)化學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

1、現(xiàn)代核磁技術(shù) 在有機(jī)化學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用 核磁共振方法以其技術(shù)手段多樣化、提供信息豐富, 對(duì)樣品無破壞性等受關(guān)注。自1946年美國(guó)斯坦福大學(xué)(F.Block)和哈佛大學(xué)(E.M.Purcell)各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象以來，其理論和技術(shù)得到迅速發(fā)展，并且很快從物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學(xué)科的科研、生產(chǎn)教學(xué)活動(dòng)中。如今，核磁共振已形成為一門具有完整理論和多方向（液體、固體、生物、成像）的新學(xué)科。I. 引言1940s 核磁共振的起步階段核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、物理研究、理論成熟1950s 1965 核磁共振的早期應(yīng)用連續(xù)波核磁（CWNMR ）(1H、13C、19F和31P)1965

2、 1970s 核磁共振的發(fā)展期由于計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展和化學(xué)、生物學(xué)等的 需要，脈沖核磁(PFT-NMR)開始占有主導(dǎo)地位 1971 進(jìn)入核磁共振的成熟期2D NMR 出現(xiàn)(Jeener), （諾貝爾獎(jiǎng):Ernst 1991、Wthrich 2002、Gadian 2003)核磁共振與諾貝爾獎(jiǎng) 1944年 1952年 1952年 1955年 1955年 1964年 1966年 1977年 J.H.Van Vleck 1981年 1983年 1989年 1991年 2002年 K. Wthrich 2003年GadianyearFrequency(MHz)S/Na1961606196510

3、030196922080197830030019783608001985(1989)50036001988(1996)6006000199475090001995500b300001996(2002)200080090030000核磁共振物理學(xué)多學(xué)科的共同努力創(chuàng)造了核磁共振的今天材料科學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)化學(xué)生物學(xué)醫(yī)學(xué)藥學(xué)環(huán)境食品法學(xué)體育II.核磁共振的主要特點(diǎn)高分辨率、多參數(shù)性、方法多、信息豐富低靈敏度 3106 3108 31010 31012 31014 31016 (Hz)NMR Microwave Infrared Ultraviolet 高分辨率多參數(shù)性 方法的多樣性 1H 13C 13C

4、: DEPT135o ( CH CH3 , CH2 ) 13C: DEPT90o ( CH ) 1H 1H: COSY (化學(xué)鍵上相鄰氫原子的識(shí)別) 1H 1H: TOCSY (結(jié)構(gòu)片斷的識(shí)別) 1H 1H: NOESY (空間上相近的氫原子的識(shí)別) 1H 13C: (HSQC, HMQC) (碳?xì)渲苯酉嚓P(guān)（碳?xì)湓又苯酉噙B）) 1H 13C: HMBC (碳?xì)溥h(yuǎn)程相關(guān)（碳?xì)湓佣⑷?、四鍵偶合）)常用的核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)信息豐富NMR的直接信息 化學(xué)位移（） 耦合常數(shù)（J） 信號(hào)強(qiáng)度（I） NOE效應(yīng)（） 馳豫時(shí)間（T1/T2）低靈敏度 = exp(- E/kT)(N N) / N 10

5、-6 NN最活躍的領(lǐng)域高分辨核磁 生物技術(shù)固體核磁 材料科學(xué)功能成像（FMRI） 認(rèn)知科學(xué)射頻磁場(chǎng)與置于靜磁場(chǎng)樣品的磁化矢量之間的相互作用III. 核磁共振的基本概念 0= -B0 (0 20 1 0)-B021= JJ: 原子核的角動(dòng)量: 磁矩o: 拉默爾頻率: 旋磁比o原子核I 1/2NMR形成的基本條件EB01H splitting13C splittingE靜磁場(chǎng)(B0) E = hB0/2NMR的形成 射頻磁場(chǎng)(B1) B1N/N= exp(- E/kT)FIDNMR的形成 0= -B0-B021= 0 20NMR的形成 1 0脈沖信號(hào)采集FID信號(hào)傅立葉變換譜圖核磁共振與原子發(fā)射的

6、實(shí)驗(yàn)過程比較測(cè)試技術(shù)檢測(cè)對(duì)象初始化條件激 發(fā)信 號(hào)AES原 子（金屬為主）原子化（原子化源）外層電子（激發(fā)源）電磁波NMR原子核（I0）磁能級(jí)裂分（靜磁場(chǎng)）低能態(tài)核子（射頻場(chǎng)）FIDNMR的直接信息 化學(xué)位移（） 耦合常數(shù)（J） 信號(hào)強(qiáng)度（I） NOE效應(yīng)（） 馳豫時(shí)間（T1/T2） 化學(xué)位移（）反映了在特定條件下檢測(cè)原子在分子中所處的化學(xué)環(huán)境 = 106(s - o)o* 取代基的電負(fù)性 * s-p 雜化特性* 環(huán)烷基的環(huán)電流效應(yīng)* 磁各向異性* 氫鍵* 溶劑特性21934587 耦合常數(shù)（J）自旋自旋耦合，可反映相鄰核的特征，可提供化合物分子內(nèi)相接和立體化學(xué)的信息nJHX表達(dá)方式：耦合原子

7、相隔鍵數(shù)耦合常數(shù)3JHH090180(Karplus公式)3J=A+Bcos+Ccos2(A=7 B=-1 C=5)CCHH 信號(hào)強(qiáng)度（I）NMR的直接信息可反映，化合物中原子個(gè)數(shù)之間的相對(duì)關(guān)系S = nexcdet2B02NsT-1T2Note: S/N Ns1/2 , Temperature Sensitivity , but T2 , S/N frequency WW +1/tpW -1/tpExcitation Profile NOE效應(yīng)（）偶極偶極耦合，常用來提高低磁旋比核的檢測(cè)靈敏度，可提供化合物內(nèi)原子之間的距離、空間結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等的信息Max = i/2 o r6 i(S

8、) 1c*0c 馳豫時(shí)間（ T1 /T2）自旋馳豫T2 ，晶格馳豫T1從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)所需的時(shí)間，可提供化合物分子大小和分子運(yùn)動(dòng)的信息T2et/T2Mz = 0T = T1*ln2Mz = 90%M0 t = 3T1Mz = 99%M0 t = 5T1Mz = (1 2e(-t/T1) M0T1IV、應(yīng)用舉例應(yīng)用范圍化學(xué)、物理、生物、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、礦業(yè)腦科學(xué)、量子計(jì)算機(jī)、納米材料、C60、軟物質(zhì)、超導(dǎo)材料基本化學(xué)結(jié)構(gòu)的確定、立體構(gòu)型和構(gòu)象的確定化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究、化學(xué)反應(yīng)速度測(cè)定化學(xué)、物理變化過程的跟蹤化學(xué)平衡的研究及平衡常數(shù)的測(cè)定溶液中分子的相互作用及分子運(yùn)動(dòng)的研究（氫鍵相互作用

9、、分子鏈的纏結(jié)、膠束的結(jié)構(gòu)等）混合物的快速成分分析（LC-NMR, DOSY)溶液高分辨核磁共振在化學(xué)中主要應(yīng)用應(yīng)用范圍應(yīng)用實(shí)例藥用小分子的核磁結(jié)構(gòu)解析利用質(zhì)譜獲得:其分子量分子式為: C17H17N3O樣品溶于甲醇-d41H 應(yīng)用實(shí)例1H譜提供的基本信息2個(gè)獨(dú)立存在的共軛烯烴質(zhì)子，1個(gè)鄰位取代的苯環(huán)結(jié)構(gòu)7個(gè)烷基質(zhì)子, 1氮甲基或甲氧基H2OCH3CD3OD7個(gè)質(zhì)子應(yīng)用實(shí)例13C應(yīng)用實(shí)例13C譜提供的基本信息1個(gè)羰基季碳5個(gè)共軛烯烴季碳6個(gè)叔碳低場(chǎng)區(qū)NCH3CHCH2高場(chǎng)區(qū)應(yīng)用實(shí)例abcdefhigjklmHMQC應(yīng)用實(shí)例HMQC譜提供的基本信息譜峰a/b; c/d; d/e分別對(duì)應(yīng)于3個(gè)亞甲

10、基上的質(zhì)子對(duì)；亞甲基上質(zhì)子磁不等價(jià)現(xiàn)象表明可能有剛性結(jié)構(gòu)存在應(yīng)用實(shí)例COSY2個(gè)相互獨(dú)立的自旋體系3個(gè)獨(dú)立存在的含質(zhì)子集團(tuán)應(yīng)用實(shí)例2個(gè)共軛結(jié)構(gòu)上的烯烴質(zhì)子COSY譜提供的基本信息應(yīng)用實(shí)例abcdefg？應(yīng)用實(shí)例HMBC應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例HMBC譜提供的基本信息脂肪集團(tuán)通過共軛烯烴與相接，可能形式為：氮甲基通過共軛烯烴與苯環(huán)相接，可能結(jié)構(gòu)為：羰基將上述兩部分連接，最終可能結(jié)構(gòu)為：應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例NOESY應(yīng)用實(shí)例NOESY譜提供的部分信息應(yīng)用實(shí)例17a17b16a16b10b10a971應(yīng)用實(shí)例NMR 其它應(yīng)用示例 擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)與分離交換譜與化學(xué)反應(yīng)H2O(OH)3(OH)4(OH)2H2O1

11、.33120.95250.2153(OH)33.44850.82580.2510(OH)42.22290.84260.0733(OH)20.49550.20320.0816異核譜與定量分析Al-13Al(III)AlO33-NOE實(shí)驗(yàn)與手性結(jié)構(gòu)的確定藥用先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)研究NMR實(shí)驗(yàn)與指紋識(shí)別碳譜與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)選擇性激發(fā)與量子計(jì)算V. NMR實(shí)驗(yàn)中與結(jié)構(gòu)解析相關(guān)的幾種現(xiàn)象1 Quadrupolar Nuclei Quaternary Carbon C2 C3 C5 C6Relative signal Hight (cm)0.791.271.560.90Relative half peak wid

12、th (Hz)6.53.72.86.2Wp 1/T22. Tautomeric ?3. intra-molecular hydrogen bonding 4. Water peakMO16 T=343KMO16 DMSO+H2OMO16 with water suppression5. NOE信號(hào)與分子大小6.濃度VI.與NMR實(shí)驗(yàn)相關(guān)的幾個(gè)問題In the experimental preparation, any problem, which is neglected, would be sources of the failure in the practice of NMR exper

13、iments.1.核磁試劑：氘代試劑特種核磁試劑參比試劑、弛豫試劑位移試劑、手性試劑a).氘代試劑(1)作用： 溶劑、鎖場(chǎng)、勻場(chǎng)、零點(diǎn)校正（內(nèi)參比試劑） DMSOCDCl325344352試劑對(duì)譜的影響（2) 物理、化學(xué)特性：溶解度 靈敏度、分辨率與峰形熔點(diǎn)與沸點(diǎn) 變溫實(shí)驗(yàn)氫的置換特性 影響活潑氫的觀測(cè)雜質(zhì) 順磁性物質(zhì)如分子氧粘度 峰形與馳豫參數(shù)的選擇核磁試劑可分為：粘性試劑：苯、氮氮二甲基酰胺、二甲亞砜、吡啶、甲苯和水非粘性試劑： 丙酮、硝基丙酮、氯仿、二氯甲烷和甲醇(3）核磁特性：試劑純度 指氘代率，市售試劑應(yīng) 在之間 殘存峰的位置 對(duì)13C譜影響很大，低濃度時(shí) 對(duì)1H譜的影響也不能忽視

14、位移特性 含芳香族基團(tuán)的溶劑（如苯、吡 啶）可使檢測(cè)物的化學(xué)位移發(fā)生 明顯變化含 水 量 特別注意某些試劑具有很強(qiáng)的 吸水性含水量對(duì)H2O b). 特殊核磁試劑（1) 參比試劑 作用：確定化學(xué)位移的參照點(diǎn) 最常見的有：四甲基硅烷、 六甲基二硅醚注：現(xiàn)代核磁共振譜儀都配有氘鎖場(chǎng)系統(tǒng)，就1H和13C譜而言參比試劑的意義已顯得不那么重要了。（2）位移試劑可改變檢測(cè)物中某些核子的化學(xué)位移最常用的是含有鑭系元素的化合物如：Er(TEC)3Pr(TEC)3（3）弛豫試劑用來改變馳豫參量，加快弛豫速度有機(jī)溶劑中常用：乙酰丙酮鉻 （Cr(III)acetylacetonate）水溶液中常用氯化錳 （MnCl2）（3）手性試劑化合物的手性結(jié)構(gòu)判別手性鑭系位移試劑 （CLSR）手性溶劑（CSA）手性衍生試劑（CDA）注：以上試劑使用時(shí)，應(yīng)對(duì)加入量進(jìn)行嚴(yán)格控制的樣品制備NMR tubeclean, no scratchSample Volume testable 0.4ml Sample Handlefree from suspended dust and fibersfree from the contamination in handle dilute aqueous solution3. NMR的譜圖處理傅立葉變換基本原理與參數(shù)選擇 Window functi