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核磁共振波谱NMR,你想知道的都在这里

发布时间:2023-11-17 11:19:50人气:23

  

什么是核磁共振波谱  

频率为兆赫数量级(波长约1-1000m)的电磁波能与处在强磁场中的磁性原子核作用,引起原子核能级的共振跃迁。几率原子核对射频区电磁波的吸收,就得到核磁共振谱(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)。目前NMR广泛应用于物理学、化学、生物、药学、医学、农业、环境、矿业、材料学等学科,是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一,同时也可以采用内标法等进行定量分析。  

先后有3次诺贝尔物理奖、两次诺贝尔化学奖和一次诺贝尔医学奖授予在核磁共振领域开展创造性工作的科学家。核磁共振谱也是有机化学家们心目中的“四大名谱”之一(另外三种:紫外光谱、红外光谱和质谱)。  

核磁共振波谱的原理  

所有的原子核都带电荷,自旋量子数I不等于0的原子核还可以绕核轴自旋,核电荷旋转产生一个沿核自旋轴方向的小磁场。当该核处于一个外磁场B0的环境中时,可以以两种方式排列,当自旋产生的小磁场与外磁场B0的方向相同时,能量较低,称为m=+1/2取向;反之,当自旋产生的小磁场与外磁场B0的方向相反时,能量较高,称为m=-1/2取向。两种取向的能量差为:γhB0/2π。  

其中:h为普朗克常数,B0为外磁场强度,γ为磁旋比;当外界提供的辐射能量与核能级差相等时,就发生能级跃迁而产生核磁共振信号。用一定频率的电磁波对样品进行照射,可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁,在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度,就得到核磁共振谱。  

核磁共振谱.png

常用的核磁共振波谱种类  

一维核磁图谱如H谱、C谱是应用量广泛的核磁共振谱,较常用的还有F、P、N等核磁共振谱。  

DEPT谱(DistortionlessEnhancementbyPolarizationTransfer),又称为无畸变极化转移技术,是一种碳谱核磁共振谱中的一种检测技术,主要用于区分碳谱图中的伯碳、仲碳、叔碳和季碳。  

DEPT45谱:所有的次甲基、亚甲基、甲基的峰都向上;  

DEPT90谱:只能看到次甲基向上的峰;  

DEPT135谱:甲基,次甲基的峰向上,亚甲基为倒峰。  

二维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。  

常见的二维谱有如下几种:  

H-HCOSY(H-Hcorrelationspectroscopy):氢氢相关谱是同一个偶合体系中质子之间的偶合相关谱,相互偶合的氢核给出交叉峰。  

NOESY(NuclearOverhausereffectspectroscopy):在核磁共振中,两个(组)不同类型的质子若空间距离较接近,照射其中一个(组)质子会使另一个(组)质子的信号强度增强。这种现象称为核Overhauser效应,简称NOE。可据此确定分子中某些基团的空间相对位置、立体构型及优势构象,对研究分子的立体化学结构具有重要的意义。  

HMQC(HeteronuclearMultipleQuantumCorrelation,异核多量子相关):隶属于NMR(核磁共振)C-HCOSY谱图中的一种,HMQC给出的信息是直接相连的碳氢关系1JC-H,而不能解决碳与季碳相连的问题,或隔碳相连的问题。  

HSQC(heteronuclearsingularquantumcorrelation,异核单量子关系):隶属于NMR(核磁共振)C-HCOSY谱图中的一种,HSQC给出的信息与HMQC一样,都是直接相连的碳氢关系1JC-H,而不能解决碳与季碳相连的问题,或隔碳相连的问题。HMQC和HSQC,这两种图谱的作用与相当,二者相比HSQC优点更多一些,现在文献用HSQC较多。  

HMBC(HeteronuclearMultipleBondCorrelation,异核多键相关):为1H的异核多碳相关谱,将1H核和远程耦合的13C核关联起来。也叫C-H远程相关谱,通常2~3个键的质子与碳的耦合信息较多2JC-H,3JC-H。  

有机化合物结构鉴定  

核磁共振是有机化合物结构鉴定的一个重要手段,也是最为常用的方法之一。一般根据化学位移鉴定基团;由偶合分裂峰数、偶合常数推测取代位置、结构异构、立体异构等二级结构信息;根据各H峰积分面积定出各基团质子比。  

根据碳谱确定与碳偶合的氢数;最后由各碳的化学位移,确定碳的归属。H谱不能测定不含氢的官能团,而有些物质的氢化学环境相似,而无法区别;碳谱它能给出各种含碳官能团和碳骨架信息。  

但是碳谱的积分常不与碳数成正比,而氢谱峰面积的积分与氢数成正比,因此二者可互为补充。对于未知化合物以及空间结构不是很明确的情况下,为了进一步判定其结构,可以利用多种二维谱进行确认。在结合质谱、红外、元素分析等信息即可对有机化合物的结构进行鉴定  

化合物定量分析  

在同一的条件下,氢谱峰面积的积分与氢数成正比。因此可以利用该关系对物质进行定量。  

一是通过比较两种或几种官能团特征信号的峰面积来确定不同官能团的含量和比例,如取代度的测定;二是可以利用结构、含量均已知的化合物为标准,采用与高效液相色谱相似的内标法、外标法等,计算待测组分的含量。  

机理研究  

核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究,如分子内旋转,化学交换等。通过原位核磁对体系进行跟踪,核磁共振还用于各种反应机理的研究。例如在有机合成领域,跟踪反应体系,研究中间体的形成、消失及前后结构变化,探索反应机理。在新材料领域,研究材料的老化、降解以及稳定机制。在新能源领域,研究各组分的相互作用,探索化学结构与光、电、磁等物理性能之间的关系,为各种器件性能的提升提供理论依据。在生命科学中,核磁共振可以研究蛋白质的三维结构、蛋白质与配体的相互作用进行疾病的诊断和发病机制的探究。



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