1、核磁共振原理及其在生物学中的应用,第三章 自旋裂分 3.1 3.3,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,自旋裂分,基本原理 核磁共振波谱解析 耦合常数和生物大分子构象,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,CH3CH2OH质子谱的精细结构,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,精细结构起源于自旋自旋相互作用,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,自旋自旋相互作用,偶极偶极相互作用：两个核磁矩间的直接相互作用对液体谱的精细结构无贡献,费米接触作用：两个核磁矩通过共价键传递的相互作用是形成液体谱精细结构的原因,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,Dirac向量模型,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,按照Dirac向量模型的分析可知，1J
2、、3J、5J，即通过奇数个键耦合的核之间的耦合常数具有正号，而2J、4J、6J，即通过偶数个键耦合的核之间的耦合常数具有负号。这个结论一般是符合事实的， 但有例外随着化学键数目的增加，J耦合常数迅速减弱,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,自旋耦合造成的能级和谱线分裂,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,在简单谱中谱线的位置与JAX的符号无关。在复杂的波谱中，则耦合常数的符号会很大程度地影响谱线的相对位置。,标量耦合常数的典型范围,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,1J 1H,13C coupling constants,影响耦合常数的因素,A、B两核之间的耦合常数与其旋磁比的乘积成正比,核磁共振基本原理 4
3、讲吴季辉,自旋裂分,基本原理 核磁共振波谱解析 耦合常数和生物大分子构象,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振波谱解析-1,分子的对称性对称性的存在可以简化核磁图谱，因此分子结构对称性的分析对于核磁图谱的分析很有用，特别是有机小分子,对称面 对称轴Cn对称中心i 更迭对称轴Sn,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,对称面 ,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,对称轴Cn,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,对称中心i,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,更迭对称轴Sn,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振波谱解析-2,核的等价性质:化学位移等价 磁等价,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,化学位移等价,化学位移等价核：
4、两个或多个核有严格相同的化学位移 在分子中，如果通过对称操作或分子内快速运动，使得一些核可以互换，则这些核是化学位移等价核等位的质子：通过对称轴旋转而互换的质子。在任何环境中都是化学位移等价的 对映异位的质子：没有对称轴，但与其他对称因素相关的质子。在非手性溶剂中是化学位移等价的非对映异位的质子：不能通过对称操作进行互换的质子。化学位移不等价,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,等位的质子,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,对映异位的质子,等位的质子 对映异位的质子,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,非对映异位的质子,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,磁等价,化学位移等价的核，若它们对其他任何一个原子核都以相同
5、的大小耦合，则这些化学位移等价的核被称为彼此磁等价的核 磁等价（磁全同）核内部的J偶合对核磁谱无影响，并不表现出来,磁等价的质子 非磁等价的质子,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,快速机制,在分析核的等价性时，分子的内部运动(即快速机制)必须考虑。如果分子的内部运动相对于核磁共振时间标度是快的(约大于1000秒-1 ), 则分子中本来不是等价的核将表现为等价；如果这个过程是慢的(约小于1秒-1)，则不等价性就会表现出来,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振波谱解析-3,核自旋系统:分子中通过自旋耦合的所有核构成一个自旋系统。在一个自旋系统内，并不要求某一核和自旋系统内的其他所有核都发生耦合,如果
6、两核之间相隔四个或四个以上的单键，耦合常数就基本上等于零，除非是强的共轭体系,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,自旋系统的表示,分子中化学位移等价的核构成一个核组在一个自旋系统内，若一些核组化学位移近似，即它们之间的化学位移差小于或近似于它们之间的耦合常数J (/J1/2，由于其电四极弛豫非常快，最终表现类似于I=0的核，但对于2H和14N核，由于其电四极相互作用较小，因而其电四极弛豫比Cl、Br、I等核的慢，表现出对质子或13C的耦合,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振波谱解析-4,弱耦合：两个核的化学位移差远大于耦合常数J时 (一般认为/J10即可)，此时形成的波谱很简单，称为一级分裂波谱
7、；反之称为强偶合，形成的波谱称为高级分裂谱,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,一级分裂波谱产生的规则,一个核A的共振峰在另一个核X（自旋量子数为I）作用下分裂成位置对称的2I+1个峰，强度（积分）一样，间距为两个核的偶合常数；若还有核与A作用，则刚才形成的每个峰均作类似的分裂，合并同一位置的峰（强度相应增强）；以此类推,I=,I=1,m=- m= ,m=-1 m=1 m=0,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,一级分裂波谱,(n+1)规律,对于AnX体系，X核谱线的分裂服从(n+1)规律，其中n为邻近基团的核子数 (即A核的个数) ，此处A核的自旋I1/2 ；谱线强度之比服从二项式系数规则(宝塔规则),
8、核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,乙醇CH3CH2OH的13C-NMR谱,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,对于AnX体系，如果A核的核自旋I不等于1/2，那么X核共振峰的分裂服从(2nI+1)规则，即将X核共振峰分裂为(2nI+1)条谱线。如果I=1，其强度服从下述宝塔规则,氢谱？,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振波谱解析-5,高级分裂谱:当 /J10时核与核之间的耦合较强，称为强耦合。此时峰的数目，位置及强度分布与一级分裂波谱均不同，需要量子力学的计算,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,AB系统的谱型,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,模拟
9、计算的一些例子,核磁共振波谱计算简介吴季辉,核磁共振波谱计算简介吴季辉,核磁共振波谱计算简介吴季辉,核磁共振波谱计算简介吴季辉,核磁共振波谱计算简介吴季辉,核磁共振波谱计算简介吴季辉,核磁共振波谱解析-6,核磁共振波谱解析举例,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,耦合常数和生物大分子构象,耦合常数的分类 多肽构象,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,耦合常数的分类,同核耦合常数 异核耦合常数,近程耦合常数 远程耦合常数,单键耦合常数1J 同碳耦合常数2J 邻位耦合常数3J,自旋耦合的传递过程中，两端的核一定要具有核自旋，但中间的核却不一定,核磁共
10、振基本原理 4讲吴季辉,多肽构象,多肽是由多个氨基酸组成的，氨基酸之间通过肽键（酰胺键）连接，肽键具有部分双键性质，不能自由旋转,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,多肽主链的二面角,A-B-C-D定义二面角，C-D相对A-B顺时针转为正，逆时针转为负，重叠为零,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,邻位耦合常数J 和二面角 Karplus关系,3JAcos2+Bcos+Csin2,核磁共振基本原理 4讲吴季辉, 角和 角的关系,L氨基酸 ：=-60,核磁共振基本原理 4讲吴季辉, 角和 角的关系,D氨基酸 ：=+60,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,因此每一个 角对应于2个 角，而对于大多数3JH-N-C-
11、H，每一个耦合常数3JH-N-C-H又对应于二个 值, 因此有四个可能的 角对应于观察到的3JH-N-C-H值 Karplus-Bystov关系式和构象能的计算相结合，或简单地和构象能图相结合可以帮助正确选择可能的二面角,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,对L-氨基酸来说： 右手螺旋 3JH-N-C-H3.9Hz (-57) 310螺旋 3JH-N-C-H4.2Hz (-60) 反平行折叠 3JH-N-C-H8.9Hz (-139) 平行折叠 3JH-N-C-H9.7Hz (-119),核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,RDC（Residual Dipolar Coupling）,偶极偶极相互作用与空间取向有关，在液体中平均为零稀液晶体系（定向介质）中大分子运动受限，RDC不为零,核磁共振基本原理 4讲吴季辉,
