生物核磁共振波谱学
NMR in Biological Science
3,NMR Spectroscopy
THNMR
YAN
3.1 Chemical Shift
When an atom is placed in a magnetic field,
its electrons circulate about the direction
of the applied magnetic field,This
circulation causes a small magnetic field
at the nucleus which opposes the
externally applied field,
The magnetic field at the nucleus (the
effective field) is therefore generally less
than the applied field by a fraction,
B = Bo (1-s)
THNMR
YAN
the methanol molecule
THNMR
YAN
In some cases,such as the benzene
molecule,the circulation of the
electrons in the aromatic orbitals
creates a magnetic field at the
hydrogen nuclei which enhances
the Bo field,This phenomenon is
called deshielding,In this
example,the Bo field is applied
perpendicular to the plane of the
molecule,The ring current is
traveling clockwise if you look
down at the plane,
the benzene molecule
THNMR
YAN
屏蔽常数 s和所处的化学环境有关
s = sd + sp + sa + ss
sd, 抗磁屏蔽，与核外 s电子有关
sp, 顺磁屏蔽，与核外 p,d电子有关
sa, 相邻基团各向异性的影响
ss, 溶剂、介质的影响
THNMR
YAN
? The electron density around each nucleus in a
molecule varies according to the types of nuclei
and bonds in the molecule,The opposing field and
therefore the effective field at each nucleus will vary,
This is called the chemical shift phenomenon,
? The chemical shift of a nucleus is the difference between
the resonance frequency of the nucleus and a standard,
relative to the standard,This quantity is reported in ppm
（ parts per million) and given the symbol delta,
memo,d = (n -nREF) x106/ nREF
? Standard,TMS,DSS,etc
THNMR
YAN
solvent dependence
THNMR
YAN
ethanol in CDCL3
ethanol in H2O
THNMR
YAN
3.2 Spin-Spin Coupling
? Nuclei which are close to one another exert an
influence on each other's effective magnetic field.
? This effect shows up in the NMR spectrum when
the nuclei are nonequivalent.
? If the distance between non-equivalent nuclei is
less than or equal to three bond lengths,this
effect is easy-observable,
? This effect is called spin-spin coupling or J
coupling,
THNMR
YAN
THNMR
YAN
THNMR
YAN
THNMR
YAN
2nI+1规律
对于 ABn 体系，与 A耦合的 n个 B核有 2nI+1 种“分布”情况，
因此使得 A核的谱线分裂成 2nI+1 条。
如果 I = 1/2,则 2nI+1 = n+1,称为 n+1规律。
每种分布出现的几率由二项式展开系数值来描述：
Configuration Peak Ratios
A 1
AB 1:1
AB2 1:2:1
AB3 1:3:3:1
AB4 1:4:6:4:1
AB5 1:5:10:10:5:1
AB6 1:6:15:20:15:6:1
THNMR
YAN
N C
H
C
H
C OH H
THNMR
YAN
THNMR
YAN
耦合常数
? 自旋 -自旋耦合引起谱峰分裂，裂距大小反映了耦合作用
的强弱，即核磁矩之间相互作用能的大小，称为耦合常
数（ coupling constant) J
? 偶合常数 J（ 单位 Hz） 与分子特定的结构有关，即与两
个核在分子中相隔化学键的数目、键的性质、偶合核的
二面角有关。
? J的数值与仪器的工作频率无关。
? J随着化学键数目的增加而迅速下降
? J的大小与两个核在分子中相隔的化学键数目密切相关，
分别称为 1J,2J,3J…
? 同核中存在自旋耦合，异核中也存在自旋耦合THNMR
YAN
经 Paudi 修正的 3JHN?与 ?相关的 Karplus公式为,
3JHN?=6.4COS2(?-60?)-1.4COS(?-60?)+1.9
其中 3JHN?为 NH与 ?H之间的偶合常数 。 根据上述
公式得到的 ?角约束在蛋白质的 NMR结构计算中是
很重要的约束条件 。 同时, 蛋白质的各种二级结
构都有其特征的 ?角和 3JHN?大小 。 因此, 3JHN?值
还可以帮助进行二级结构的分析 。
二面角 ?与偶合常数 3JHH’ 的关系
THNMR
YAN
二面角 ?与偶合常数 3JHH’ 的关系
THNMR
YAN
NMR的主要特性参数
? 化学位移 —— 区分不同的集团
? 自旋偶合常数 —— 联系相互耦合的核
? 信号强度 (积分面积 ) —— 定量计算
? 纵向弛豫时间 (T1),横向弛豫时间 (T2) —— 包含有
关内部运动的信息
? 偶极 -偶极相互作用 (dipolar-dipolar
interaction) —— NOE效应，确定空间相互接近的
核THNMRYAN
NMR in Biological Science
3,NMR Spectroscopy
THNMR
YAN
3.1 Chemical Shift
When an atom is placed in a magnetic field,
its electrons circulate about the direction
of the applied magnetic field,This
circulation causes a small magnetic field
at the nucleus which opposes the
externally applied field,
The magnetic field at the nucleus (the
effective field) is therefore generally less
than the applied field by a fraction,
B = Bo (1-s)
THNMR
YAN
the methanol molecule
THNMR
YAN
In some cases,such as the benzene
molecule,the circulation of the
electrons in the aromatic orbitals
creates a magnetic field at the
hydrogen nuclei which enhances
the Bo field,This phenomenon is
called deshielding,In this
example,the Bo field is applied
perpendicular to the plane of the
molecule,The ring current is
traveling clockwise if you look
down at the plane,
the benzene molecule
THNMR
YAN
屏蔽常数 s和所处的化学环境有关
s = sd + sp + sa + ss
sd, 抗磁屏蔽，与核外 s电子有关
sp, 顺磁屏蔽，与核外 p,d电子有关
sa, 相邻基团各向异性的影响
ss, 溶剂、介质的影响
THNMR
YAN
? The electron density around each nucleus in a
molecule varies according to the types of nuclei
and bonds in the molecule,The opposing field and
therefore the effective field at each nucleus will vary,
This is called the chemical shift phenomenon,
? The chemical shift of a nucleus is the difference between
the resonance frequency of the nucleus and a standard,
relative to the standard,This quantity is reported in ppm
（ parts per million) and given the symbol delta,
memo,d = (n -nREF) x106/ nREF
? Standard,TMS,DSS,etc
THNMR
YAN
solvent dependence
THNMR
YAN
ethanol in CDCL3
ethanol in H2O
THNMR
YAN
3.2 Spin-Spin Coupling
? Nuclei which are close to one another exert an
influence on each other's effective magnetic field.
? This effect shows up in the NMR spectrum when
the nuclei are nonequivalent.
? If the distance between non-equivalent nuclei is
less than or equal to three bond lengths,this
effect is easy-observable,
? This effect is called spin-spin coupling or J
coupling,
THNMR
YAN
THNMR
YAN
THNMR
YAN
THNMR
YAN
2nI+1规律
对于 ABn 体系，与 A耦合的 n个 B核有 2nI+1 种“分布”情况，
因此使得 A核的谱线分裂成 2nI+1 条。
如果 I = 1/2,则 2nI+1 = n+1,称为 n+1规律。
每种分布出现的几率由二项式展开系数值来描述：
Configuration Peak Ratios
A 1
AB 1:1
AB2 1:2:1
AB3 1:3:3:1
AB4 1:4:6:4:1
AB5 1:5:10:10:5:1
AB6 1:6:15:20:15:6:1
THNMR
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N C
H
C
H
C OH H
THNMR
YAN
THNMR
YAN
耦合常数
? 自旋 -自旋耦合引起谱峰分裂，裂距大小反映了耦合作用
的强弱，即核磁矩之间相互作用能的大小，称为耦合常
数（ coupling constant) J
? 偶合常数 J（ 单位 Hz） 与分子特定的结构有关，即与两
个核在分子中相隔化学键的数目、键的性质、偶合核的
二面角有关。
? J的数值与仪器的工作频率无关。
? J随着化学键数目的增加而迅速下降
? J的大小与两个核在分子中相隔的化学键数目密切相关，
分别称为 1J,2J,3J…
? 同核中存在自旋耦合，异核中也存在自旋耦合THNMR
YAN
经 Paudi 修正的 3JHN?与 ?相关的 Karplus公式为,
3JHN?=6.4COS2(?-60?)-1.4COS(?-60?)+1.9
其中 3JHN?为 NH与 ?H之间的偶合常数 。 根据上述
公式得到的 ?角约束在蛋白质的 NMR结构计算中是
很重要的约束条件 。 同时, 蛋白质的各种二级结
构都有其特征的 ?角和 3JHN?大小 。 因此, 3JHN?值
还可以帮助进行二级结构的分析 。
二面角 ?与偶合常数 3JHH’ 的关系
THNMR
YAN
二面角 ?与偶合常数 3JHH’ 的关系
THNMR
YAN
NMR的主要特性参数
? 化学位移 —— 区分不同的集团
? 自旋偶合常数 —— 联系相互耦合的核
? 信号强度 (积分面积 ) —— 定量计算
? 纵向弛豫时间 (T1),横向弛豫时间 (T2) —— 包含有
关内部运动的信息
? 偶极 -偶极相互作用 (dipolar-dipolar
interaction) —— NOE效应，确定空间相互接近的
核THNMRYAN
