NMR化学位移的计算

在化学、生物、材料等学科中,尽管NMR已广为应用,并取得了很大的效益,但作为它的主要参数之一——化学位移却大都由实验测得.其理论计算只是少数理论化学家的事.随着计算机硬、软件技术的飞速发展,实验中发现某些新的信息,往往理论上也伴随着一些计算的结果.实验与理论的差距已越来越小.NMR化学位移的计算软件及方法也越来越多.     

羰基13C NMR化学位移的计算

根据核外电子云球对称效应原理,建立化学位移统一计算公式,计算了醛、酮、酰氯、羧酸和酯中羰基的¹³C NMR化学位移,在一定程度上说明了影响¹³C NMR化学位移的主要结构因素,并对一些反常现象作出了直观合理的解释。     

高分子材料与固体NMR

凝聚态NMR是高分子材料研究中最重要的一项技术,它给出分子水平的信息来解释高分子构象、形态、分子运动与物性的关系。本文简单介绍了在不同领域的高分子固体NMR研究中取得的成果及今后的展望。     

先进固体NMR技术研究高分子结构与动力学

随着固体NMR理论和谱仪硬件技术的不断发展,近年来固体NMR技术在高分子多尺度结构与动力学研究领域中正发挥着越来越重要的作用. 多脉冲及高速魔角旋转（MAS）等质子高分辨技术的发展使得高灵敏度的¹H谱可有效地用于高分子化学结构与链间相互作用的检测;基于化学键（J-耦合）相关和通过空间（偶极耦合）相互作用的各种二维异核相关谱NMR新技术,使得复杂高分子的链结构得以严格解析. 基于MAS下同核和异核偶极-偶极相互作用、化学位移各向异性等各向异性相互作用重聚的系列新技术,使得研究者可在采用高分辨¹H或¹³C 检测信号的同时检测准静态下的各向异性相互作用,进而获得与之密切相关的结构和动力学信息. 通过质子偶极滤波技术可有效检测多相聚合物中的界面相与相区尺寸、高分子共混物中的相容性等问题. 在动力学的研究中,通过质子间自旋扩散的有效压制技术和化学位移各向异性的重聚,目前已经可以有效地获取链段上单个化学键的快速局域运动以及链段的超慢分子运动. 上述丰富的多尺度NMR技术可以使研究者在不同空间和时间尺度上对高分子聚合物的微观结构、相分离和动力学行为等进行详细的研究,进而阐明高分子微观结构与宏观性能的关联. 该文以固体NMR中最主要的2类核（¹H和¹³C）的检测技术为主线,简单介绍近年来固体NMR领域的一些最新研究进展及其在高分子结构和动力学研究中的应用.     

生物活性有机磷化合物31P NMR化学位移的计算

利用统一计算公式,计算了106个各类开环有机磷化合物的化学位移值,与文献值比较吻合.结果表明:统一计算公式比以往各种化学位移计算方程具有更普遍的意义.核外电子云球对称效应是影响³¹P NMR化学位移的主要因素之一.     

氟苯类化合物19F NMR化学位移的计算

提出了计算氟苯类化合物¹⁹F NMR化学位移的公式：δ_cal（¹⁹F）=-113.5+Δo+Δm+Δp+C, 结合最小二乘法通过线性回归得到了20种取代基参数, 计算结果以160种氟苯类化合物的263个¹⁹F NMR化学位移数据为样本点作回归检验,置信度为99.5%,计算值与实验值的平均偏差为0.628,计算值与实验值的标准偏差为4.720,约有93.2%的¹⁹F NMR化学位移计算值的计算误差<7.0（相对误差<0.7%）.     

双环和多环化合物中双键^13C NMR化学位移计算

介绍了双环和多环化合物中双键＾１３Ｃ ＮＭＲ化学位移计算。     

药物小分子化学位移的量子化学计算研究

核磁共振的谱峰归属对分子结构的确定至关重要,用理论计算方法预测化学位移对谱峰的正确归属是极其有帮助的. 我们用量子化学的方法预测了乙酰水杨酸及其衍生物分子上碳原子的化学位移,并通过比较计算值和实验值得到不同理论计算方法的误差范围. 用HF和DFT理论计算芳环碳的化学位移时,CSGT方法比GIAO方法更为准确. 与其它方法相比,B3PW91//CSGT 在6-311G(d,p)基组下得到的芳环碳的化学位移最接近实验值. 采用B3LYP//GIAO计算时, 使用不同的基组 6-31G(d,p)和6-311++G(3df,3pd)得到的化学位移计算值只有δ 0.01~2.04的差异. MP2方法非常耗时,且对于计算精度的改善并不显著; 并且,由于电子相关性的影响,碳原子周围的电子环境对化学位移计算的准确性影响很大. 与实验值比较,HF方法由于忽略电子相关效应所以表现较差. 另外,碳链的增长对计算准确性也存在一定影响.      

使用低磁场NMR谱仪的一维异核化学位移相关实验

本文介绍在FX系列NMR谱仪上完成一维异核化学位移相关实验的方法。使用本文提出的"零强度法",即使在低磁场谱仪上,也能够通过测量几个¹³C谱以较高的精度确定出某些CH₂基团两质子的化学位移之差。     

核磁共振实验中氢核化学位移的相对测量

用简单核磁共振实验装置减少磁场飘移后测量水和三氟乙酸中氢核的核磁共振频率的差异，从中推算出它们的相对化学位移。     

质子化学位移各向异性的测量

测量质子化学位移各向异性（CSA）有助于表征分子结构与其动力学,但由于¹H-¹H同核偶极耦合相互作用很强及质子各向异性化学位移较小,测量质子化学位移各向异性仍具有巨大挑战,特别是对含有多种质子的生物大分子,如蛋白质.本文简要综述了测量质子化学位移各向异性的方法,包括同核去耦慢速魔角旋转方法、超快魔角旋转方法、对称重耦（RN_n^v）方法、xCSA方法以及量子化学计算方法.我们重点介绍了在高速魔角旋转条件下蛋白质氨基质子化学位移各向异性的测量及它们与氢键长度、蛋白质二级结构之间的关系.     

盐酸氯丙嗪1H NMR、 13C NMR谱的归属及结构表征

通过运用¹H-¹H COSY(¹H-¹H COrrelation SpectroscopY)、TOCSY(TOtal Correlation SpectroscopY)、HSQC(Heteronuclear Single Quantum Correlation)、HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation)、NOESY(Nuclear Overhauser Enhancement SpectroscopY)等多种二维核磁技术,对盐酸氯丙嗪（Chlorpromazine hydrochloride CPZ· HCl）在CDCl₃、CD₃COCD₃和D₂O三种溶剂中的¹H、¹³C NMR谱进行了准确归属（重点集中于谱峰重叠程度较高的芳香族区域）．实验表明：杂环上N与苯环存在部分共轭;在CDCl₃、CD₃COCD₃中,侧链卷曲至芳环上方处于屏蔽区,且侧链上N为较稳定的四面体构型;比较了CPZ· HCl在不同溶剂与浓度下的¹H NMR谱的变化,对文献中其核磁共振谱（特别是芳香区的谱峰）归属的争议作了解释．量子化学计算结果与实验结果相吻合．     

N Chemical Shift Tensor Magnitude and Orientation in the Molecular Frame of Uracil Determined via MAS NMR

The potential of heteronuclear MAS NMR spectroscopy for the characterization of ¹⁵N chemical shift (CS) tensors in multiply labeled systems has been illustrated, in one of the first studies of this type, by a measurement of the chemical shift tensor magnitude and orientation in the molecular frame for the two ¹⁵N sites of uracil. Employing polycrystalline samples of ¹⁵N₂ and 2-¹³C,¹⁵N₂-labeled uracil, we have measured, via ¹⁵N–¹³C REDOR and ¹⁵N–¹H dipolar-shift experiments, the polar and azimuthal angles (θ, ψ) of orientation of the ¹⁵N–¹³C and ¹⁵N–¹H dipolar vectors in the ¹⁵N CS tensor frame. The (θ_NC, ψ_NC) angles are determined to be (92 ± 10°, 100 ± 5°) and (132 ± 3°, 88 ± 10°) for the N1 and N3 sites, respectively. Similarly, (θ_NH, ψ_NH) are found to be (15 ± 5°, −80 ± 10°) and (15 ± 5°, 90 ± 10°) for the N1 and N3 sites, respectively. These results obtained based only on MAS NMR measurements have been compared with the data reported in the literature.     

液体核磁共振 HSQC 实验的量子化学计算与模拟

核磁共振（NMR）异核单量子相干（HSQC）实验因具有较高的灵敏度和分辨率而被广泛用于液体大分子化合物的结构鉴定和研究．然而由于HSQC脉冲的复杂性,需要严格控制实验参数和实验条件才能得到高质量的谱图．本文基于量子力学原理对HSQC实验进行数学建模,通过理论推导、数值计算求解自旋1/2的IS双核体系在每个脉冲节点作用后的密度矩阵,然后结合二维NMR信号采样方法,使用计算机程序完成了该体系HSQC谱图的模拟,同时,还实现了乙醇分子的HSQC谱图模拟． HSQC实验的成功模拟基于对复杂演化过程的精确计算,可用于预测谱图以及实验参数改变对NMR谱图的影响,指导高质量HSQC实验谱图的采集．     

蛋白质分子核磁共振谱峰的特性及其化学位移归属

尽可能完全、准确地归属蛋白质分子的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）谱峰,是解析可信赖、高质量的蛋白质三维空间溶液结构的首要条件．自动归属软件的开发和应用,已经方便并加快了蛋白质分子核磁共振谱峰的归属进程．然而,对蛋白质核磁共振研究领域的新手来说,因为缺乏对蛋白质分子的核磁共振谱峰特性的系统认识而可能发生对自动归属结果的错误指认或指认不完全,从而导致蛋白质结构解析的错误或偏差．该文针对蛋白质分子中的核磁共振谱峰特性,比如同位素效应和立体异构等,结合具体的蛋白质分子的核磁共振实验图谱,进行了较为详尽的论述,期望对从事蛋白质核磁共振的研究者在理解蛋白质分子的核磁共振谱峰特性及其归属方面有所裨益．     

Hydrogen Bond and 19F NMR Chemical Shift Akisotropy in Apatite

Abstract

The fluoroapatite minerals, Ca₅-F(PO₄)₃ usually contain some hydroxyis, instead of fluorine. From infrared spectra it was concluded, that there are weak hydrogen bonds OH … F along apatite hexagonal axis¹. In order to receive more detailed information about the character of F^?and OH^?bonds with the nearest atoms in apatites we studied the nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of protons and fluorines in natural apatite single crystal, in which approximately 15% of fluorines is substituted by hydroxyis.     

应用二维谱学技术归属泰妥拉唑的1H和13C NMR

应用DEPT（无畸变极化转移增强谱）、HMQC（异核多量子相干谱）、HMBC（异核多键相干谱）、¹H-¹H COSY（相关谱）、NOESY（核欧沃豪斯谱）和 TOCSY（全相关谱）谱学技术,对泰妥拉唑所有的氢进行了归属. 不对称硫原子引起邻接CH₂ 2个氢化学位移不等价;该2个氢相互偶合,其偶合常数为12.9 Hz;借助DEPT谱,2个甲氧基被区别;借助DEPT和TOCSY谱,另2个与碳相连的甲基被区分;利用HMBC谱,所有的碳峰可以归属.      

Magnitudes and Orientations of the N Chemical Shift Tensor of [1-N]-2′-Deoxyguanosine Determined on a Polycrystalline Sample by Two-Dimensional Solid-State NMR Spectroscopy

The magnitudes and orientations of the ¹⁵N chemical shift tensor of [1-¹⁵N]-2′-deoxyguanosine were determined from a polycrystalline sample using the two-dimensional PISEMA experiment. The magnitudes of the principal values of the ¹⁵N chemical shift tensor of the N1 nitrogen of [1-¹⁵N]-2′-deoxyguanosine were found to be ς₁₁ = 54 ppm, ς₂₂ = 148 ppm, and ς₃₃ = 201 ppm with respect to (¹⁵NH₄)₂SO₄ in aqueous solution. Comparisons of experimental and simulated two-dimensional powder pattern spectra show that ς_33N is approximately collinear with the N–H bond. The tensor orientation of ς_33N for N1 of [1-¹⁵N]-2′-deoxyguanosine is similar to the values obtained for the side chain residues of ¹⁵N_ε1-tryptophan and ¹⁵N_π-histidine even though the magnitudes differ significantly.     

原子电性作用矢量用于呋喃糖核磁共振碳谱化学位移计算

从分子二维拓扑结构出发, 借助用于描述原子所处分子微观化学环境的原子电性作用矢量(Atomic Elementary Electronegativity Interaction Vector, AEIV)对25种呋喃单糖中共计148个等价共振碳原子进行了表征,并以此建立起用于模拟单糖分子¹³C NMR化学位移的两参数多元线性回归方程, 所得模型的复相关系数R_cum、交叉检验Q_LOO及均方根误差RMS分别达到0.907、0.901和6.757,并采用对半划分样本集交叉验证的方法来测试模型的稳定性能和预测能力. 结果表明AEIV能够很好的模拟糖类物质¹³C化学位移值. 