第4章二维核磁共振谱

第四章 二维核磁共振谱 4.1二维核磁共振的概述1.什么是二维谱 二维核磁共振(2D NMR)方法是有Jeener 于1971年首 先提出的,是一维谱衍生出来的新实验方法.引入二维后,减少了谱 线的拥挤和重叠,提高了核之间相互关系的新信息.因而增加了结 构信息,有利于复杂谱图的解析.特别是应用于复杂的天然产物和 生物大分子的结构鉴定,2DNMR是目前适用于研究溶液中生物 大分子构象的唯一技术.一维谱的信号是一个频率的函数,记为 S(ω),共振峰分别在一条频率轴上.而二维谱是两个独立频率变量 的信号函数,记为S(ω1,ω2),共振峰分布在由两个频率轴组成的 平面上.2D-NMR的b最大特点是将化学位移,偶合常数等参数字 二维平面上展开,于是在一般一维谱中重叠在一个频率轴上的信号, 被分散到两个独立的频率轴构成的二维平面上.,同时检测出共振 核之间的相互作用.

2。二维谱实验 A.原则上二维谱可以用概念上不同的三种实验获 得,(如图4.1) (1).频率域实验(frequency- frequency) (2).混合时域(frequency-time)实验 (3). 时域(time-time)实验. 它是获得二维谱的主要方法,以两个独立的时间变 量进行一系列实验,得到S(t1,t2),经过两次傅立 叶变换得到二维谱S(ω1,ω2).通常所指的2DNMR均是时间域二维实验

图4.1 2D-NMR 三种获得方式

B) 二维核磁共振时间分割

二维谱实验中，为确定所需的两个独立的时间变量，要用特种技术 -时间分割。即把整个时间按其物理意义分割成四个区间。(如图 所示) (1)预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，使核自旋 体系回复对平衡状态，在预备期末加一个或多个射频脉冲，以产生 所需要的单量子或多量子相干。 (2)发展期：在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，此时 间系控制磁化强度运动，并根据各种不同的化学环境的不同进动频 率对它们的横向磁化矢量作出标识。 (3)混合期：在此期间通过相干或极化的传递，建立检测条件。

4)检测期：在此期间检测作为t2函数的各种横向矢量的FID的 变化以及它的初始相及幅度受到t1函数的调制。与t2轴对应的ω 2(ν 轴),通常是频率轴，与t1轴对应的ω 1是 什么，取决于在发展是何种过程。

相干(ccherence):是描述自旋体系状态的波函数 之间关系的一种物理量。,它通常没有简单的模型， 它是横向磁化及相位的量。(不仅包括⊿m=1, 而 且包括⊿m=0, ⊿m=2状态之间关系)它可以通过 射频脉冲的作用传递。 C .实验过程：用固定时间增量⊿t1依次递增t1进 行系列实验，反复叠加，因t2时间检测的信号S(t2) 的振幅或相位受到s(t1)的调制，则接收的信号不 仅与t2

有关，还与t1有关，每改变一个t1,记录 S(t2),因此得到分别以时间变量t1,t2为行列排列 数据矩阵，即在检测期获得一组FID信号，组成二 维时间信号S(t1,t2)。因t1,t2是两个独立时间变 量，可以分别对它们进行傅立叶变换，一次对t2, 一次对t1,两次傅立叶变换的结果，可以得到两个 频率变量函数S(ω1,ω2)。如图

3.二维谱的表达方式(1)堆积图(stacked plot). 堆积图的优点是直观,具有立体感.缺点是难 以确定吸收峰的频率。大峰后面可能隐藏 小峰，而且耗时较长。 (2)等高线(Contour plot) 等高线图类似于等高线地图，这种图的优点 是容易获得频率定量数据，作图快。缺点 是低强度的峰可能漏画。目前化学位移相 关谱广泛采用等高线。

图4.3 堆积图

等高线

4.二维谱峰的命名 (1)交叉峰(cross peak):出现在 ω1≠ω2处，(即非对角线上)。从峰的 位置关系可以判断哪些峰之间有偶合关系， 从而得到哪些核之间有偶合关系，交叉峰 是二维谱中最有用的部分。 (2)对角峰(Auto peak):位于对角线 (ω1=ω2)上的峰，称为对角峰。对角 峰在F1和F2轴的投影。

5.二维谱的分类 二维谱可分为三类： 1)J 分辨谱( J resolved spectroscopy ) J 分辨谱亦称J谱或者δ-J谱。它把化学位移和自旋偶合的作 用分辨开来，包括异核和同核J谱。 2)化学位移相关谱(chemical shift correlation spectroscopy) 化学位移相关谱也称δ-δ谱，是二维谱的核心，通常所指的二 维谱就是化学位移相关谱。包括同核化学位移相关谱，异核化 学位移相关谱，NOESY和化学交换。 3)多量子谱(multiple quantum spectroscopy)用脉 冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子二维谱 。

4.2 化学位移相关谱(Correlated Spectroscopy ,COSY) 二维化学位移相关谱包括 同核化学位移相关谱(Homonuclear correlation) 1)通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 2)通过空间：NOESY, ROESY。 异核化学位移相关谱(Heteronuclear correlation) 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)

4.2.1同核化学位移相关谱一。COSY(Correlated spectroscopy)

所谓的COSY系指同一自旋体系里质子之 间的偶合相关。1H-1H-COSY可以1H-1H 之间通过成键作用的相关信息，类似于一 维谱同核去偶，可提供全部1H-1H之间的 关联。因此1H-1H-COSY是归属谱线，推 导结构及确定结构的有力工具。

1。COSY-90。的基本脉冲序列包括两个基本脉冲 在此脉冲作用下，根据发展期t1的不同，自旋体系 的各个不同的跃迁之间产生磁化传递，通过同核偶 合建立同种核共振频率间

连接图。此图的二个轴都 是1H的δ在ω1=ω2的对角线上可以找出一维1H 谱相对应谱峰信号。通过交叉峰分别作垂线及水平 线与对角线相交，即可以找到相应偶合的氢核。因 此从一张同核位移相关谱可找出所有偶合体系，即 等于一整套双照射实验的谱图 。