第四章 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.

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2D-NMR均是时间域二维实验.

图4.1 2D-NMR 三种获得方式

2．二维谱实验

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）

图4.2 一般二维谱实验

（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）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）在此期间通过相干或极化的传递，建立检测条件。

在此期间检测作为t2函数的各种横向矢量的FID的变化。它的初始相及幅度受到t1函数的调制。

与t2轴对应的ω2（ν轴），通常是频率轴，与t1轴对应的ω1是什么，取决于在发展是何种过程。

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。

图4.3 堆积图等高线

(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。

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。

图4.4 典型二维谱示意图

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, 2D-INADEQUATE。

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

1．1H-1H-COSY

所谓的1H-1H-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。

COSY－90。的基本脉冲序列包括两个基本脉冲

图4.5COSY－90。的基本脉冲序列

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。例如

(COSY –相关谱（Co rrelation S pectroscop y）

o both axes correspond to the proton nmr spectra.

o the COSY spectra indicates which H atoms are coupling with each other.