【正文】 第四章 二維核磁共振譜 4． 1二維核磁共振的概述 1．什么是二維譜 二維核磁共振 (2D NMR)方法是有 Jeener 于 1971年首先提出的 ,是一維譜衍生出來的新實(shí)驗(yàn)方法 .引入二維后 ,減少了譜線的擁擠和重疊 ,提高了核之間相互關(guān)系的新信息 .因而增加了結(jié)構(gòu)信息 ,有利于復(fù)雜譜圖的解析 .特別是應(yīng)用于復(fù)雜的天然產(chǎn)物和生物大分子的結(jié)構(gòu)鑒定 ,2DNMR是目前適用于研究溶液中生物大分子構(gòu)象的唯一技術(shù) .一維譜的信號(hào)是一個(gè)頻率的函數(shù) ,記為S(ω),共振峰分別在一條頻率軸上 .而二維譜是兩個(gè)獨(dú)立頻率變量的信號(hào)函數(shù) ,記為 S(ω1,ω2),共振峰分布在由兩個(gè)頻率軸組成的平面上 .2DNMR的 b最大特點(diǎn)是將化學(xué)位移 ,偶合常數(shù)等參數(shù)字二維平面上展開 ,于是在一般一維譜中重疊在一個(gè)頻率軸上的信號(hào) ,被分散到兩個(gè)獨(dú)立的頻率軸構(gòu)成的二維平面上 .,同時(shí)檢測(cè)出共振核之間的相互作用 . 2。二維譜實(shí)驗(yàn) ? 得 ,(如圖 ) ? (1).頻率域?qū)嶒?yàn) (frequency frequency) ? (2).混合時(shí)域 (frequencytime)實(shí)驗(yàn) ? (3). 時(shí)域 (timetime)實(shí)驗(yàn) . ? 它是獲得二維譜的主要方法 ,以兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間變量進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn) ,得到 S(t1,t2),經(jīng)過兩次傅立葉變換得到二維譜 S(ω1,ω2).通常所指的 2DNMR均是時(shí)間域二維實(shí)驗(yàn) 圖 2DNMR 三種獲得方式 B) 二維核磁共振時(shí)間分割 ? 二維譜實(shí)驗(yàn)中，為確定所需的兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間變量，要用特種技術(shù)－時(shí)間分割。即把整個(gè)時(shí)間按其物理意義分割成四個(gè)區(qū)間。（如圖所示） ? （ 1）預(yù)備期：預(yù)備期在時(shí)間軸上通常是一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期，使核自旋體系回復(fù)對(duì)平衡狀態(tài)，在預(yù)備期末加一個(gè)或多個(gè)射頻脈沖，以產(chǎn)生所需要的單量子或多量子相干。 ? （ 2）發(fā)展期：在 t1開始時(shí)由一個(gè)脈沖或幾個(gè)脈沖使體系激發(fā)，此時(shí)間系控制磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)各種不同的化學(xué)環(huán)境的不同進(jìn)動(dòng)頻率對(duì)它們的橫向磁化矢量作出標(biāo)識(shí)。 ? （ 3）混合期：在此期間通過相干或極化的傳遞，建立檢測(cè)條件。 4）檢測(cè)期：在此期間檢測(cè)作為 t2函數(shù)的各種橫向矢量的 FID的變化以及它的初始相及幅度受到 t1函數(shù)的調(diào)制。 與 t2軸對(duì)應(yīng)的 ω2 （ ν 軸），通常 是頻率軸，與 t1軸對(duì)應(yīng)的 ω1 是什么，取決于在發(fā)展是何種過程。 ? 相干 (ccherence):是描述自旋體系狀態(tài)的波函數(shù)之間關(guān)系的一種物理量。，它通常沒有簡(jiǎn)單的模型，它是橫向磁化及相位的量。（不僅包括 ⊿ m=1, 而且包括 ⊿ m=0, ⊿ m=2狀態(tài)之間關(guān)系 )它可以通過射頻脈沖的作用傳遞。 ? C .實(shí)驗(yàn)過程：用固定時(shí)間增量 ⊿ t1依次遞增 t1進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)，反復(fù)疊加，因 t2時(shí)間檢測(cè)的信號(hào) S(t2)的振幅或相位受到 s(t1)的調(diào)制，則接收的信號(hào)不僅與 t2有關(guān)，還與 t1有關(guān)，每改變一個(gè) t1，記錄S(t2),因此得到分別以時(shí)間變量 t1,t2為行列排列數(shù)據(jù)矩陣，即在檢測(cè)期獲得一組 FID信號(hào)，組成二維時(shí)間信號(hào) S(t1,t2)。因 t1,t2是兩個(gè)獨(dú)立時(shí)間變量，可以分別對(duì)它們進(jìn)行傅立葉變換，一次對(duì) t2,一次對(duì) t1,兩次傅立葉變換的結(jié)果，可以得到兩個(gè)頻率變量函數(shù) S(ω1,ω2)。如圖 3．二維譜的表達(dá)方式 （ 1）堆積圖 (stacked plot). ? 堆積圖的優(yōu)點(diǎn)是直觀 ,具有立體感 .缺點(diǎn)是難以確定吸收峰的頻率。大峰后面可能隱藏小峰，而且耗時(shí)較長(zhǎng)。 ? (2)等高線（ Contour plot） 等高線圖類似于等高線地圖，這種圖的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得頻率定量數(shù)據(jù)，作圖快。缺點(diǎn)是低強(qiáng)度的峰可能漏畫。目前化學(xué)位移相關(guān)譜廣泛采用等高線。 圖 堆積圖 等高線 4．二維譜峰的命名 ? （ 1）交叉峰（ cross peak） :出現(xiàn)在ω1≠ω2處，（即非對(duì)角線上）。從峰的位置關(guān)系可以判斷哪些峰之間有偶合關(guān)系，從而得到哪些核之間有偶合關(guān)系，交叉峰是二維譜中最有用的部分。 ? （ 2）對(duì)角峰（ Auto peak） :位于對(duì)角線（ ω1＝ ω2）上的峰，稱為對(duì)角峰。對(duì)角峰在 F1和 F2軸的投影。 5．二維譜的分類 ? 二維譜可分為三類： ? 1） J 分辨譜（ J resolved spectroscopy ） ? J 分辨譜亦稱 J譜或者 δ－ J譜。它把化學(xué)位移和自旋偶合的作用分辨開來，包括異核和同核 J譜。 ? 2）化學(xué)位移相關(guān)譜 (chemical shift correlation spectroscopy) ? 化學(xué)位移相關(guān)譜也稱 δ－ δ譜，是二維譜的核心，通常所指的二維譜就是化學(xué)位移相關(guān)譜。包括同核化學(xué)位移相關(guān)譜，異核化學(xué)位移相關(guān)譜， NOESY和化學(xué)交換。 ? 3）多量子譜（ multiple quantum spectroscopy）用脈沖序列可以檢測(cè)出多量子躍遷，得到多量子二維譜 。 4． 2 化學(xué)位移相關(guān)譜（ Correlated Spectroscopy ,COSY） ? 二維化學(xué)位移相關(guān)譜包括 ? 同核化學(xué)位移相關(guān)譜（ Homonuclear correlation） ? 1）通過化學(xué)鍵： COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 ? 2）通過空間： NOESY, ROESY。 ? 異核化學(xué)位移相關(guān)譜（ Heteronuclear correlation） ? 強(qiáng)調(diào)大的偶合常數(shù)： 1H13C –COSY ? 強(qiáng)調(diào)小的偶合常數(shù)，壓制大的偶合常數(shù)：COLOC(遠(yuǎn)程 1H13C –COSY) 一。 COSY(Correlated spectroscopy) ? 所謂的 COSY系指同一自旋體系里質(zhì)子之間的偶合相關(guān)。 1H1HCOSY可以 1H1H之間通過成鍵作用的相關(guān)信息，類似于一維譜同核去偶，可提供全部 1H1H之間的關(guān)聯(lián)。因此 1H1HCOSY是歸屬譜線，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)及確定結(jié)構(gòu)的有力工具。 ? 1。 COSY－ 90。 的基本脈沖序列包括兩個(gè)基本脈沖在此脈沖作用下，根據(jù)發(fā)展期 t1的不同，自旋體系的各個(gè)不同的躍遷之間產(chǎn)生磁化傳遞，通過同核偶合建立同種核共振頻率間連接圖。此圖的二個(gè)軸都是 1H的 δ在 ω1＝ ω2的對(duì)角線上可以找出一維 1H譜相對(duì)應(yīng)譜峰信號(hào)。通過交叉峰分別作垂線及水平線與對(duì)角線相交，即可以找到相應(yīng)偶合的氫核。因此從一張同核位移相關(guān)譜可找出所有偶合體系，即等于一整套雙照射實(shí)驗(yàn)的譜圖 。 COSY of 2－丁烯酸乙酯 OOBA2。 COSY45 。 ? 基本脈沖： 90 。 － t145 。 ACQ. 在 COSY90的基礎(chǔ)上，將第二脈沖改變成 45 。許多的天然產(chǎn)物的直接連接躍遷譜峰在對(duì)角線附近，導(dǎo)致譜線相互重疊，不易解析。采用 COSY45 。 由于大大限制了多重峰內(nèi)間接躍遷，重點(diǎn)反映多重峰間的直接躍遷，減少了平行躍遷間的磁化轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，即消除了對(duì)角線附近的交叉峰，使對(duì)角線附近清晰。 COSY譜 (DQFCOSY) ? COSY 譜，由于譜線信號(hào)色散分量作用，相鄰的峰容易相互部分重疊，交叉峰的精細(xì)結(jié)構(gòu)看不清楚，不便讀出偶合常數(shù)。 ? 相敏 COSY (phase sensitiveCOSY)譜的相位很復(fù)雜，相位調(diào)節(jié)的質(zhì)量直接影響偶合常數(shù)的檢測(cè)即信號(hào)靈敏度。在 COSY譜中對(duì)角線與交叉峰相位總是相差 90。相敏 COSY譜中，磁化轉(zhuǎn)移地結(jié)果產(chǎn)生一對(duì)交叉峰相位相差 180。以 AX體系為例。其交叉峰為純吸收線形，對(duì)角線為色散型。譜圖黃色圓圈為正峰，紅色為負(fù)峰。 ? 譜圖正負(fù)峰以不同的顏色表示（下圖藍(lán)色圓圈為正峰，紅色為負(fù)峰）。也