核磁共振谱学8

1、 饱和S跃迁，即用射频场照射S核，使S跃迁对应的两个能级布居相等。aa aa ( (* * * *) )( (* * * *) ) a ab bbb bb ( (* *) )W1SW1SW1IW1Ib ba a ( (* *) )W2W0 S跃迁受到饱和后，交叉弛豫W2和W0成为最有效的弛豫过程。两个弛豫过程彼此竞争。aa aa ( (* * * * *) )( (* * *) ) a ab bbb bb () ()W1SW1SW1IW1Ib ba a ( (* * *) )W2W0S 如果W2是主导弛豫过程，则信号增强。aa aa ( (* * * *) )( (* * *) ) a ab

2、bbb bb ( (* *) )W1SW1SW1IW1Ib ba a ( (* * *) )W2W0I跃迁等于1aa aa ( (* * * * *) )( (* * * *) ) a ab bbb bb () ()W1SW1SW1IW1Ib ba a ( (* *) )W2W0I跃迁等于3 如果W0是主导弛豫过程，则信号减弱。W2 - W02 W1I + W2 + W0 h h = ( g gs / g gI ) 理论计算推倒出NOE因子h h（Solomon equation） ： 若W2W0，则有正的NOE效应，即照射S核时I核的信号将增强；反之，若W2W0，呈负NOE，I核信号将减弱。

3、 对小分子，它们在溶液中翻滚很快，c 1 （扩散限制）， W0主导，有负的NOE增强（h h = -1 ）。 从小分子到大分子，h h从0.5降到-1，即通过零值。 h h为零的条件： c 1.12。 对于异核，在小分子快速翻滚的情况下， h h = g gS/2g gI。对CH体系， h h = 2。 NOE与自旋体系的频率 和分子在溶液中滚动的速度（1/ c）直接相关： 即对中等大小分子，它们在溶液中翻滚速度中等， c 1 ，NOE接近零（与NMR基本频率有关， 一般分子量在10003000）。 分子 小 中等 大 分子量 1000 运动 快 中等 慢180 S脉冲开减关关开 正NOE 零

4、NOE 负NOESIIISS质子质子距离质子质子距离()12345相对相对NOE强度强度(%)64001008.81.60.4Presaturation of A NOE与原子间的距离相关(正比于r-6) ，故为确定分子三维空间结构的重要参数。8.1 引言zxyzxMxyyMo90yacquisitionpulse矢量形式：90y90yn简化形式：第八章 多脉冲序列的应用 最基本也是最简单的脉冲序列是通常的1D1H谱所采用的单脉冲序列： NMR实验是由一系列脉冲序列构成，人们为了不同的实验目的设计了各种不同的脉冲序列。正是这些种类繁多的脉冲序列才使得NMR得以广泛的应用。 质子宽带去偶谱 反门

5、控去偶谱f f1H:13C:1HtDf f1H:13C:1HtDtD = 5 T1 1D-13C谱中的质子宽带去偶谱和门控去偶谱也属单脉冲序列实验。 单脉冲FT实验除节省时间外，所得信息与CW-NMR方法相同。 多脉冲实验在观测之前设立发展期和混合期，利用发展期和混合期调制检测信号的初始状态，控制实验的检测信息。 在发展期和混合期，核自旋可通过各种相互作用（偶极-偶极相互作用、J偶合相互作用、化学交换等）实现磁化量的传递，达到提高灵敏度、把过多信息分开、间接观测多量子跃迁等目的。准备期(Preparation)发展期(Evolution)检测期(Acquisition)混合期(Mixing)

6、磁化量的传递包括极化传递和相干传递。 极化：不同能级间粒子数之差，可用Mz表示。zxyzxMxyyMo90yMz=0，零极化 相干：是描述自旋体系状态的波函数之间关系的一种物理量，不仅包括 m = 1的状态之间的关系，还包括 m = 0， m = 2等状态之间的关系。Mz = -Mo，粒子数反转zxzxyMo180 相干可以看成是横向的、相位有序的量。对 m = 1，相干可以用相位有序的横向磁化Mx或My表示。zxyzxMxyyMo90y90脉冲产生相干（Mxy）180y (or x)90ytDtD8.2 自旋回波8.2.1 自旋回波对化学位移的影响xzyxy xytDf f effxytDy

7、180 xf f eff eff = - o 如果在第二个tD之后立刻采样，除信号是负的以外，没有去相位影响，原则上可以得到纯的吸收线型。8.2.2 自旋回波对J偶合的影响13CJ (Hz)aaabbabb13C13C1H1H自旋回波和异核偶合 APT (Attached Proton Test) 实验 所以我们常常除去1H偶合，这意味这要饱和1H跃迁，使13C信号变成单线 (右图没有考虑NOE的影响)。13Caaabbabb1H13C1H13C 考虑13C和1H的偶合，如果观测13C谱，会看到由于与1H偶合产生的谱线分裂，偶合常数在50160Hz之间，导致谱图复杂化和谱线的重叠以及强度的降低

8、。180y (or x)90ytDtD1H1H:13C: 现在对自选回波脉冲序列进行小小的修正，即加上质子去偶。 下面考虑不同情况下该序列对13C磁化的行为的影响。xy zxyxytDf fJ / 2- J / 2(b)(a)f f= * tD * J CH： /2脉冲之后，13C磁化Mxy在J偶合作用下旋进，两个矢量分别对应于1H的a a和b b态，通常说成是13C磁化矢量受到1H状态的标记。 现在我们加上180度脉冲并开始去偶。xy xy xyxy xytDxytD(a)(b)xy 去偶 180度脉冲翻转了磁化矢量，去偶消除了磁化矢量的标记，并有效地使由偶合引起的旋进停止。在第二个tD结束

9、时，x方向有一净的横向分量，y方向的分量相互抵消。所以，在1H去偶情况下，第二个tD重聚了化学位移，可以得到具有很好相位的谱图。 上面的演化也可表示为：xy180y去偶 现在我们取不同tD值，可以得到不同的信号强度。对CH2和CH3，分析是相似的。 信号强度随tD变化，当tD等于1/2J时，CHn信号强度为零，当tD等于1/J时，CHn信号强度最大或最小。tDtD= 1 / 2J tD= 1 / J CHtDtD= 1 / 2J tD= 1 / J CH2tDtD= 1 / 2J tD= 1 / J CH3 可以用于区分CH, CH2, CH3，即可用于区分碳的类型。 实验时，tD设为1/J。

10、该实验的成功之处在于其结果对tD1/J的条件不敏感，即允许JCH有一定的取值范围。至于如何区分季碳和CH2，CH和CH3，则比较麻烦。现在APT已由DEPT序列所取代。180y (or x)f fytDtD1H1H:13C: 180y (or x) APT(attached proton test)实验 APT实验，是早期的多脉冲序列之一，f f(90 )脉冲使部分磁化矢量留在+z方向，下一个180 脉冲使其翻转到-z方向， 180 脉冲单元是为了把-z方向的磁化矢量翻转到+z方向。 为接收机恢复所设置。自旋回波和同核偶合 让我们考虑两个质子的偶合，在正共振情况下，在 /2脉冲和tD延迟后，横

11、向磁化矢量在J偶合作用下进动，每个磁化矢量由1H的状态所标记。xy xytDf fJ / 2zxy- J / 2(b)(a)180y (or x)90ytDtD 对不同的tD值，得到不同的线型，这种现象叫J调制，很多脉冲序列都利用了J调制来得到想要的信息。 如果第一个tD之后加上 脉冲，不仅磁化矢量翻转方向，同时1H布居也被翻转，即1H标记被翻转。在第二个tD延迟，两个磁化矢量分量不是重聚，而是继续反相旋进，结果是两个矢量分开更远。xyJ / 2-J / 2( (b b) )( (a a) )xy-J / 2J / 2( (b b) )( (a a) )180y (or x) 如双重峰和三重峰

12、在不同tD时的线型：xyJ / 2-J / 2(b)(a)tD=0180 xxyJ / 2-J / 2(b)(a)tD=1/4JxyJ / 2-J / 2(b)(a)180 xxyJ / 2-J / 2(b)(a)tD=0 xyJ / 2-J / 2(b)(a)xytD=1/4J-J / 2(b)J / 2(a)tD=1/2J-J / 2xy(b)J / 2(a)180 x-J / 2xy(b)J / 2(a)xytD=1/2J-J / 2(b)J / 2(a) 双重峰：xyJ -J (aaaa)tD=0(bbbb)(abab)(baba)180 xxyJ -J (aaaa)(bbbb)(ab

13、ab)(baba)tD=0 xyJ -J (aaaa)(bbbb)(abab)(baba)tD=1/4JxyJ -J ( (bbbb) )( (aaaa) )(baba)(abab)xytD=1/4J-J J(baba)(abab)( (aaaa) )( (bbbb) )180 xxyJ -J ( (bbbb) )( (aaaa) )(baba)(abab)tD=1/2Jxy-J J(baba)(abab)( (aaaa) )( (bbbb) )180 xxy-J J(baba)(abab)( (aaaa) )( (bbbb) )tD=1/4Jxy-J J (abab)(baba)(bbbb)

14、(aaaa) 三重峰：8.3 极化转移 非灵敏核（如13C, 15N, 29Si等）的信号很弱，虽然13C核可以通过质子宽带去偶的方法增加信号的强度（获得正的NOE增强），但并不是所有的核都可以通过此方法获得增加的灵敏度，如15N和29Si，它们具有负的g g值，质子宽带去偶会产生负的NOE，这将导致非灵敏核信号的减小，甚至使信号为零。S1,23,4aaabbabbSSII2314 代表能级间超出的布居数。 极化转移方法是把来自灵敏核（如1H）的较大布居差转移给非灵敏核。 弱偶合IS体系8.3.1 同核极化转移1,32,4I 现在我们有选择地照射并饱和S核的一个跃迁，使其布居差为零，整个自旋体

15、系的布居因此而受到改变。I1,32,4aaabbabbSSII2314 其结果是I核信号的强度发生了改变，两条线强度由原来的2:2变成了1:3，极化从S核转移给了I核，这被称为SPT(Selective Polarization Transfer)。 如果我们对S核加一个选择性的 脉冲（低功率），它就会翻转自旋体系中的一个跃迁的布居。180s90aaabbabbSSII2314 1,32,4I1,23,4S1,23,4S 结果是I核信号的强度发生了改变，两条线强度由原来的2:2变成了0:4，极化从S核转移给了I核，这被称为SPI (Selective Population Inversion)

16、。 现在如果我们选择性地翻转1,2跃迁，13C信号从1:1变成(-3):5，两个13C信号分别得到负、正四倍增强。aaabbb13C13C1H1Hba 14321,3 2,413Caaabbb13C13C1H1Hba 1432 aaabbb13C13C1H1Hba 1432 8.3.2 异核极化转移 CH体系的能级图（仅反映出g g的差别，没有给出天然丰度的差别）。 当我们照射1,2跃迁并使之饱和后(SPI)，新的能级布居导致13C信号的强度比从1:1变成了(-1):3，两个13C信号都得到两倍的增强（一个负增强和一个正增强）。1,2 3,4H1,32,413C1,23,4H1,32,413C

17、1,23,4H 上面的CH异核极化转移 (SPT和SPI)结果得到的是一个正峰和一个负峰 (差分谱)，如果去偶的话，极化转移增强就将消失。180s1H:13C:90tD1H 如果引进J调制，就能把差分谱变成相同相位的信号，这样就可以1H去偶。xyxtD = 1 / 2Jy8.3.3 J调制和极化转移 在这个脉冲序列中，如果把 tD设为 1 / 2J，这意味者在 /2 (13C) 脉冲和tD延迟之后，13C磁化矢量将重聚，所有信号都为正的信号，1H去偶后13C信号仍然得到极化增强。90y90 xtDtD = 1 / 2JCHzxb bya atD = 1 / 2Jzxb bya a90yzxb

18、bya a90 x 如果激发13C跃迁，会得到极化转移信号。 SPT和SPI的缺点是使用选择性软脉冲(chubby pulse)，这有时很难实现。如下脉冲序列是用硬脉冲实现布居反转。 第一个90 x对准某一个1H的化学位移，导致其磁化矢量的a a、b b分量都倒向-y，在1/2J延迟时间里，快的a a 分量和慢的b b分量相位相差180度 第二个90y 脉冲导致1H布居翻转。8.3.4 非选择性极化转移 SPI的另外一个缺点是它的选择性，每次只能选择一个质子峰进行照射，对拥挤的质子峰这有时很难实现。最好的方法是能够一次就翻转所有质子的信号，实现质子到非灵敏核的极化转移。 实现该目的一个方式就是

19、在两个90度脉冲之间加上一个自旋回波序列。这个自旋回波序列使1H化学位移重聚。所以两个90度脉冲之后，所有1H布居实现翻转。xytDb ba atD = 1 / 4JCH90 xtD90ytD1801801H13Cxyb ba ayxa ab btDxy1801H18013Cb ba aINEPT (Insensitive Nuclei Enhancement by Polarization Transfer) 把上面的脉冲序列稍加扩展，就得到了INEPT，这是一个非常重要的脉冲序列，也是许多多脉冲序列的构筑单元。INEPT主要用于增加13C，15N等核的灵敏度。180180 x90 xtDt

20、D90y901H:X: 这里X核是13C, 1H等。脉冲序列对磁化的作用与上面的相同，只是在X核上加了一个 /2读脉冲，用来产生横向磁化矢量。 INEPT观测后需要恢复的是1H的平衡磁化，由于T1H常比T1C短，因此灵敏度最高可改善到( T1C / T1H )1/2 ( g gH / g gC ) n。重聚INEPT 如果用INEPT，会遇到如(-3): (+5)强度问题，去偶将失去极化转移增强。我们希望重聚13C磁化，以便可以1H去偶，得到没有分裂的13C信号。下面的脉冲序列可以实现13C磁化的重聚。180180 x90 xtD90y901H:13C:tD180 x 1801H 该序列只是在

21、INEPT的结尾处加上一个重聚脉冲序列单元，在第二个 之后就可以加上1H去偶并检测FID信号。 xya ab bxyb ba a 在 /2(13C)脉冲之后，在xy平面得到增强的(-3):(+5)13C磁化，如果 =1/4J， -180(1H)180(13C)- 之后CH磁化矢量分量重聚。 要使所有类型的碳都有相近的信号增强，取 1/7J。I(CH) : I(CH2) : I(CH3) = 0.82 : 0.95 : 0.82xya ab b yx18013C 1801Hb ba a 各类碳信号对 有不同的依赖关系，据此可以将碳信号按多重性进行分类。INEPT谱中没有季碳的信号。CH3CH2C

22、H2J /2 /43 /4I1.00.0-1.0 利用上图可以进行谱编辑，如记下三张INEPT谱，依次为，A： J=1/8，B： J=1/4，C： J=3/8，则谱A中I(CH):I(CH2):I(CH3) = 0.707:1:1.060，均为正信号；而B谱中只有CH信号1:0:0，C谱与A相似，只是CH2差一个符号0.707:(-1):1.060。因此，A与C谱之差只含CH2，而B谱只含CH，A+C-21/2B得到只含CH3的谱。 核种类 13C 15N 29Si 57Fe 103Rh 109Ag 119Sn 183Wh h(NOE) 2.99 -3.94 -1.52 16.48 -16.8

23、9 -9.75 -0.41 13.02h h(INEPT) 3.98 9.87 5.03 30.95 31.77 21.50 2.81 24.04 下面是重聚INEPT的增强因子与NOE增强因子的比较 实际问题中，由于J有一定的范围，质子的180脉冲也未必理想，多重性最佳分离公式会和上述有所不同。(Distortionles Enhancement by Polarization Transfer) 重聚INEPT方法有两个缺点：1. 强度比和相位发生畸变；2. 多重线信号依赖于J 的乘积，因为不同碳类型的J有较大差别，所以很难找到一个合适的 满足所有碳类型信号的需要。90 x180 x90

24、xtDf fy1H:13C:tD180 x1HtDtD= 1/2J DEPT方法可以得到具有正常强度比和理想的相位的碳信号，而且实验中用f f脉冲代替 的作用，减少了多重性对J的依赖。半经典模型无法解释DEPT，但可用乘积算符来分析。 为了得到既能提高灵敏度又能使强度不畸变的谱，随后发展了脉冲序列比INEPT短，极化传递更为巧妙的方法，称为DEPT。CH2CH3CH /23 /4 /4 不同种类的碳对f f角的响应： 如果W2是主导弛豫过程，则信号增强。aa aa ( (* * * *) )( (* * *) ) a ab bbb bb ( (* *) )W1SW1SW1IW1Ib ba a ( (* * *) )W2W0I跃迁