核磁共振谱学8

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(***)(***)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(*)W2W0S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(****)(**)

abbb()W1SW1SW1IW1Iba(**)W2W0{S}如果W2是主导弛豫过程，则信号增强。aa(***)(**)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(**)W2W0I跃迁等于1aa(****)(***)

abbb()W1SW1SW1IW1Iba(*)W2W0I跃迁等于3如果W0是主导弛豫过程，则信号减弱。W2-W02W1I+W2+W0h=(gs/gI)理论计算推倒出NOE因子（Solomonequation）：

若W2>W0，则有正的NOE效应，即照射S核时I核的信号将增强；反之，若W2<W0，呈负NOE，I核信号将减弱。

对小分子，它们在溶液中翻滚很快，c<<1（极窄条件），W2主导，有正的NOE增强（=0.5

）。

对大分子，它们在溶液中翻滚慢，c>>1（扩散限制），W0主导，有负的NOE增强（=-1

）。

从小分子到大分子，从0.5降到-1，即通过零值。为零的条件：c1.12。

对于异核，在小分子快速翻滚的情况下，=S/2I。对C{H}体系，=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1000～3000）。

分子小中等大分子量

<1000≈1000>1000

运动快中等慢180ºS脉冲开减关关开

正NOE零NOE负NOESIIISS质子－质子距离(Å)12345相对NOE强度(%)64001008.81.60.4PresaturationofANOE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1D－1H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控去偶谱f1H:13C:{1H}tDf1H:13C:{1H}tDtD=5T11D-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)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(orx)90ytDtD8.2自旋回波8.2.1自旋回波对化学位移的影响xzyxyxytDfweffxytDy180xfweffeff=-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(AttachedProtonTest)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50～160Hz之间，导致谱图复杂化和谱线的重叠以及强度的降低。180y(orx)90ytDtD{1H}1H: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。xyzxyxytDfJ/2-J/2()()=*tD*JCH：/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的和态，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。xyxyxyxyxytDxytD(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=1/2JtD=1/JCHtDtD=1/2JtD=1/JCH2tDtD=1/2JtD=1/JCH3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。该实验的成功之处在于其结果对tD＝1/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(orx)ytDtD{1H}1H:13C:180y(orx)APT(attachedprotontest)实验APT实验，是早期的多脉冲序列之一，(<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。xyxytDfJ/2zxy-J/2()()180y(orx)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()()xy-J/2J/2()()180y(orx)如双重峰和三重峰在不同tD时的线型：xyJ/2-J/2()()tD=0180xxyJ/2-J/2()()tD=1/4JxyJ/2-J/2()()180xxyJ/2-J/2()()tD=0xyJ/2-J/2()()xytD=1/4J-J/2()J/2()tD=1/2J-J/2xy()J/2()180x-J/2xy()J/2()xytD=1/2J-J/2()J/2()双重峰：xyJ-J()tD=0()()()180xxyJ-J()()()()tD=0xyJ-J()()()()tD=1/4JxyJ-J()()()()xytD=1/4J-JJ()()()()180xxyJ-J()()()()tD=1/2Jxy-JJ()()()()180xxy-JJ()()()()tD=1/4Jxy-JJ()()()()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(SelectivePolarizationTransfer)。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(SelectivePopulationInversion)。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•••••••••

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•••14321,32,413Caaabbb13C13C1H1Hba•••••••••

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•aaabbb13C13C1H1Hba••••••••1432•

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•8.3.2异核极化转移CH体系的能级图（仅反映出的差别，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）。1,23,4H1,32,413C1,23,4H1,32,413C1,23,4H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:90tD{1H}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=1/2Jy8.3.3J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。90y90xtDtD=1/2JCHzxbyatD=1/2Jzxbya90yzxbya90x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(chubbypulse)，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90x对准某一个1H的化学位移，导致其磁化矢量的、分量都倒向-y，在1/2J延迟时间里，快的

分量和慢的分量相位相差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。xytDbatD=1/4JCH90xtD90ytD1801801H13CxybayxabtDxy1801H18013CbaINEPT(InsensitiveNucleiEnhancementbyPolarization

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。180180x90xtDtD90y901H: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(H/C)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。180180x90xtD90y901H:13C:tD180xDD180{1H}该序列只是在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。

xyabxybaD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)=0.82:0.95:0.82xyabDyx18013C

1801Hba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。CH3CH2CH2J/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):