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。
第4章核磁共振碳谱 在C的同位素中，只有13C有自旋现象，存在核磁共振吸收，其自旋量子数I=1/2。13C NMR 的原理与1H NMR一样。由于γc= γH /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。加之H核的偶合干扰，使得13C NMR信号变得很复杂，难以测得有实用价值的图谱。知道二十世纪七十年代后期，质子去偶技术和傅里叶变换技术的发展和应用，才使13C NMR的测定变的简单易得。 4.1 核磁共振碳谱的特点 1. 灵敏度低 由于γc= γH /4，且13C的天然丰度只有1.1%，因此13C核的测定灵敏度很低，大约是H核的1/6000，测定困难。 2. 分辨能力高 氢谱的化学位移δ值很少超过10ppm，而碳谱的δ值可以超过200ppm，最高可达600ppm。这样，复杂和分子量高达400的有机物分子结构的精细变化都可以从碳谱上分辨。同时13C 自身的自旋-自旋裂分实际上不存在，虽然质子和碳核之间有偶合，但可以用质子去偶技术进行控制。 3. 能给出不连氢碳的吸收峰 有机化合物分子骨架主要由 C 原子构成，因而13C NMR 能更全面地提供有关分子骨架的信息。而1HNMR 中不能给出吸收信号的 C=O、C=C、C≡C、C≡N以及季碳等基团，在13CNMR 中都可以直接给出特征吸收峰。13CNMR 可直接观测不带氢的含碳官能团，如羰基、氰基等。 4. 不能用积分高度来计算碳的数目 13C NMR的常规谱是质子全去偶谱。对大多数碳，尤其是质子化碳，他们的信号强度都会由去偶的同时产生的NOE效应而大大增强。因此不到呢国家的碳原子的数目不能通过常规共振谱的谱线强度来确定。 5. 弛豫时间T1可作为化合物结构鉴定的波谱参数 在化合物中，处于不同环境的13C核，他们的弛豫时间数值相差较大，可以达到2~3个数量级，通过T1可以致人结构归属，窥测体系的运动情况等。 4.2 核磁共振碳谱的测定方法 4.2.1 脉冲傅里叶变换法 同核磁共振氢谱。 4.2.2 核磁共振碳谱中的几种去偶技术 13C核的天然丰度很低，分子中相邻的两个 C 原子均为13C 核的几率极低，因此可忽略13C 核之间的偶合。 13C-1H 之间偶合常数很大，高达 120～320Hz，而13C 被偶合氢按 n＋1 规律分裂为多重峰，使谱图不易解析，为提高灵敏度和简化谱图，须去掉1H 对13C 的偶合，方法有如下几种。 1. 质子带宽去偶法 又称噪声去偶，是最重要的去偶技术。在观察13C的同时，用一覆盖所有质子共振频率的射频照射质子，消除全部氢核对13C 的偶合，使每一个磁等价的13C 核成为一个信号，13CNMR呈现一系列单峰，同时由于 NOE 效应使13C 峰大为增强，信噪比提高。
预备 期 发 展 期混 合 期 检 出 期 第二章 二维核磁共振谱(三部分) 二维核磁共振谱(two-dimensional NMR spectra ，即2D NMR)简称二维谱，可以看成是一维核磁共振谱的自然推广，在引入一个新的维数后必然会大大增加新的信息量，提高解决问题的的新途径。 4.1 概述 4.1.1 二维核磁共振谱的形成 二维谱是两个独立频率变量的信号函数S （ω1 ω2)，如果一个自变量是频率，另一个自变量是时间、温度或浓度等其他物理化学参数就不属于我们所指的2D NMR 谱。实际上我们所指的2D NMR 谱首先是由2个独立的时间变量（FID 信号是时域函数）进行一系列的实验，得到信号S （t 1 t 2）。经两次傅立叶变换得到两个独立频率变量的信号函数S （ω1 ω2)。通常，第一个时间变量(t 1)是脉冲序列中变化的时间间隔，第二个时间变量(t 2)是采样时间。t 1与t 2 是两个不相关的独立变量。 4.1.2 二维核磁共振时间轴示意方快图 预备期——使体系恢复到玻耳兹蔓平衡态（在时间轴上通常是相对较长的时 期）。 发展期(t 1)——由一个或多个脉冲使体系激发态。发展期的时间(t 1)是变化 的。 混合期——建立信号检出的条件(并不是必不可少的，根据二维谱的种类而 定)。 检出期(t 2)——以通常方式检出FID 信号。
4.2二维核磁共振谱的分类 J分解谱（J resolved spectroscopy）：又称J谱或δ-J谱。用于把化学位移与自旋偶合的作用分辨开来。 包括：同核J谱和异核J谱。 化学位移相关谱(chemical shift spetroscosy):又称δ-δ相关。它能表证核磁共振信号的相关特性，是二维谱的核心。 包括：同核相关谱、异核相关谱、NOE相关谱。 多量子谱(multiple quantum spectroscopy):跃迁时Δm为大于1 的整数(常规NMR谱为单量子跃迁，Δm＝±1)。 4.3 二维核磁共振谱的表现形式 二维核磁共振谱的表现形式有两种：堆积图和等高线图 (b) (a)堆积图(b)等高线图 图4.1 CHCl3的H-H COSY谱 堆积图——由许多条“一维”谱线紧密排列构成的。堆积图的优点是直观，有立体感。缺点是难以定出吸收峰的频率、容易丢失强峰后的小峰和作图费时费材。 等高线图——相当于堆积图的横切面。优点是易于找出峰的频率，作图快。中心圈表示位置，圈数表示强度。