二维核磁共振（2D-NMR）

1、2D NMR吴吴 瑞瑞2010.11概述概述基本原理基本原理2D NMR谱的分类谱的分类二维二维J分解谱分解谱(J-resolved Spectroscopy)Add Your Text二维核磁共振（2D-NMR）一、概述 2D-NMR是Jeener首先提出，它可看成是1D-NMR的自然推广。 一维谱的信号是一个频率函数，记为S()，共振峰分布在一条频率轴上。而二维谱的信号是两个独立频率变量的函数，记为S()，共振峰分布在由两个频率轴组成的平面上。 引入第二维后减少了谱线的拥挤和重叠，提供核之间相互关系的新信息，对分析复杂大分子特别有用，所以二维核磁共振一经提出就获得迅速发展。二、基本原理 一

2、般的2D NMR实验的脉冲序列可划分为下列几个区域预备期(preparation)演化期t1(evolution)混合期tm(mixing)检测期t2(detection)1. 演化期内用固定的时间增量t1进行一系列实验；2. 每一个t1产生一个单独的FID；3. 在检测期t2被检测，得到Ni个FID。4. 对每个FID做FT变换，得到Ni个在频率域F2中的频率谱S(t1,F2)5. 再对t1做第二个FT变换，就得到了依赖于两个频率的二维谱S(F1,F2)1. 预备期(D1)脉冲序列之间的弛豫延迟，类似一维谱实验的等待时间。理想状态是在D1结束时磁化矢量M2保持最大，而且在xy平面上的磁化矢量

3、Mxy已恢复到零。理论上应取D15T1.2. 演化期(t1)和混合期(tm)这是2D NMR的关键，正是在演化期和混合期对磁化矢量进行各种各样的技术处理而产生了不同的2D实验。演化期的本质特征是Mxy磁化矢量的进动，用来标记要间接测量的核或相干。混合期由一组固定长度的脉冲和延迟组成，延迟时间是固定值，与t1无关。混合期通过相干或极化转移建立测试条件。因此由于混合期发生的自选核间的进动或相互作用使t1期间存在的信息直接影响检测期信号的相位和幅值。3. 检测期(t2)在检测期t2期间采集的信号是F2域的FID。信号只在检测期记录，而演化期中的演化反映在对检测期起始条件的某种调制。 检测期中t2累加

4、、贮存的每个FID都是演化期t1的函数，检测信号的强度和相位取决于演化期、混合期行为的结果。进动的核磁化矢量有不同的化学位移和自旋耦合常数，因而有不同的共振频率，其FID信号是这些因素相位调制的结果。通过精细控制时间长度可使某期间仅表现化学位移的相位调制，而某起劫案又仅表现自旋耦合的相位调制，施加各种不同的调制就产生了各种不同的二维核磁共振。v二维核磁共振是相干转移过程的表征。v高分辨NMR谱中，有两种基本的自旋-自旋相互作用可用于相干转移：I.通过键的标量自旋-自旋耦合(J耦合)：产生可观测的多重裂分，这种耦合只是在被几个键分开的自旋核之间才会产生，因此对研究有机化合物结构和说明分子中原子间

5、键的连接十分有用。标量耦合的大小对于单键和双键扭转角的改变很敏感，因此对分子的空间结构提供着重要信息。II.两种自旋核通过空间进行的偶极-偶极耦合：对溶液中的分子的核的弛豫起主要作用，在1D NMR谱中这种作用表现为谱线的增宽效应。会使空间相邻的核间产生相互弛豫，即交叉弛豫，这种分子内的交叉弛豫产生核的NOE效应。其大小依赖于可发生交叉弛豫的两个核之间的距离，因而可以测分子在溶液中的原子的核间距。III.第三种相关作用是通过交换过程所提供的相干转移，交换相干转移不能在多自旋体系中发生，如果处在分子A或B中的同一个核具有不同的化学位移，则可能产生所谓的交换谱。2D NMR交换谱不仅可测定在平衡态

6、的反应速率常数，而且可以测定在互变异构分子中的位置交换及机理。三、2D NMR的分类2D NMR谱基本可分为两类：1. 二维J谱 在演化期t1利用自旋回波产生J调制，即化学位移在后半个演化期内进动，聚焦或有效翻转，只保留J耦合的进动，FID仅受J耦合调制； 在检测期t2期间观察质子的化学位移（同核二维J分解谱）或观察质子的宽带去耦13C谱（异核二维J分解谱）； 经过两次FT变换后，得到的二维谱的两个频率轴中F1轴表示耦合常数，F2轴表示化学位移。 二维J谱将谱峰重叠在一起的一维谱的化学位移和耦合常数分解在两个不同的轴上，扩展成平面，使复杂谱峰的耦合常数的分析成为可能。2. 二维相关谱二维相关谱

7、是在演化期t1中对核进行标记，在混合期中完成相干传递，即把t1期间的相干传递给有关的另一相干，以供t2期间的检测。这种相干传递是通过核间耦合作用实现的。二维相关谱主要分为：I.化学位移相关谱：若自旋核A和自旋核X具有一个J耦合常数，那核A的检测信号在t1期间受到核X进动频率的调制，混合期内A和X核感受到了这种耦合效应，对t1域FT后，这些调制就以相关峰形式出现。II.多量子跃迁谱：用适当的脉冲序列间接观测一维FT变换NMR谱中不能观测到的零量子跃迁和多量子跃迁。在演化期使它按多量子跃迁频率进动，在混合期使之转换成可观察的横向磁化矢量，因此在检测期可以间接测定多量子跃迁。III. 化学交换/NO

8、E二维谱：它不同于COSY谱，磁化转移不是靠质子间标量耦合调制，而是靠交叉弛豫机理，依赖于核间的偶极-偶极相互作用，最后通过检测核的布居数分布的改变来观测纵向磁化矢量强度。二维谱的关键是合理设计演化期和混合期，使在t2期间所观察的每一个共振都被演化期中有用的频率所调制，其检测信号一定与t1有关。二维J分解谱不需要混合期，但二维相关谱混合期不可少。四、二维J分解谱如果在t1和t2的时间划分处没有任何物理操作，只是核自旋在t1段受H(1)作用，在t2段受H(2)作用，由于自旋体系受到的作用不同，因此时间轴被识别开了，这种方法得到二维分解谱。在液体分子常规NMR谱中共振峰的位置由化学位移/2 和标量

9、耦合J两个参数确定。若在演化期t1自旋系统受：在检测期t2，系统受 ： (1)2jkjkjkJ II(2)2jjzjkjkjjkIJ II只与耦合常数有关 同核二维J分解谱的脉冲序列靠J调制自旋回波来分解化学位移与J耦合。 异核耦合系统若只加13C的180脉冲会消去J耦合作用，所以必须同时加1H的 180脉冲，这样才能保存J耦合作用。四、二维相关谱COSY二维相关谱 (2D COSY)比二维J分解谱更重要，其中用的最广泛的是化学位移相关谱，它的两维坐标F1和F2都表示化学位移，从中可以得到各种核之间连接的信息。2D COSY实验脉冲序列第一个90脉冲产生单量子相干（横向磁化）；t1和t2之间的混合脉冲产生相干转移：