核磁共振譜學(xué)8

飽和S躍遷，即用射頻場照射S核，使S躍遷對應(yīng)的兩個(gè)能級布居相等。aa(***)(***)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(*)W2W0S躍遷受到飽和后，交叉弛豫W2和W0成為最有效的弛豫過程。兩個(gè)弛豫過程彼此競爭。aa(****)(**)

abbb()W1SW1SW1IW1Iba(**)W2W0{S}如果W2是主導(dǎo)弛豫過程，則信號增強(qiáng)。aa(***)(**)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(**)W2W0I躍遷等于1aa(****)(***)

abbb()W1SW1SW1IW1Iba(*)W2W0I躍遷等于3如果W0是主導(dǎo)弛豫過程，則信號減弱。W2-W02W1I+W2+W0h=(gs/gI)理論計(jì)算推倒出NOE因子（Solomonequation）：

若W2>W0，則有正的NOE效應(yīng)，即照射S核時(shí)I核的信號將增強(qiáng)；反之，若W2<W0，呈負(fù)NOE，I核信號將減弱。

對小分子，它們在溶液中翻滾很快，c<<1（極窄條件），W2主導(dǎo)，有正的NOE增強(qiáng)（=0.5

）。

對大分子，它們在溶液中翻滾慢，c>>1（擴(kuò)散限制），W0主導(dǎo)，有負(fù)的NOE增強(qiáng)（=-1

）。

從小分子到大分子，從0.5降到-1，即通過零值。為零的條件：c1.12。

對于異核，在小分子快速翻滾的情況下，=S/2I。對C{H}體系，=2。

NOE與自旋體系的頻率和分子在溶液中滾動(dòng)的速度（1/c）直接相關(guān)：

即對中等大小分子，它們在溶液中翻滾速度中等，

c

1，NOE接近零（與NMR基本頻率有關(guān)，一般分子量在1000～3000）。

分子小中等大分子量

<1000≈1000>1000

運(yùn)動(dòng)快中等慢180oS脈沖開減關(guān)關(guān)開

正NOE零NOE負(fù)NOESIIISS質(zhì)子－質(zhì)子距離(?)12345相對NOE強(qiáng)度(%)64001008.81.60.4PresaturationofANOE與原子間的距離相關(guān)(正比于r-6)

，故為確定分子三維空間結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。8.1引言zxyzxMxyyMo90yacquisitionpulse矢量形式：90y90yn簡化形式：第八章多脈沖序列的應(yīng)用最基本也是最簡單的脈沖序列是通常的1D－1H譜所采用的單脈沖序列：

NMR實(shí)驗(yàn)是由一系列脈沖序列構(gòu)成，人們?yōu)榱瞬煌膶?shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)了各種不同的脈沖序列。正是這些種類繁多的脈沖序列才使得NMR得以廣泛的應(yīng)用。質(zhì)子寬帶去偶譜反門控去偶譜f1H:13C:{1H}tDf1H:13C:{1H}tDtD=5T11D-13C譜中的質(zhì)子寬帶去偶譜和門控去偶譜也屬單脈沖序列實(shí)驗(yàn)。單脈沖FT實(shí)驗(yàn)除節(jié)省時(shí)間外，所得信息與CW-NMR方法相同。多脈沖實(shí)驗(yàn)在觀測之前設(shè)立發(fā)展期和混合期，利用發(fā)展期和混合期調(diào)制檢測信號的初始狀態(tài)，控制實(shí)驗(yàn)的檢測信息。在發(fā)展期和混合期，核自旋可通過各種相互作用（偶極-偶極相互作用、J偶合相互作用、化學(xué)交換等）實(shí)現(xiàn)磁化量的傳遞，達(dá)到提高靈敏度、把過多信息分開、間接觀測多量子躍遷等目的。準(zhǔn)備期(Preparation)發(fā)展期(Evolution)檢測期(Acquisition)混合期(Mixing)磁化量的傳遞包括極化傳遞和相干傳遞。極化：不同能級間粒子數(shù)之差，可用Mz表示。zxyzxMxyyMo90yMz=0，零極化相干：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，不僅包括m=1的狀態(tài)之間的關(guān)系，還包括m=0，m=2等狀態(tài)之間的關(guān)系。Mz=-Mo，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)zxzxyMo180相干可以看成是橫向的、相位有序的量。對m=1，相干可以用相位有序的橫向磁化Mx或My表示。zxyzxMxyyMo90y90脈沖產(chǎn)生相干（Mxy）180y(orx)90ytDtD8.2自旋回波8.2.1自旋回波對化學(xué)位移的影響xzyxyxytDfweffxytDy180xfweffeff=-o如果在第二個(gè)tD之后立刻采樣，除信號是負(fù)的以外，沒有去相位影響，原則上可以得到純的吸收線型。8.2.2自旋回波對J偶合的影響13CJ(Hz)aaabbabb13C13C1H1H自旋回波和異核偶合–APT(AttachedProtonTest)實(shí)驗(yàn)所以我們常常除去1H偶合，這意味這要飽和1H躍遷，使13C信號變成單線(右圖沒有考慮NOE的影響)。13Caaabbabb1H13C1H13C考慮13C和1H的偶合，如果觀測13C譜，會(huì)看到由于與1H偶合產(chǎn)生的譜線分裂，偶合常數(shù)在50～160Hz之間，導(dǎo)致譜圖復(fù)雜化和譜線的重疊以及強(qiáng)度的降低。180y(orx)90ytDtD{1H}1H:13C:現(xiàn)在對自選回波脈沖序列進(jìn)行小小的修正，即加上質(zhì)子去偶。下面考慮不同情況下該序列對13C磁化的行為的影響。xyzxyxytDfJ/2-J/2()()=*tD*JCH：/2脈沖之后，13C磁化Mxy在J偶合作用下旋進(jìn)，兩個(gè)矢量分別對應(yīng)于1H的和態(tài)，通常說成是13C磁化矢量受到1H狀態(tài)的標(biāo)記?，F(xiàn)在我們加上180度脈沖并開始去偶。xyxyxyxyxytDxytD(a)(b)xy去偶180度脈沖翻轉(zhuǎn)了磁化矢量，去偶消除了磁化矢量的標(biāo)記，并有效地使由偶合引起的旋進(jìn)停止。在第二個(gè)tD結(jié)束時(shí)，x方向有一凈的橫向分量，y方向的分量相互抵消。所以，在1H去偶情況下，第二個(gè)tD重聚了化學(xué)位移，可以得到具有很好相位的譜圖。上面的演化也可表示為：xy180y去偶現(xiàn)在我們?nèi)〔煌瑃D值，可以得到不同的信號強(qiáng)度。對CH2和CH3，分析是相似的。信號強(qiáng)度隨tD變化，當(dāng)tD等于1/2J時(shí)，CHn信號強(qiáng)度為零，當(dāng)tD等于1/J時(shí)，CHn信號強(qiáng)度最大或最小。tDtD=1/2JtD=1/JCHtDtD=1/2JtD=1/JCH2tDtD=1/2JtD=1/JCH3可以用于區(qū)分CH,CH2,CH3，即可用于區(qū)分碳的類型。實(shí)驗(yàn)時(shí)，tD設(shè)為1/J。該實(shí)驗(yàn)的成功之處在于其結(jié)果對tD＝1/J的條件不敏感，即允許JCH有一定的取值范圍。至于如何區(qū)分季碳和CH2，CH和CH3，則比較麻煩。現(xiàn)在APT已由DEPT序列所取代。180y(orx)ytDtD{1H}1H:13C:180y(orx)APT(attachedprotontest)實(shí)驗(yàn)APT實(shí)驗(yàn)，是早期的多脈沖序列之一，(<90)脈沖使部分磁化矢量留在+z方向，下一個(gè)180脈沖使其翻轉(zhuǎn)到-z方向，－180－脈沖單元是為了把-z方向的磁化矢量翻轉(zhuǎn)到+z方向。為接收機(jī)恢復(fù)所設(shè)置。自旋回波和同核偶合讓我們考慮兩個(gè)質(zhì)子的偶合，在正共振情況下，在/2脈沖和tD延遲后，橫向磁化矢量在J偶合作用下進(jìn)動(dòng)，每個(gè)磁化矢量由1H的狀態(tài)所標(biāo)記。xyxytDfJ/2zxy-J/2()()180y(orx)90ytDtD對不同的tD值，得到不同的線型，這種現(xiàn)象叫J調(diào)制，很多脈沖序列都利用了J調(diào)制來得到想要的信息。如果第一個(gè)tD之后加上脈沖，不僅磁化矢量翻轉(zhuǎn)方向，同時(shí)1H布居也被翻轉(zhuǎn)，即1H標(biāo)記被翻轉(zhuǎn)。在第二個(gè)tD延遲，兩個(gè)磁化矢量分量不是重聚，而是繼續(xù)反相旋進(jìn)，結(jié)果是兩個(gè)矢量分開更遠(yuǎn)。xyJ/2-J/2()()xy-J/2J/2()()180y(orx)如雙重峰和三重峰在不同tD時(shí)的線型：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()雙重峰：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極化轉(zhuǎn)移非靈敏核（如13C,15N,29Si等）的信號很弱，雖然13C核可以通過質(zhì)子寬帶去偶的方法增加信號的強(qiáng)度（獲得正的NOE增強(qiáng)），但并不是所有的核都可以通過此方法獲得增加的靈敏度，如15N和29Si，它們具有負(fù)的值，質(zhì)子寬帶去偶會(huì)產(chǎn)生負(fù)的NOE，這將導(dǎo)致非靈敏核信號的減小，甚至使信號為零。S1,23,4aaabbabbSSII2314?????????

代表能級間超出的布居數(shù)。極化轉(zhuǎn)移方法是把來自靈敏核（如1H）的較大布居差轉(zhuǎn)移給非靈敏核。弱偶合IS體系8.3.1同核極化轉(zhuǎn)移1,32,4I現(xiàn)在我們有選擇地照射并飽和S核的一個(gè)躍遷，使其布居差為零，整個(gè)自旋體系的布居因此而受到改變。I1,32,4aaabbabbSSII2314????????其結(jié)果是I核信號的強(qiáng)度發(fā)生了改變，兩條線強(qiáng)度由原來的2:2變成了1:3，極化從S核轉(zhuǎn)移給了I核，這被稱為SPT(SelectivePolarizationTransfer)。如果我們對S核加一個(gè)選擇性的脈沖（低功率），它就會(huì)翻轉(zhuǎn)自旋體系中的一個(gè)躍遷的布居。180s90aaabbabbSSII2314????????1,32,4I1,23,4S1,23,4S結(jié)果是I核信號的強(qiáng)度發(fā)生了改變，兩條線強(qiáng)度由原來的2:2變成了0:4，極化從S核轉(zhuǎn)移給了I核，這被稱為SPI(SelectivePopulationInversion)?，F(xiàn)在如果我們選擇性地翻轉(zhuǎn)1,2躍遷，13C信號從1:1變成(-3):5，兩個(gè)13C信號分別得到負(fù)、正四倍增強(qiáng)。aaabbb13C13C1H1Hba?????????

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?8.3.2異核極化轉(zhuǎn)移CH體系的能級圖（僅反映出的差別，沒有給出天然豐度的差別）。當(dāng)我們照射1,2躍遷并使之飽和后(SPI)，新的能級布居導(dǎo)致13C信號的強(qiáng)度比從1:1變成了(-1):3，兩個(gè)13C信號都得到兩倍的增強(qiáng)（一個(gè)負(fù)增強(qiáng)和一個(gè)正增強(qiáng)）。1,23,4H1,32,413C1,23,4H1,32,413C1,23,4H上面的CH異核極化轉(zhuǎn)移(SPT和SPI)結(jié)果得到的是一個(gè)正峰和一個(gè)負(fù)峰(差分譜)，如果去偶的話，極化轉(zhuǎn)移增強(qiáng)就將消失。180s1H:13C:90tD{1H}如果引進(jìn)J調(diào)制，就能把差分譜變成相同相位的信號，這樣就可以1H去偶。xyxtD=1/2Jy8.3.3J調(diào)制和極化轉(zhuǎn)移在這個(gè)脈沖序列中，如果把

tD設(shè)為1/2J，這意味者在/2(13C)脈沖和tD延遲之后，13C磁化矢量將重聚，所有信號都為正的信號，1H去偶后13C信號仍然得到極化增強(qiáng)。90y90xtDtD=1/2JCHzxbyatD=1/2Jzxbya90yzxbya90x如果激發(fā)13C躍遷，會(huì)得到極化轉(zhuǎn)移信號。SPT和SPI的缺點(diǎn)是使用選擇性軟脈沖(chubbypulse)，這有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)。如下脈沖序列是用硬脈沖實(shí)現(xiàn)布居反轉(zhuǎn)。第一個(gè)90x對準(zhǔn)某一個(gè)1H的化學(xué)位移，導(dǎo)致其磁化矢量的、分量都倒向-y，在1/2J延遲時(shí)間里，快的

分量和慢的分量相位相差180度第二個(gè)90y脈沖導(dǎo)致1H布居翻轉(zhuǎn)。8.3.4非選擇性極化轉(zhuǎn)移

SPI的另外一個(gè)缺點(diǎn)是它的選擇性，每次只能選擇一個(gè)質(zhì)子峰進(jìn)行照射，對擁擠的質(zhì)子峰這有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)。最好的方法是能夠一次就翻轉(zhuǎn)所有質(zhì)子的信號，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子到非靈敏核的極化轉(zhuǎn)移。實(shí)現(xiàn)該目的一個(gè)方式就是在兩個(gè)90度脈沖之間加上一個(gè)自旋回波序列。這個(gè)自旋回波序列使1H化學(xué)位移重聚。所以兩個(gè)90度脈沖之后，所有1H布居實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。xytDbatD=1/4JCH90xtD90ytD1801801H13CxybayxabtDxy1801H18013CbaINEPT(InsensitiveNucleiEnhancementbyPolarization

Transfer)把上面的脈沖序列稍加擴(kuò)展，就得到了INEPT，這是一個(gè)非常重要的脈沖序列，也是許多多脈沖序列的構(gòu)筑單元。INEPT主要用于增加13C，15N等核的靈敏度。180180x90xtDtD90y901H:X:這里X核是13C,1H等。脈沖序列對磁化的作用與上面的相同，只是在X核上加了一個(gè)/2讀脈沖，用來產(chǎn)生橫向磁化矢量。INEPT觀測后需要恢復(fù)的是1H的平衡磁化，由于T1H常比T1C短，因此靈敏度最高可改善到(T1C/T1H)1/2(H/C)n。重聚INEPT如果用INEPT，會(huì)遇到如(-3):(+5)強(qiáng)度問題，去偶將失去極化轉(zhuǎn)移增強(qiáng)。我們希望重聚13C磁化，以便可以1H去偶，得到?jīng)]有分裂的13C信號。下面的脈沖序列可以實(shí)現(xiàn)13C磁化的重聚。180180x90xtD90y901H:13C:tD180xDD180{1H}該序列只是在INEPT的結(jié)尾處加上一個(gè)重聚脈沖序列單元，在第二個(gè)之后就可以加上1H去偶并檢測FID信號。

xyabxybaD在/2(13C)脈沖之后，在xy平面得到增強(qiáng)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。要使所有類型的碳都有相近的信號增強(qiáng)，取≈1/7J。I(CH):I(CH2):I(CH3)=0.82:0.95:0.82xyabDyx18013C

1801Hba各類碳信號對有不同的依賴關(guān)系，據(jù)此可以將碳信號按多重性進(jìn)行分類。INEPT譜中沒有季碳的信號。CH3CH2CH2J/2/43/4I1.00.0-1.0利用上圖可以進(jìn)行譜編輯，如記下三張INEPT譜，依次為，A：

J=1/8，B：J=1/4，C：J=3/8，則譜A中[I(CH):