核磁共振谱学8

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,NOE,表现为当某些核自旋的平衡状态（或布居）受到改变时，其邻近核的,NMR,信号就会改变（增强或减弱）。我们用两自旋,IS,体系能级图来解释。,在通常射频作用下，受激跃迁只有满足,m=1,的跃迁才是允许的。双量子跃迁（,m=2,）,和零量子跃迁（,m=0,）,在射频作用下是禁阻的，但在偶极自旋算符的作用下上面六个跃迁都是允许的。,aa,(*),(*),a,b,bb,(),W,1S,W,1S,W,1I,W,1I,b,a,(*),W,2,W,0,W,1I,，,W,1S,单量子跃迁几率,W,0,零量子跃迁几率,W,2,双量子跃迁几率,I,跃迁等于,2,7.5,核的,Overhauser,效应（,NOE,）,NOE,是体系（某一自旋）释放能量的方式之一，所以它与弛豫过程密切相关，主要来自两个核自旋之间的,偶极偶极,相互作用。,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,(*),(*),a,b,bb,(,*,),W,1S,W,1S,W,1I,W,1I,b,a,(*),W,2,W,0,S,跃迁受到饱和后，交叉弛豫,W,2,和,W,0,成为最有效的弛豫过程。两个弛豫过程彼此竞争。,aa,(*),(*),a,b,bb,(),W,1S,W,1S,W,1I,W,1I,b,a,(*),W,2,W,0,S,如果,W,2,是主导弛豫过程，则信号增强。,aa,(*),(*),a,b,bb,(,*,),W,1S,W,1S,W,1I,W,1I,b,a,(*),W,2,W,0,I,跃迁等于,1,aa,(*),(*),a,b,bb,(),W,1S,W,1S,W,1I,W,1I,b,a,(*),W,2,W,0,I,跃迁等于,3,如果,W,0,是主导弛豫过程，则信号减弱。,W,2,-W,0,2,W,1I,+W,2,+W,0,h,=,(,g,s,/,g,I,),理论计算推倒出,NOE,因子,（,Solomon equation,）,：,若,W,2,W,0,，则有正的,NOE,效应，即照射,S,核时,I,核的信号将增强；反之，若,W,2,W,0,，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,（,扩散限制,），,W,0,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：,c,1.12,。,对于异核，在小分子快速翻滚的情况下，,=,S,/2,I,。对,CH,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,运动,快 中等 慢,180,S,脉冲,开减关,关,开,正,NOE,零,NOE,负,NOE,S,I,I,I,S,S,质子质子距离,(,),1,2,3,4,5,相对,NOE,强度,(%),6400,100,8.8,1.6,0.4,Presaturation,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,z,x,y,z,x,M,xy,y,M,o,90,y,acquisition,pulse,矢量形式：,90,y,90,y,n,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,1,H,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,f,1,H:,13,C:,1,H,t,D,f,1,H:,13,C:,1,H,t,D,t,D,=5 T,1,1D-,13,C,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,M,z,表示。,z,x,y,z,x,M,xy,y,M,o,90,y,M,z,=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。,M,z,=-M,o,，粒子数反转,z,x,z,x,y,M,o,180,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,M,x,或,M,y,表示。,z,x,y,z,x,M,xy,y,M,o,90,y,90,脉冲产生相干（,M,xy,）,180,y(or x),90,y,t,D,t,D,8.2,自旋回波,8.2.1,自旋回波对化学位移的影响,x,z,y,x,y,x,y,t,D,f,w,eff,x,y,t,D,y,180,x,f,w,eff,eff,=-,o,如果在第二个,t,D,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,13,C,J(Hz),aa,a,b,b,a,bb,13,C,13,C,1,H,1,H,自旋回波和异核偶合,APT(,A,ttached,P,roton,T,est,),实验,所以我们常常除去,1,H,偶合，这意味这要饱和,1,H,跃迁，使,13,C,信号变成单线,(,右图没有考虑,NOE,的影响,),。,13,C,aa,a,b,b,a,bb,1,H,13,C,1,H,13,C,考虑,13,C,和,1,H,的偶合，如果观测,13,C,谱，会看到由于与,1,H,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。,180,y(or x),90,y,t,D,t,D,1,H,1,H:,13,C:,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,13,C,磁化的行为的影响。,x,y,z,x,y,x,y,t,D,f,J/2,-J/2,(,),(,),=,*,t,D,*J,CH,：,/2,脉冲之后，,13,C,磁化,M,xy,在,J,偶合作用下旋进，两个矢量分别对应于,1,H,的和态，通常说成是,13,C,磁化矢量受到,1,H,状态的标记。,现在我们加上,180,度脉冲并开始去偶。,x,y,x,y,x,y,x,y,x,y,t,D,x,y,t,D,(a),(b),x,y,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,t,D,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,1,H,去偶情况下，第二个,t,D,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：,x,y,180,y,去偶,现在我们取不同,t,D,值，可以得到不同的信号强度。对,CH,2,和,CH,3,，,分析是相似的。,信号强度随,t,D,变化，当,t,D,等于,1/2J,时，,CH,n,信号强度为零，当,t,D,等于,1/J,时，,CH,n,信号强度最大或最小。,t,D,t,D,=1/2J,t,D,=1/J,CH,t,D,t,D,=1/2J,t,D,=1/J,CH,2,t,D,t,D,=1/2J,t,D,=1/J,CH,3,可以用于区分,CH,CH,2,CH,3,，,即可用于区分碳的类型。,实验时，,t,D,设为,1/J,。,该实验的成功之处在于其结果对,t,D,1/J,的条件不敏感，即允许,J,CH,有一定的取值范围。至于如何区分季碳和,CH,2,，,CH,和,CH,3,，,则比较麻烦。,现在,APT,已由,DEPT,序列所取代。,180,y(or x),y,t,D,t,D,1,H,1,H:,13,C:,180,y(or x),APT(attached,proton test),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,t,D,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,1,H,的状态所标记。,x,y,x,y,t,D,f,J/2,z,x,y,-J/2,(,),(,),180,y(or x),90,y,t,D,t,D,对不同的,t,D,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,t,D,之后加上,脉冲，不仅磁化矢量翻转方向，同时,1,H,布居也被翻转，即,1,H,标记被翻转。,在第二个,t,D,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。,x,y,J/2,-,J/2,(,),(,),x,y,-,J/2,J/2,(,),(,),180,y(or x),如双重峰和三重峰在不同,t,D,时的线型：,x,y,J/2,-,J/2,(,),(,),t,D,=0,180,x,x,y,J/2,-,J/2,(,),(,),t,D,=1/4J,x,y,J/2,-,J/2,(,),(,),180,x,x,y,J/2,-,J/2,(,),(,),t,D,=0,x,y,J/2,-,J/2,(,),(,),x,y,t,D,=1/4J,-,J/2,(,),J/2,(,),t,D,=1/2J,-,J/2,x,y,(,),J/2,(,),180,x,-,J/2,x,y,(,),J/2,(,),x,y,t,D,=1/2J,-,J/2,(,),J/2,(,),双重峰：,x,y,J,-,J,(,),t,D,=0,(,),(,),(,),180,x,x,y,J,-,J,(,),(,),(,),(,),t,D,=0,x,y,J,-,J,(,),(,),(,),(,),t,D,=1/4J,x,y,J,-,J,(,),(,),(,),(,),x,y,t,D,=1/4J,-,J,J,(,),(,),(,),(,),180,x,x,y,J,-,J,(,),(,),(,),(,),t,D,=1/2J,x,y,-,J,J,(,),(,),(,),(,),180,x,x,y,-,J,J,(,),(,),(,),(,),t,D,=1/4J,x,y,-,J,J,(,),(,),(,),(,),三重峰：,8.3,极化转移,非灵敏核（如,13,C,15,N,29,Si,等）的信号很弱，虽然,13,C,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,15,N,和,29,Si,，,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。,S,1,2,3,4,aa,a,b,b,a,bb,S,S,I,I,2,3,1,4,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,1,H,）,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,1,3,2,4,I,现在我们有选择地照射并