二维核磁共振谱

2D NMR 的概念最初是 J.Jeener 于 1971 年在一个国际暑期讲习班上提出的，但他的这篇报告至今从未发表过。Ernst 对 2D NMR 的理论和技术进行了详尽的研究，于 1975 年从实验上实现了 2D NMR。此后的十余年间，2D NMR 技术发展极为迅速，已有两本专著出版。

常规 NMR 谱可称为一维 NMR 谱（1D NMR），信号强度是一个频率的函数 S=S（ω）。2D NMR 谱的信号强度则是两个频率的函数 S=S（ω1， ω2）。实验上，收集到的信号是两个时间变量的函数

s=s（t1，t2） （3）

将上述二维时间域函数进行二重傅利叶变换，就得到二维频率域函数 S（ω1，ω2）

s（t1，t2）→S（ω1，ω2） （4）

1D NMR 谱是一张二维的图；2D NMR 应是一张三维的图，但通常将其绘成二维图，S（ω1，ω2）的大小用等高线表示。1DNMR 与 2DNMR 的区别不仅在结果的表示上，更重要的是 2D NMR 可以提供 1D NMR 难以得到或者无法得到的信息。以七甲基苯正离子中的迁移反应为例（图 2），在室温1D NMR 谱中，甲基质子峰有 4 个，相对强度比为 2∶2∶2∶1，但无法知道甲基是否迁移和经由什么机理迁移。有人用变温 1D NMR 对该体系进行了研究，经计算机对峰形随温度变化进行拟合确定，甲基是经由 1—2 迁移机理交换的。这一工作的难度相当大。

Ernst 用 2DNMR 技术研究了七甲基苯正离子 40℃下在 9.4mol/LH2SO4

溶液中的甲基迁移反应，得到的 2D 化学交换谱见图 3。为了比较，该图上方给出了该离子的 1DNMR 谱。对角线上的 4 个峰在峰位和相对强度上

均与 1DNMR 谱完全吻合。在非对角线上有强度相等的 3 对峰，清楚地表明甲基迁移反应是在（1，2），（2，3）及（3，4）位间进行的。这就无庸置疑地证明了甲基迁移主要是通过 1—2 迁移机理进行的。

2D NMR 实验包括四个阶段（图 4）：

（1）准备期 在此阶段中用射频脉冲或脉冲序列对样品进行激发， 即将宏观磁化强度矢量 M 从其平衡位置（与静磁场 B0 平行）旋转一个角度β。在许多情况下β=90°。（2）发展期此阶段的延续时间即信号 s

（t1，t2）的第一个时间变量 t1。在此期间令宏观磁化强度自由弛豫，

或在其间施加射频脉冲或脉冲序列进行扰动。经过发展期后，体系在发生相干性转移之前的特征共振频率就包含到以后被检测到的信号 s（t1， t2）中去了。（3）混合期通过对体系施加射频脉冲或令其经历自发的化学交换、交叉弛豫或自旋扩散使相干性发生转移，即将一种（或一些） 磁能级跃迁转换成另一种（或一些）磁能级跃迁。（4）检测期 目的是检测和记录经过发展期和混合期后的磁化强度的自由感应衰减信号。在上述四个阶段中，混合期并不是每一类 2D NMR 实验都是必须的。为了获得二维时间域谱 s（t1，t2），需设计一系列的实验，其中每一次实验得到的 s（t1，t2）中 t2 是实时间变量，t1 为参量；系统改变 t1，即可得到二维数组 s（t1，t2）。2D NMR 需要获取的数据点是非常多的。对微型计算机而言，存贮和将它们进行傅利叶变换都是问题。不过这个问题已经解决。

2D NMR 实验的四个阶段可以根据需要灵活组织，从中可以得到的结构信息和动态性质很丰富，目前已成为研究生物大分子（如蛋白质和核酸）结构的重要工具。与 X 射线衍射法不同，2D NMR 法不要求将待测物培养成单晶，可以直接测定它们在溶液中的结构。例如 M.P.Wiliamson 等用 2D NMR 测定了牛精液蛋白酶抑制剂（BUSI Ⅱ A）在溶液中的结构， 并与 X 射线衍射法的测定结果做了比较。2D NMR 还可以用来研究固体物质，例如研究高分子材料的多相性质等。基于同样的原理，人们还可以设计出三维，甚至多维的核磁共振实验。