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1、有机化学、198启,1,l一1台Y OU JIHUAX U E蒸翼蒸!核OVERHAUSE R效应(NO E)的应用周原朗李华立(西蒙.弗雷泽大学化学系,勃那比市,不列颠.哥伦比亚省,加拿大)引,双共振是核磁共振(NMR)谱中的一种特种技术。运用双共振时,磁场B:和扫描磁场B,同时作用于样品,从而使部分共振得到饱和。这种实验结果的变化范围很广,它取决于B,的频率和强度。双共振的重要现象之一是核Overh ause r效应(NOE)。NOE的定义是当某一自旋的NMR吸收得到饱和时,另一自旋的NMR吸收 强度积 分值的改变I二,2。自从Solomo n和B】o emb e.o。首次描述N OE t
2、月以来,有关NOE的理论和实际应用的文献已经大量出版。目前,N o E已成为许多实验室的常规手段。理论橄要当一个自旋为1/2的核处于强度为B。的磁场中.会裂分为两个能级,即a和日(a在能量上低于日),其能量差为E二Y(九/2冗)BO式中丫为核的旋磁化率,h为P lan ck常数。假如将一个频率与核自旋的La而o r运动频率相同的磁场(rf),r 二E/h=(Y/27 r)B。作用于这些核 自旋,就会发 生能级之间的跃迁。起先,两个能级处于热平 衡状态,即低能级a上的粒子数将略大于高能 级日上的粒子数,这一点由Bo l t zman分布所决 定。因 此,a, 日跃迁的粒子数将超过 日,a跃迁的粒
3、子.数。一旦r f磁场非常强,则两个能级的粒子数就弋刽目等,能量吸收就会停止,这个现象称为饱和。饱和的体系会通过某种途径返回到平衡状态,这称为弛豫过程。分析Solomon图(图z食)”3J可以帮助理解NOE。一个只有两个核自旋1/2 (I和S)的简单体系,其能级分为aa,Q日,日a以及日队自旋工总是排列在前)。要观察到NOE,有关自旋并非一定要相互偶合,但必须具有相近的空间位置,这样才足以使它们相互发 生弛豫。要注意的是,只有当总自旋数的改变为士1时,才会发生跃迁。因此只有a a到a日或日a的跃 迁才是允许的,但aa到阳的跃迁却是禁阻的。图1中,两个单量子的跃迁Wl:,均是允许的,并 且能量也
4、相等。W气 也同样如此,但双量子跃迁W:,却是禁阻的。只能间接地发生在弛豫过程中。在平衡时,自旋a和日的粒子数仅有极小的差别。假设能级2和能级3的粒子数为G,则能级1和能级4分别为G+e和G一e oNMR谱线的强度正比于能级之间粒子数的差值(例如:P,一P:乃指能级1和能级3上粒子数之差),这样,跃迁Wl:就正比于P,一P:或P:一P一。如果I和s之间不存在着偶合,这两个跃迁wl:的能级差相同,只显示一条谱线。同样,Ws,的强度正比于P:一P,以及P,一P,也只有一条谱线。这种情况小结如下:能级平衡态的粒子数IG+e2G3G4G一e自旋工的跃迁强度:Pl一P:二e以及PZ一P一=e如有一高强去
5、偶磁场作用于样品,使自旋S饱和,则能级1和能级2的粒子数就会相等,能级3和能级4的粒子数也会相等,即P,=P:以及P:=P,这说明低能级中过量自旋数的一半被激发到高能级,自旋粒子数的分布如下:能级G一饱和时的粒子数IG+e/2ZG+e/23G一e/24G一e/2修凡 化合物结构式,图及表均 请见英文稿。有机化学105 6年自旋I的跃迁强度:P,一P ,二e以及P一P二e假如两个自旋之间只发生这些情况,而无任何弛豫过程发生,那就根本观察不到NOE。然而,能级1和能级4之间的粒子数差,P:一P .,在平衡时为Ze,当自旋S被饱和时,则只有e。所以弛豫过程W:就会通过自旋弛豫,使能级1和能级4重新回
6、到平衡状态。假设弛豫的自旋数为d,自旋粒子数分布就成为下面的情况:能级S一饱和及w:弛豫时的粒子数IG+e/2+dZG+e/23G一e/24G一e/2一d自旋I跃迁强度:Pt一P:二e+d以及P:一P一=e +d这样,因为发生弛豫的每条Wl :谱线的强度要 比原先的强度增加d。只要和时间有 关的偶极一偶极作用对弛豫产生作用,这种情况就会发生。从理论上讲,谱线强度的增加有个最大极限,但实际观察到的往往要小一些,因为弛豫不会总是那么有效,其他在能级3和能级2之间的弛豫过程也会使NOE减弱。NOE强度的增加可用下式表示:f“总=孕,s J然而,介(总)的最大极值仍为1/ 2,只要S和I为同一种核的话
7、。还有值得重视的一点是,偶极一偶极作用对两个核的弛豫所作的贡献正比于核间距离倒数的六次方,即:1“二(R九 )“ “=奇这里S为被照射的核,而I为观察到的核。换言之,谱线的增强和相应核的旋磁比直接有关。对同核自旋来说,。, “一孟因此,NOE只有在有关核处于相对接近的空间关系时才能观察到.对氢核来说,核 间距离要小于3盖左右(图3)。同时,也必须指出,核间距离的略微增加将导致NOE强度的急剧减弱。这种关系使得NOE成为结构分析的有力工具,特别是当需要决定分子中S:或S:二个核中的哪一个是和第三个核I距离 较接近时,更是如此。在构象分析中仔细研究NOE,可以发现在小分子全质子体系中,某种几何分布
8、的自旋会导致间接的负NOE.这一点可以用 图4中的三一自旋体系加以简单说明。在最近的NO E实验中,一个核(例如,H一a )先被照射一段时间,然后在下一个r f脉冲前,停止照射,于是H一a的信 号减弱,而H一b和H一c的信号 则增强t s 。自旋H一a的B olt zm al i n粒子数差值的降低,增加了H一和Hc的粒子数 值:这就是正的NOE。以此类推,自旋H一b粒子数差值的增加,应使H一c的粒子数差值降低,即和照射H一的结果相反。由此产生了间接负NO E和直接的正NOE互相竞争.很明显,当e降低时,H一a所产生的正效应对H一。的N OE的贡献就增加。正因为如此,只有质子处于线性排列时负的
9、NO E才会在三一自旋体系中显示出来。对异核自旋来说,如果竹和物同号,1 1(s )夯。如果Y:和丫,异号,I:(S)(o图2是正、负两种NOE的实例。在某些场合,fx(S )恰好为一1,NMR信号被产生的NOE完全抵消,结果就观察不到任何吸收谱线。这种相当麻烦 的情况可以采用特殊的脉冲程序加以克服。用惰性的顺磁试剂,如C r(a c a c)3,也能消除卜s的偶极一偶极作用,从而使NMR信号重新出现,这是因为发生其它弛豫过程的缘故。如果在一个分子中有一个以上的自旋(S。),同时,对核I的弛豫起作用,总的N OE可以由下式计算:化学上的应用1.指定NMR信号一般来说,一个已知结构化合物的NMR
10、信号,可以用化学位移,偶合常数,以及积分值来指定,去偶实验的结果有时也很有用。但是如果这 些方法都不能区分NMR信号时,则 可以利用有关的质子的空间关系来指定NMR信号,即NOE技术。以一个简单的例子可说明这一点。日,日一Di met h y l-a e订liea eid(1 )的图谱由三 组侈重峰组成乏6:一个1:6:15:2 0:15:6:1的七重峰,位于5.6 6ppm,相应于H.a。还有两个双重峰位于2.97ppm和1.4 2 p pm,相应于两个甲基,这两个甲基和H一a产生四键偶合,偶第1期核Ov它Rn U SE R效 应(N OE)的应用合的程度相近。由于化学位移不能区分这两个甲基
11、双重峰,所以就可使用NOE。照射两个双重峰之一,以观察H一a。照射的结果都使H一a的七重峰简化为1:3 :3: 1的四重峰。当照射高场 甲基(1.4 2p pm)时,H一a的积分增加1 7%(表1),而照射低场甲基(1.97ppm )时,H一a的强度降低了4%。这些结果说明由于相近的空间关系,信号1.42ppm属于和H一a处于顺 式的那个甲基。当反式甲基被照射时,H一表现出弱的负NOE,这是由包括顺式甲基在内的一种三一自旋作用所引起的(见前)。化合物2是“半笼式”乙酸醋。当照射H一a时,H-b的信号增强 4 5%,明显 地说明了它 的典型空间关系 , 1。当照射其中一个信号时,另一个的强度就有
12、所增强,甚至在样品没有去氧的情况下也是如此。这 表明H - -a和Hb之间的偶极一偶极作用要比它们和其它同时存在的自旋作用(包括溶液中顺磁性的氧电子)要强得多,所以H一a和H一b确实非常接近。对citr al A(3)和eitr al B(4 )NMR信号的指定是应用N OE来确定构型的另一个例子 s 。图5和图6是其N M吸带。Ci tr alA中CHa -f信号饱和时,并不使H一g的共振强度有所增加,但在c itr aIB中,H一g的信号却增加了1 8%。这些结果确定了在c itr al A中,CHf与一CH O为顺式,(而在c itr a1 B中则为反式。在两个化合物中,照射H一c都使信
13、号1.6 8p pm增强1 6%,所以这个信号属于CH一b。由于作者没有报道照射1.6 0及1.61 p pm(CHa - a)对H -c的影响,整个工作就显得缺乏定论,尽管1 6% 的增强很可能有助于这样的指定。重要的是要运用能相互比较的数据得出结论,而不是仅依赖于单一的绝对数据,这也是必须强调的。尽管情况比较 复杂,化合物5的六个芳香质子NMR信号 都是通过N OE来确定的 , 1。位于7.0 9和7。50P P.的两个单重峰可以认为是H一7或H-10。位于7。5 26。94p pm及7。7 07.47PPm的两 组AB四重峰则为H -3,协4,H -5,及H一6。当N -CH,(2.5
14、6P Pm)被照射时,位于7.5 0ppm的信号增强了3 0%,说明它是H1。所以信号7.0 9ppm就属于H7。在同一实验中,在5.0 3ppm处的信 号增强 了 2 3 %,表明此信号应属于H一11。照射OCH广2使得6.9 4p pm增强2 4%,表明这 是H-4。而照射H一7导致位于7.4 7P Pm的信号增强 2 7 %,这个信号应该属于H一6。剩下的7.7 0ppm就是H -5的信号。这样,所有六个芳香质子都通过N OE而得到确定。在某些血红蛋白质中,NOE被用作指定功能相关的氨基酸残基的信 号t o。Spe rmwhalemyoglobin(Mb)是一种b型血红蛋白。残基Ile一
15、9 9,Val一65和龟 Le u一8 9在空间配位接合点的相互作用如图所示。照射信号a所得到的差值N oE(NOEDs见图7和图8)显示出质子信号f及甲基信号b和c的NOE,表明了一个定域结构的空间关系,它至少包括两个甲基和两个质子。照射h eme并没有使信号a、b、c和f有所增强,但CH3一5信号除外。照射CH3一5使得b产生一个弱的NOE。这些数据使作者们确认a、b、e和r信号属Ile - -g g侧链,因为只有Ile一99和CH5相近。照射氖代heme(氖取代突出hemeH一4信号)信号H一4使得甲基信号b和c都产生NO E,更进一步确定了这样的空间关系。于是,信号a、b、c和f就能确
16、信无疑地指定为ne一9 9。2.确定构型分子中观察到NOE的程度是由核间相对距离所确定的,所以,可以用N OE来确定在几个自旋中,哪一个自旋最接近于被照射的自旋。为说明溶液巾分子的构型 和构象时,测定N OE肯定是一种有力的手段,一个简例是用N OE来确定Wittig反应 产物7和8的顺、反异构川。在反 式异构体8中,照射CH,一9夕 仁不改变H一4的强度,但在顺式异构体7中,照射CH , -9导致H一4信号增强3 1%。这些结果确定了顺式异构体7为反应的主要产物。在二苯酮与一系列吠喃进行光反 应时,对2,3-位双键的加I J k 得到o xetan e的衍生物.,例如9。虽然可以假设反应结果为顺式环合,但要证明其立体化学却并不容易。N OE实验最终可以确定化合物9的构型,如表2所示。NOE的结果也确定了光环加成反应的区域选择性。2,3一ihydro -2,6一d imethylp yr o n e的光反应得到多个二聚物l , 1。表3中的N OE数据帮助确定了产物之一,即1 0为反式构型
