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1、二维核磁共振谱概述,什么是二维核磁共振谱？,二维核磁共振谱：是有两个时间变量，经两次傅利叶变换得到的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时间变量 t2 表示采样时间，第一个时间变量 t1 则是与 t2 无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变化的时间间隔。,间接探测期,直接探测期,预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实验前的体系回复到平衡状态。,在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期的时间t1是变化的,在混合期建立信号检出的条件。,以通常方式检出FID 信号。,二维核磁共振时间轴预备期发展期混合期检出期,预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实
2、验前的体系能回复到平衡状态。发展期（t1）：在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期的时间t1是变化的。混合期（tm）：在这个时期建立信号检出的条件。混合期有可能不存在，它不是必不可少的（视二维谱的种类而定）。检出期（t2）：在检出期内以通常方式检出FID 信号。,1D,2D,2D 谱比1D 谱谱峰分辨能力更强,可在两维巧妙地设计某些物理量以考察它们的相关性或连接关系,2 signalsoverlapped,2 cross peaksresolved,位移相关谱,交叉峰或相关峰,对角峰或自相关峰,交叉峰或相关峰,对角峰或自相关峰,二维谱的分类,J分解谱 J Res
3、olved Spectroscopy,d-J 谱 同核(homonuclear),异核(heteronuclear)化学位移相关谱 Chemical Shift Correlation Spectroscopy,d-d 谱 同核偶合,异核偶合,NOE 和化学交换多量子谱 Multiple Quantum Spectroscopy,Acronyms For Basic ExperimentsDiffer Only By The Nature Of Mixing,二维谱的表现方式,堆积图 Stacked trace plot 等高线图 Contour plot 截面图 Section 投影图 Pr
4、ojection,堆积图,等高线图,等高线图中最中心的圆圈表示峰的位置，圆圈的数目表示峰的强度。,把堆积图用平行于F1和F2域的平面进行平切后所得。,截面图,等高线图,投影图,从2D图中取出某一个谱峰（F1或F2）所对应相关峰的1D断面图，对检测一些弱小的相关峰很有用。,是1D谱形式，相当于宽带质子去偶氢谱，可准确确定各谱峰的化学位移值。,J分解谱,1.同核J分解谱,一维谱中谱峰往往严重重叠，造成谱线裂分不 能清楚分辨，耦合常数不易读出。在二维 J分解 谱中，只要化学位移 略有差别，峰组的重叠就有可能避免，从而解决一维谱谱峰重叠的问题。,谱信息:(弱偶合体系)10时为弱偶合，一级图谱。w2:全
5、去偶谱 化学位移 dH，转动前化学位移与耦合常数同时出现。w1:谱线多重性 偶合常数 JHH，峰组的峰数一目了然。若为强偶合体系，其同核J谱的表现形式将比较复杂。,同核J分解谱 AX体系,AX体系J谱,AX2体系J谱,同核J分解谱,同核J分辨谱：AX3体系J谱,应用:拓普霉素六元环上的取代基是 平伏键或直立键Jaa Jae Jee,1D 1H 谱裂分不清楚J值不易求出,同核J 分解谱,化学位移,J偶合,丙烯酸丁酯的同核J分解谱,2.异核J分解谱,谱信息:w2:全去偶谱 化学位移 dCw1:谱线裂分 偶合常数JCH（直接相连的氢原子耦合裂分产生）,CH3-四重峰，CH2-三重峰，CH-双重峰。由
6、于DEPT等测定碳原子级数的方法能代替异核J 谱，且检测速度快，操作方便，因此异核J 谱较少应用。,2 D C-H J分解谱,CH3-四重峰（5-Me，1,1 Me,10);CH2-三重峰(2,3,4);CH-双重峰(7,8)。,位移相关谱,对角峰（diagonal peaks,自相关峰）:对角线上的峰，它们和氢谱的峰组一一对应，不提供耦合信息。交叉峰（cross peaks，相关峰）：对角线外的峰，反映2个峰组间的耦合关系，主要反映3J偶合关系。F1、F2两维坐标均表示化学位移。,同核位移相关谱1.1H-1H COSY 简化多重峰，直观地给出耦合关系。,解谱方法：以任一交叉峰为出发点，可以确
7、定相应的2组峰组的耦合关系而不必考虑氢谱中的裂分峰形。交叉峰是沿对角线对称分布的，因而只分析对角线一侧的交叉峰即可。一般反应3J耦合关系，远程耦合较弱，不产生交叉峰。当3J较小时（如两面角接近90o）也可能无交叉峰。,最常用的位移相关谱。1H-1H COSY实验相当于做一系列连续选择性去耦实验去求得耦合关系，用以确定质子之间的连接顺序。,1,2,3,4 5 6 7,1 2 3 4 5 6 7,4,7,5 6,2 3,1,6 5 4 3 2 1,Problem 1.The schematic 1H COSY spectrum of 2-hexanone is given below.Using
8、the COSY spectrum,assign the 1H NMR resonances of 2-hexanone,i.e.establish which resonance belongs to which specific H site in the molecule.,3,1,6,4 5,谷氨酸的COSY90o等高线图,F2域及F1域皆为1D-1H-NMR,2位H与3位H3位H与4位H,先用化学位移判断，后用交叉峰验证。,6 COSY-45（-COSY）,减小COSY脉冲序列中第二个脉冲的宽度，使脉冲角度为度，较多使用45。优点：（1）对角线峰沿对角线的宽度降低，有利于发现强耦合体
9、系之间的相关峰；（2）从COSY-45可判别耦合常数的符号。,COSY-90,COSY-45,X M A,谱中任意一个交叉峰含两个紧靠的矩形（它们共同形成一个交叉峰），通过稍下的矩形中心往稍上的矩形中心连线，可得到一倾斜的箭头。箭头指向左上为正，箭头指向右上为负。,2，3-二溴丙酸,通常通过偶数键偶合的偶合常数J为负值，通过奇数键偶合的偶合常数J为正值。,化合物A的COSY45o谱，对角线峰显著简化，谱峰清晰。由交叉峰所显示的倾斜度识别出只有1、2位存在同碳氢耦合，其余为邻碳氢耦合。,HD-COSY谱,(F1域宽带质子去耦COSY谱，Homonuclear Decoupling COSY)，即
10、Broadband proton decoupled COSY)在F1域实现质子宽带去耦，使交叉峰强度增加而提高了F1域的分辨率，但F2域不去耦，仍保留着JHH耦合，因此HD-COSY谱不像COSY90o谱那样是矩形点阵，而是细条状的峰形。HD-COSY谱的F1域和F2域都是化学位移，解析方法与常规COSY谱相同。,2，3-二溴丙酸的HD-COSY谱与COSY45o和90o谱比较，HD-COSY谱呈现出F2域峰宽（保留JHH耦合），F1域峰窄(宽带去耦）的细条状谱峰。,三环癸烷衍生物的HD-COSY谱,F2域峰宽（保留JHH耦合），F1域峰窄(宽带质子去耦），化学位移定标不同造成对角峰反转，交
11、叉峰由于F1域去耦而变窄，使其覆盖面变小，有利于图谱解析，可以清楚地显示出HJ与HI、HH、HD、HC、HA的耦合。,异核位移相关谱,H-C COSY(HETCOR)COSY:COrrelated SpectroscopY,通过JCH 建立相关关系谱信息:w1:H-H 偶合氢谱w2:全去偶碳谱,异核位移相关谱,C-H COSY 是13C 和1H 核之间的位移相关谱。它反映了13C和1H 核之间的关系。它又分为直接相关谱和远程相关谱，直接相关谱是把直接相连的13C 和1H 核关联起来，没有对角峰，矩形中出现的峰称皆为相关峰或交叉峰。每个相关峰把直接相连的碳谱谱线和氢谱峰组关联起来。季碳原子因不连
12、氢而没有相关峰。如一碳原子上连有两个化学位移值不等的氢核，则该碳谱谱线对着两个相关峰。因此，这样的碳一定是CH2。H,C-COSY结合氢谱的积分值，每个碳原子的级数（CH3，CH2，CH，C）都能确定。远程相关谱是将相隔两至四根化学键的13C 和1H 核关联起来，甚至能跨越季碳、杂原子等，交叉峰或相关峰比直接相关谱中多得多，因而对于帮助推测和确定化合物的结构非常有用。,异核位移相关谱-测试技术上有两种方法,对异核（非氢核）进行采样，这在以前是常用的方法，是正相实验，所测得的图谱称为“C，H COSY”或长程“C，H COSY”、COLOC。因是对异核进行采样，故灵敏度低，要想得到较好的信噪比必
13、须加入较多的样品，累加较长的时间。对氢核进行采样，这种方法是目前常用的方法，为反相实验，所得的图谱为HMQC、HSQC或HMBC谱。由于是对氢核采样，故对减少样品用量和缩短累加时间很有效果。HMQC、HSQC反映的是 1JCH耦合，HMBC谱和COLOC则对应于长程耦合nJCH。,Problem 3The 1H NMR spectrum of 2,3-dihydrofuran(F)shows resonances at 2.6,4.2,4.9,6.2 PPM.Given below is a schematic representation of the COSY spectrum of(F)
14、.The 13C spectrum of(F)contains resonances at 28.5,68.6,98.4 and 145.0 PPM.Explain how you could use the COSY and the C-H correlation spectrum to assign the 1H and 13C spectra(i.e.establish which 13C and 1H spectrum belongs to which specific site in the molecule.),1 2,3,4,3,1,4 2,1 3 2 4,1H化学位移,13C
15、化学位移,C，H COSY谱,13C 化学位移,1H化学位移,2,4,6,2,3-二溴代丙酸F1域宽带去耦C,H COSY谱(a)与常规C,H COSY谱(b)比较c,d为平行于F1域取出的CH2和CH的2张投影图，可以看出投影图(c)中CH2和CH之间的3JHH耦合已消除，但本身的偕氢2JHH耦合仍然保留，信号强度和分辨率提高。,COLOC 谱（远程C-H COSY）,远程相关谱将相隔两至四根化学键的13C 和1H 核关联起来，甚至能跨越季碳、杂原子等，交叉峰或相关峰比直接相关谱中多得多，,与2D INADEQUATE相比，2 D 远程C-H COSY样品用量少，省时间，灵敏度高。F1域：1
16、H化学位移，F2域：13C化学位移,无对角峰，交叉峰除了nJCH远程相关峰外，也会出现强的1JCH相关峰，因此需要将COLOC 谱与C-H COSY谱对照，以便扣除1JCH相关峰得到远程nJCH耦合信息。,先分别从F1F2域找到CHO、OCH3、4位C的相应信号由香草醛COLOC谱中3J(H8,C3)相关峰可以决定OCH3连在C-3上，由3J(H7,C2)和3J(H6,C7)相关峰可以指认CHO与C1相连。4位碳因连有OH，其化学位移处于次低场（羰基碳在最低场），加上2J(H5,C4)和 3J(H6,C4)相关峰可以指认OH连在C-4上。,3J(H8,C3),2J(H5C4),3J(H6C4)
17、,3J(H6C7),3J(H7C2),H2,C7),(H2,C4),全去偶碳谱,去偶氢谱,NOE类二维核磁共振谱（Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy）,NOESY二维NOE(Nuclear Overhauser effect spectroscopy),NOESY 和ROESY,二维 NOE 谱简称为 NOESY，它反映了有机化合物结构中核与核之间空间距离的关系，而与二者间相距多少根化学键无关。因此对确定有机化合物结构、构型和构象以及生物大分子（如蛋白质分子在溶液中的二级结构等）有着重要意义。NOESY 的谱图与1H-1H COSY 非常相似，
18、它的 F2维和 F1维上的投影均是氢谱，也有对角峰和交叉峰，图谱解析的方法也和 COSY 相同，唯一不同的是图中的交叉峰并非表示两个氢核之间有耦合关系，而是表示两个氢核之间的空间位置接近。由于 NOESY 实验是由 COSY 实验发展而来为的，因此在图谱中往往出现 COSY 峰，即 J偶合交叉峰，故在解析时需对照它的1H-1H COSY 谱将J 偶合交叉峰扣除。在相敏 NOESY 谱图中交叉峰有正峰和负峰，分别表示正的 NOE 和负的 NOE。,当遇到中等大小的分子时（分子量约为 1000-3000），由于此时 NOE 的增益约为零，无法测到NOESY 谱中的相关峰（交叉峰），此时测定旋转坐标
19、系中的 NOESY 则是一种理想的解决方法，这种方法称为 ROESY（Rotating frame Overhause Effect Spectroscopy），由此测得的图谱称为 ROESY谱。ROESY 谱的解析方法与 NOESY 相似，同样 ROESY 谱中的交叉峰并不全都表示空间相邻的关系，有一部分则是反映了耦合关系，因此在解谱时需注意。,突出表现NOE效应的NOESY谱,异香草醛,NOE交叉峰：醛基氢a与芳环上b、c位置上的氢空间相关，甲氧基氢e与芳环上d位置上的氢空间相关，对照其H,H COSY谱，c,d的交叉峰为J偶合峰，而非NOE交叉峰，应予以扣除。,总相关谱（Total Co
20、rrelation Spectroscopy,TOCSY）,TOCSY把COSY的作用延伸，从任一氢的峰组可以找到与该氢核在同一耦合体系的所有氢核的相关峰。TOCSY的外型与COSY相似，但交叉峰的数目大大增加。,多量子二维核磁共振谱,2D INADEQUATE(Incredible natural abundant double quantum transfer experiment),2D INADEQUATE是目前13C谱归属的最有效方法，通过13C-13C 偶合找到其连接关系。利用双量子跃迁的特性，抑制强的13C峰，突出弱的13C-13C卫星峰，找到JCC,并确定其近邻，从而确定化合物
21、的骨架结构。由于13C天然丰度低，检测灵敏度很低，即使样品浓度很大(100mg/0.5mL),累加时间仍然很长（24h以上）。,2D INADEQUATE的2种形式,F2域为化学位移，F1域为双量子跃迁频率，相互耦合的2个碳原子作为一对双峰排列在平行于F2域的同一水平线上。,一对耦合的碳（相当于AX体系）具有相同的双量子跃迁频率，用水平连线示出，如：C1-C2,C2-C3,C3-C4。由于双量子频率为偶合的一对13C13C的单量子频率之和，连线的中心落在F1=2F2的准对角线上。,谱信息：F2 是碳谱，单量子频率F1是双量子频率，为偶合的一对13C13C的 单量子频率之和一对13C13C处于水
22、平线上，左右对称地处于准对角线（F1=2F2)两侧。,F2域和F1域均为13C化学位移，类似于H,H COSY谱，相互耦合的2个碳原子作为一对双峰出现在对角线两侧对称的位置上。,薄荷醇的2D INADEQUATE谱F2域为13C化学位移，F1域为双量子跃迁频率，相互耦合的2个13C的一对相关峰出现在平行于F2域的同一水平线上。,F2域和F1域均为13C化学位移，相关峰以二重峰形式出现在对角线两侧，C3与OH相连，在低场，易识别析谱时可将其作为切入点。由C3出发 C3 C2 C2 C2 C1 C1 C1 C6 C6 C6 C5 C5 C5 C4 C4 C4 C3 C3,C4 C8,C8,C10
23、C8,C9 C8,C4,核磁共振谱图综合解析,识别氢谱与碳谱中的溶剂峰与杂质峰。初步分析谱图，找出特征峰并确定各谱线的大致归属。分析一维1H 谱，根据谱图中化学位移值、耦合常数值、峰形和峰面积找出一些特征峰，获得一些最明显的结论。对照13C 质子噪声去偶谱以及各个 DEPT 碳谱，确定各碳原子的级数。按照化学位移分区的规律，大致确定各谱线所属的区域，如在饱和区还是在不饱和区，是否含杂原子、羰基以及活泼氢等。,借助二维核磁共振谱对图谱作进一步的指认。解析H-H COSY 谱，从一维谱中已经确定的氢谱线出发找到与之相关的其它谱线。解析13C-1H COSY（或 HMQC、HSQC）谱，同样从已知的
24、氢谱线出发找到各相关的碳谱线，以此推断出这些碳谱线的归属。解析13C-1H 远程相关谱（COLOC 或 HMBC），从已确定的碳谱线出发，找到与之相关的各氢谱线或从已知的氢谱线出发找到各相关的碳谱线，由此完成对一些未知谱线的指认。在二维谱中由于一些相关峰的强度较弱，在实验中常常未被检测到，另外在图谱中还常常会出现假峰，这些在二维谱的解析中应特别注意。,D-蔗糖的1HNMR，上述3个特征峰可作为解析H，H COSY入口峰。,g1由于受去屏蔽，位于最低场(5.43ppm)，受g2偶合裂分呈双峰。,唯一的单峰。,溶剂峰,g1g12 g2 g23 g3 g 34 g 4 g 4 5 g 5 g 5 6
25、 g 6 a,b同样，从f3入口，可指认F环上的全部质子。困难：g 5，g 6 和f5，f6重叠在一起，难以进一步指认。,H,H COSY 450谱对角峰变窄，有利于g 5，g 6 和f5，f6质子重叠峰的指认。,该图清晰地显示了各组质子的偶合常数。G环中g2（dd）受g1和 g3耦合，从图中可以测得G环中J2,1=4Hz,J2,3=10Hz,可以推断出g1在e键，g2在a键。g3（dd）受g2和 g4耦合，因J32和J34都较大，说明g2g3 g4都处于直立键上。同理可以推出F环中，f3f4f5均处于直立键上。,由于f6 和g6 2组质子在2D J 分解谱中看不清，需要调出它们的断面图测出J值。,由已经确定的化学位移的质子峰，通过C,H COSY谱中的交叉峰归属与这些质子相连的碳峰。注意：季碳不出峰，另外出现了2个远程交叉峰。GH2C3和FH3C4。,w2:全去偶谱 化学位移 dCw1:谱线裂分 偶合常数JCH（直接相连的氢原子耦合裂分产生）,由13C-13C相关信息，将该分子的碳骨架搭起来。,
