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1、化工与环境学院,二维核磁共振谱(2D-NMR),4.4.1 二维核磁共振谱基础知识4.4.2 二维核磁共振谱的分类4.4.3 常见二维核磁共振谱的原理及解析4.4.4 核磁共振谱的综合解析,2,目 录,一维NMR实验过程,3,4,一维核磁共振谱：横坐标同时表示化学位移和偶合常数2种不同的核磁共振参数。共振信号是一个频率的函数,记为S()。,有机波谱解析|核磁共振波谱|氢谱|,5,（1）自旋核调控脉冲技术（2）自旋核特性的理论发展（3）计算机技术的发展（4）超导磁体的发展,1971年Jeener首先提出二维核磁共振的概念。,1991年厄恩斯特(Ernst)教授因对脉冲傅立叶变换核磁共振技术和二维
2、核磁共振技术发展的贡献获得诺贝尔化学奖。,二维核磁共振谱：是两个独立频率变量的信号函数,记为S(1,2)。采用不同的脉冲序列技术，得到图谱中一个坐标表示化学位移，另一个坐标表示偶合常数，或另一个坐标表示同核或异核化学位移，这类核磁图谱称作二维核磁共振谱。,6,引入二维后,减少了谱线的拥挤和重叠,提高了核之间相互关系的新信息.因而增加了结构信息,有利于复杂谱图的解析.特别是应用于复杂的天然产物和生物大分子的结构鉴定,2DNMR是目前适用于研究溶液中生物大分子构象的唯一技术.,7,8,4.4.1 二维核磁共振谱基础知识,原则上二维谱可以用概念上不同的三种实验获得：(1).频率域实验(frequen
3、cy-frequency),9,(2).混合时域(frequency-time)实验(3).时域(time-time)实验.它是获得二维谱的主要方法,以两个独立的时间变量进行一系列实验,得到S(t1,t2),经过两次傅立叶变换得到二维谱S(1,2).通常所指的2D-NMR均是时间域二维实验,虽然2D-NMR有多种形式，但二维核磁共振试验的脉冲序列根据其时间轴可分为3或4个时期：预备期、演化期(混合期)和检测期,10,11,预备期Preparation period,发展期（演化期）(t1)Evolution period,混合期Mixing period,检测期(t2)Detection pe
4、riod,是一个较长的时期，使核自旋体系回复到平衡状态，在预备期末加一个或多个射频脉冲，以产生所需要的单量子或多量子相干。,在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，此时间系控制磁化强度运动，并根据各种不同的化学环境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作出标识。,通过相干或极化的传递，建立检测条件。,检测作为t2函数的各种横向矢量的FID的变化以及它的初始相及幅度受到t1函数的调制。,实验过程：用固定时间增量t1依次递增t1进行系列实验，反复叠加，因t2时间检测的信号S(t2)的振幅或相位受到s(t1)的调制，则接收的信号不仅与t2有关，还与t1有关。每改变一个t1，记录S(t2),因此得到分
5、别以时间变量t1,t2为行列排列数据矩阵，即在检测期获得一组FID信号，组成二维时间信号S(t1,t2)。因t1,t2是两个独立时间变量，可以分别对它们进行傅立叶变换，一次对t2,一次对t1,两次傅立叶变换的结果，可以得到两个频率变量函数S(1,2)。,12,13,二维谱的表达方式,（a）堆积图(stacked plot).堆积图的优点是直观,具有立体感.缺点是难以确定吸收峰的频率。大峰后面可能隐藏小峰，而且耗时较长。(b)等高线（Contour plot）等高线图类似于等高线地图，这种图的优点是容易获得频率定量数据，作图快。缺点是低强度的峰可能漏画。目前化学位移相关谱广泛采用等高线。,14,
6、二维谱峰的命名,交叉峰（cross peak）:出现在12处，（即非对角线上）。从峰的位置关系可以判断哪些峰之间有偶合关系，从而得到哪些核之间有偶合关系，交叉峰是二维谱中最有用的部分。,对角峰（Auto peak）:位于对角线（12）上的峰，称为对角峰。对角峰在F1和F2轴的投影就是其自身的信号。,15,4.4.2 二维核磁共振谱的分类,（1）J分解谱(J resolved spectroscopy)把化学位移和自旋偶合的作用分辨开来，包括异核和同核J谱。,（2）化学位移相关谱(chemical shift correlation spectroscopy)是二维谱的核心，通常所指的二维谱就是
7、化学位移相关谱。,（3）多量子谱(J resolved spectroscopy)用脉冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子二维谱。,同核偶合,异核偶合,NOE效应谱,化学交换谱,16,有机波谱解析|核磁共振波谱|基本原理,横坐标反映 1H 同核去偶化学位移，纵坐标则反映了峰的裂分和质子间的偶合信息。,17,H（1）（5.85）有四个点，反映了其分别与H（2）和H（3）耦合，从图中可直接读出耦合常数分别为J1,2=2Hz和J1,3=10Hz。同样H（4）（4.20）与H（5）（1.70）耦合，有三个点，J4,5=6.5Hz；H（5）则分别与H(4)和H（6）耦合，有9个点（其中有两个部分重合）
8、，J4,5=6.5Hz，J5,6=8.0Hz。,18,横坐标类似于13C 的质子宽带去偶谱，反映了碳的化学位移；纵坐标反映了 C 原子的裂分情况,异核-J分解谱,19,4.4.3 常见二维核磁共振谱的原理及解析,（1）化学位移相关谱同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation）通过化学键：COSY,TOCSY,2D-INADEQUATE。通过空间：NOESY,ROESY（Rotating-frame Overhauser Effect SpectroscopY）。异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation）强调大的偶合常数：1H-13C COS
9、Y强调小的偶合常数，压制大的偶合常数：COLOC(远程1H-13C COSY),20,同核化学位移相关谱,COSY(Correlated spectroscopy)所谓的COSY系指同一自旋体系里质子之间的偶合相关。1H-1H-COSY可以1H-1H之间通过成键作用的相关信息，类似于一维谱同核去偶，可提供全部1H-1H之间的关联。因此1H-1H-COSY是归属谱线，推导确定结构的有力工具。,COSY谱从左下至右上有一条对角线，将谱图分为对称的两部分。对角线上的峰为对角峰(diagonal peak)，对角线外的峰为交叉峰(cross peak)或相关峰(correlated peak)，每个交
10、叉峰反映两组峰间的偶合关系。COSY谱的解析方法很简单：从任一交叉峰出发做垂线，与某对角峰及其上方氢谱中的峰组相交，即表明它们是构成该交叉峰的一个峰组；通过该交叉峰做水平线，与另一对角峰相交后，再通过此对角线峰做垂线，会与另一组峰相交，表明两组信号之间有偶合关系。因此，在COSY谱中从任一交叉峰即可确定相应两组峰的偶合关系，不必考虑裂分的峰形。,21,对角峰,5-H与6-H相关4-H与2-H和3-H相关2-H与3-H和4-H相关,22,2-H与4-H和6-H相关5-H与4-H和6-H相关,23,化合物C15H22N2O2的结构如下，请根据其二维1H-1H-COSY(600MHz,CDCl3)图
11、谱进行信号归属。,24,1,1,2,2,2,2,12,识别溶剂峰：化合物1H中共有12组氢的信号峰，其中7.26为溶剂CDCl3未被完全氘代的质子信号峰。在二维COSY谱中可以看到该溶剂峰不与其它任何质子相关（红色方框标注）。识别杂质峰：6.30,5.50,4.95,2.35,2.15的谱线矮小且与其它谱线的峰面积无比例关系，二维COSY谱中可以看到2.49,2.47两处的质子信号未见与其它任何质子相关（绿色方框标注），因此可认为这些信号是杂质峰引起的。化学位移分区：扣除溶剂峰和杂质峰后，剩余的7组氢信号的峰面积比从低场至高场分别为1：1：2：2：2：2：12。低场部分（）共有三组质子信号峰，
12、应该属于芳环上的质子信号。低场区三条谱线较难进行归属，可借助二维1H-1H-COSY进行识别。高场部分（）有四组质子信号峰，应该属于饱和碳上的质子信号。其中2.25为单峰，含有12个质子，应该是与杂原子相连的甲基（CH3)，可以确定为氮原子上的两个甲基的质子H(7)信号；2.45,2.75处的谱线均裂分为双重峰，J=18Hz，应该是与杂原子相连的亚甲基质子（-X-CH2-)，可以确定为与氮原子相连的亚甲基质子H（6）信号。由于亚甲基的两个质子为化学不等价，发生同碳质子的耦合裂分，故耦合常数较大（J=18Hz），表现出两组dd峰；4.50为单峰，含有2个质子，应该是与杂原子相连的亚甲基质子（-X
13、-CH2-)，可以确定为与氧原子相连的亚甲基质子H（5）信号。,25,利用二维1H-1H-COSY归属信号：由前述分析已知低场部分的三组质子信号峰，属于芳环上的质子信号，从7.90处的谱线出发，向F2轴做垂线，可以发现其与7.00处的多重峰相交，即二者之间有相关。二维1H-1H-COSY谱中可以看出，7.00处的多重峰实际上是两种质子信号重叠在一起形成的谱线，因此可以确定7.90为H（1）的信号，它与相邻的H(2)存在邻位耦合；从7.45处的谱线出发，向F1轴做垂线，可以发现其与7.00中的一组质子峰相交，可以确定7.45为H（3）的信号，它与相邻的H(2)存在邻位耦合。H（5）未与其它质子有
14、耦合关系，因此在二维1H-1H-COSY谱中仅有对角线峰。H（6）存在同碳质子的耦合关系，因此在二维1H-1H-COSY谱中只存在自身的相关峰。,26,异核位移相关谱,异核相关谱中最常见的是13C和1H之间的位移相关谱。它又分为直接相关谱核远程相关谱，前者是把直接相连的13C和1H关联起来，而后者是将相隔两只三根化学键的13C和1H关联起来，有时甚至能跨越季碳、杂原子等，提供的信息比直接相关谱多，因此对结构解析非常有用。,27,有机波谱解析|核磁共振波谱|氢谱|,28,在测试技术上，异核位移相关谱有两种方法，一是对非氢核（通常是碳）进行采样，是正相实验，测得的图谱称为“C，HCOSY”或长程“
15、C，H COSY”、COLOC(远程13C-1H化学位移相关谱，Correlation Spectroscopy Via Long Rang Coupling)。由于是对非氢核采样，灵敏度低，需要样品量较大，测试时间也较长。,另一种方法为反相实验，即对氢核进行采样，所得图谱为HMQC(1H检测的异核多量子相干实验，1H Detected Heteronuclear Muliple Quantum Coherence)、HSQC(1H检测的异核单量子相干实验，1H Detected Heteronuclear Single Quantum Coherence)、或HMBC(1H检测的异核多键相关
16、实验，1H Detected Heteronuclear Muliple Boan Correlation 或Long Range Heteronuclear Multiple Quantum Coherence)谱。,有机波谱解析|核磁共振波谱|氢谱|,29,对HMQC（HSQC）和HMBC图谱的解析也很简单：均是从已知1H信号峰出发连线，找到其相关的13C信号峰；或者从已知的13C信号峰出发连线找到相对应的1H信号峰。将二者结合起来不仅能够解决信号归属问题，而且能够找到碳碳之间的链接关系，有助于确定化合物基本骨架。尽管HMQC(HSQC)和HMBC谱图给出的信息很清楚，但有时也会出现一些杂
17、质峰或假峰的干扰，特别是在谱线重叠严重时容易出现。另外，HMBC中常常会因强质子峰（如甲基对应的碳）出现卫星峰，即在主峰两侧出现对称的两个“交叉峰”。因此在解析二维图谱的时候，需要将这些干扰峰忽略，以免影响解析。,30,31,HMQC(1H Detected Heteronuclear Muliple Quantum Coherence)1H检测的异核多量子相干谱,HMQC是将1H信号的振幅及相位分别依13C化学位移及1H间的同核化学偶合信息调制，并通过直接检测调制后的1H信号，获得13C-1H化学位移相关数据。它所提供的信息及谱图与1H-13CCOSY完全相同。,得到的是直接相连的13C与1
18、H之间的偶合关系，即CH,CH2和CH3的相关信号，不能得到季碳的结构信息。,32,33,HSQC(1H Detected Heteronuclear Single Quantum Coherence)1H检测的异核单量子相干实验,HSQC 与HMQC一样，反映的是1H和13C以1JCH相偶合，二者的图谱外形完全相同。HMQC实验中t1期是双量子和零量子相干的演化，而HSQC的t1期只涉及单量子相干演化。但HSQC实验序列中的脉冲数多于HMQC，同时单量子的分辨率优于多量子，因此HSQC对实验参数的设置要求也高，容易得到相位难调的图谱。同时单量子的分辨率优于多量子的优势，也使HSQC谱在F1维
19、的分辨率高于HMQC。另一方面，采用梯度选择的HSQC实验不仅减少相循环，提高二维实验效率，而且可以抑制12C-1H信号导致的t1噪音，有效压制溶剂峰，增强灵敏度。因此目前二维实验普遍采用的是HSQC。,34,35,9.10,12,16,15,2,3,36,HMBC(multiple-bond CH correlation),HMBC是一种测定远程1H-13C相关的十分灵敏的方法，它给出远程1H-13C相关信息。特别是适用于检测与甲基有远程偶合的碳（2JCH,3JCH).其基本原理是：通过1H检测异核多量子相干调制，选择性地增加某些碳信号的灵敏度，是孤立的自旋体系相关联，而组成一个整体分子。对
20、于质子相隔两个，三个键（2JCH,3JCH）的碳，提供了有效的相关信息，抑制了直接偶合的1JCH信号强度是谱图简化。该法适用于具有众多甲基地天然产物，如三萜化合物，甾醇化合物的结构鉴定。,HMBC可高灵敏度地检测13C-1H远程偶合（2JCH,3JCH），因此可得到有关季碳的结构信息及其被杂原子切断地1H偶合系统之间的结构信息。,37,38,主要二维核磁共振谱总结,39,40,4.4.4 核磁共振谱的综合解析,能解决的问题：1）确定复杂图谱中碳原子与连接质子之间偶合常数2）确定复杂图谱中质子-质子之间的偶合常数3）建立相互偶合的质子之间的关系4）建立质子与碳之间的连接关系5）建立分子中碳原子之
21、间的连接关系6）对一维图谱中的信号进行准确归属,一般方法,识别氢谱与碳谱中的溶剂峰与杂质峰初步分析图谱，找出特征峰并确定各谱线的大致归属-根据一维氢谱中的化学位移、偶合常数、裂分及峰面积获得最明显的结论-对照碳的全去偶谱、DEPT谱确定碳级数（包括HMBC，HSQC的信息）-按照化学位移的分区规律，判断信号峰是在饱和区还是不饱和区，是否含有杂原子、羰基、活泼氢等借助二维图谱进一步指认-H-H COSY，从一维氢谱中已经确定的谱线出发寻找相关谱线-C-H COSY（HMQC,HSQC)，寻找相关谱线，推断碳的归属-C-H远程相关（HMBC），寻找相关峰，完成对未知谱线的归属注意：二维谱中由于相关
22、峰的强度较弱，可能未被检测到；或出现假峰干扰,41,一有机化合物分子式为 C8H15NO2，试根据其氢谱、碳谱和HMQC谱推测结构,42,3.92ppm,2.96ppm,2.72ppm,2.59ppm,2.43ppm,2.22ppm,1.78ppm,1.47ppm,1.38ppm,1.24ppm,1.04ppm,43,44,HMQC,45,碳谱中173.878说明存在酯羰基的信号；59.716和13.781进一步证明乙酯的存在；48.225和46.018的碳信号说明存在与杂原子（N）相连的碳信号；42.085信号说明该碳与酯羰基相连;HMQC谱中可以看到3.92ppm与59.716存在偶合，1.04与13.781存在偶合，这分别是乙酯结构中的亚甲基和甲基碳信号；2.96和2.59的两个质子均与48.225的碳偶合，2.72和2.43的两个质子均与46.018的碳偶合，1.78和1.47的两个质子均与26.981的碳偶合，1.47和1.25的质子均与25.140的碳偶合，这表明这四种碳都是CH2；综上所述，该化合物的结构为：经验证符合上述条件。,SEE YOU NEXT TIME!,THANKS FOR COMING,
