譜圖分析課件第四章2D核磁共振譜

譜圖分析課件第四章2D核磁共振譜4.1.1二維核磁共振譜的基本原理（略）

一維核磁共振，一個(gè)脈沖過(guò)后，就立即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到FID(自由感應(yīng)衰減，F(xiàn)reeInducedDecay)信號(hào)，它只是一個(gè)頻率的函數(shù)，可表示為S（F）。二維核磁共振，一個(gè)脈沖過(guò)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲再進(jìn)行下一個(gè)脈沖，才開始數(shù)據(jù)采集，這樣會(huì)得到自旋核之間一些有用的信息。二維NMR實(shí)驗(yàn)的脈沖序列

預(yù)備期（preparation）演化期t1（evolution)(

混合期τm)

檢測(cè)期t2(dataacquisition)預(yù)備期（D1）：使自旋體系恢復(fù)Boltzmann分布，處于初始熱平衡狀態(tài)。理論上應(yīng)取D1≥5T1（T1為縱向弛豫時(shí)間），但為節(jié)省時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中一般取D1=（2～3）T1。演化期t1：在預(yù)備期末，施加一個(gè)或多個(gè)90o脈沖，使系統(tǒng)建立非平衡狀態(tài)。演化時(shí)間t1是以某固定增量t1為單位，逐步延遲t1。每增加一個(gè)t1，其對(duì)應(yīng)的核磁信號(hào)的相位和幅值不同?；旌掀趖m：由一組固定長(zhǎng)度的脈沖和延遲組成。檢測(cè)期t2：在檢測(cè)期t2期間采集的FID信號(hào)是F2域的時(shí)間函數(shù)二維核磁共振的關(guān)鍵是引入了第二個(gè)時(shí)間變量：演化期t1。當(dāng)樣品中核自旋被激發(fā)后，它以確定頻率進(jìn)動(dòng)，并且這種進(jìn)動(dòng)行為將延續(xù)一段時(shí)間。表征這一特性的是橫向弛豫時(shí)間T2。對(duì)液體來(lái)說(shuō)，T2一般為幾秒。通過(guò)檢測(cè)期可以記錄演化期

t1內(nèi)核自旋的行為：在演化期內(nèi)從t1=0開始，用某個(gè)固定的時(shí)間增量t1逐步延遲時(shí)間t1進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)t1產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的FID，得到Ni個(gè)FID。這樣獲得的信號(hào)表示成兩個(gè)時(shí)間變量t1和t2的函數(shù)S（t1，

t2），再經(jīng)兩次Fourier變換，一次對(duì)t1，一次對(duì)t2，得到以兩個(gè)頻率為函數(shù)的二維核磁共振譜S（F1,F2）。

增加t1t1t2預(yù)備期演化期混合期檢測(cè)期t2FID的相位及振幅被t1調(diào)制也就等于譜圖的相位及振幅被t1調(diào)制得函數(shù)S（t1，

t2），傅立葉轉(zhuǎn)換對(duì)t2進(jìn)行變換。FT(t2)t2t1t1f2對(duì)t1進(jìn)行第二次傅立葉轉(zhuǎn)換就可以確定調(diào)制頻率，得到以兩個(gè)頻率為函數(shù)的二維核磁共振譜S（F1,F2）FT(t1)f2f2f1t14.1.22DNMR譜的分類二維J分解譜

二維相關(guān)譜

COSY多量子譜

二維J分解譜（略）二維J分解譜一般不提供比一維NMR譜更多的信息，只是將譜峰的化學(xué)位移和偶合常數(shù)分別在兩個(gè)不同的坐標(biāo)軸上展開，便于解析復(fù)雜譜峰的偶合常數(shù)。二維相關(guān)譜二維相關(guān)譜是在演化期t1中對(duì)某核進(jìn)行標(biāo)記，在混合期tm中把t1期間的相干傳遞給另一個(gè)核的相干（是通過(guò)J偶合作用傳遞的），以供t2期間的檢測(cè)。二維相關(guān)譜是二維核磁共振譜的核心，它表明核磁共振信號(hào)的相關(guān)性。

多量子譜通常所測(cè)定的核磁共振譜為單量子躍遷（m=±1）。用特定的脈沖序列可以檢測(cè)出多量子躍遷，得到多量子躍遷的二維核磁共振譜。4.1.3二維核磁共振譜的表現(xiàn)形式

堆積圖等高線圖斷面圖投影圖CHCl3的H,H-COSY譜

(a)堆積圖

(b)等高線圖

102030405060102030405060斷面圖：從二維圖中取出某一個(gè)譜峰作垂直截面而表現(xiàn)出的譜圖。這種圖易于準(zhǔn)確讀取偶合常數(shù)。投影圖：一維譜形式，相當(dāng)于寬帶質(zhì)子去偶的氫譜，用來(lái)準(zhǔn)確讀取化學(xué)位移值。4.2二維J分解譜(2DJ-ResolvedSpectroscopy)（略）

同核二維J分解氫譜

異核二維J分解碳譜

解析譜峰密集的譜圖存在困難。兩種方法解決：1提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，使密集的譜峰分形；2是把復(fù)雜圖譜分解成較易解析的簡(jiǎn)單譜，二維譜即是此方法。二維J分解譜就是把化學(xué)位移與譜峰的裂分完全分開，在一維上（如F2域）顯示化學(xué)位移，在另一維上（如F1域）表現(xiàn)該核被其他核偶合裂分的情況，可以清楚地讀取核與核之間的偶合常數(shù)4.2.1同核二維J分解氫譜

脈沖序列為

同核AX體系的自旋回波示意圖

紫草素的部分1H-NMR譜和二維J分解氫譜

斷面圖

化合物2的同核二維J分解氫譜

(a)部分1H-NMR譜

(b)堆積圖

(c)投影圖

(d)斷面圖用二維J分解氫譜有一個(gè)前提條件，即譜圖必須屬于一級(jí)譜，才能清楚地顯示各峰形

某ABX體系的二維J分解氫譜(a)200MHz

(b)600MHz4.2.2異核二維J分解碳譜薄荷醇的異核二維J分解碳譜F1（或F2）域是13C化學(xué)位移，譜線為寬帶去偶的表現(xiàn)形式F2（或F1）域是13C核與1H核偶合裂分的多重結(jié)構(gòu)，與一維13C譜中偏共振去偶譜一致。清晰，可測(cè)1JCH。4.3二維相關(guān)譜2DCOSY

TwoDimensionalNuclearShiftCOrrelationSpectroscopY

氫－氫化學(xué)位移相關(guān)譜H,H-COSY氫－碳化學(xué)位移相關(guān)譜H,C-COSY二維接力相關(guān)譜2DRELAYED總相關(guān)譜(TOCSY譜)

自旋–自旋偶合（J偶合）作用得到的信息是COSY譜偶極-偶極偶合作用產(chǎn)生的信息是NOSY譜4.3.1

氫－氫化學(xué)位移相關(guān)譜H,H-COSY脈沖序列：ThebasicCOSY(45°or90°)pulsesequenceAX自旋體系的H,HCOSY90示意圖交叉峰對(duì)角峰F1和F2域均是化學(xué)位移谷氨酸的H,

H-COSY90o譜（500MHz）

2DH,H-COSY45o譜與2DH,H-COSY90o譜相比，交叉峰和對(duì)角峰均得到一定程度的簡(jiǎn)化。交叉峰由原來(lái)的矩形點(diǎn)陣變成有傾斜角的峰形，利用峰形的傾斜方向，可以判斷相關(guān)的兩個(gè)氫核是同碳?xì)渑己线€是鄰碳?xì)渑己现行倪B線與對(duì)角線近似平行同碳?xì)渑己现行倪B線與對(duì)角線近似垂直鄰碳?xì)渑己险襀5，H6，H8和H9找H5，H6，H8和H9H5與H6重疊嚴(yán)重3.PH-COSY譜

（相敏COSY,PhaseSensitiveCOSY）（略）通過(guò)相位的調(diào)節(jié)，將譜峰可能含有的吸收分量和色散分量調(diào)節(jié)為純吸收信號(hào)，分辨率大為改善，使交叉峰的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出來(lái)，便于讀取化學(xué)位移和偶合常數(shù)。譜圖特點(diǎn)：相敏COSY的脈沖序列和H,H-COSY90o一樣，只是相敏COSY增加了相位調(diào)節(jié)。相敏COSY的對(duì)角峰為純色散型，交叉峰是正負(fù)交替的純吸收型。

AMX體系的相敏COSY譜的交叉峰兩個(gè)相位相反（一正一負(fù)）的圓圈之間的距離表示主動(dòng)偶合常數(shù)，如JAX

兩個(gè)相位相同（同為正或同為負(fù)）的圓圈之間距離表示被動(dòng)偶合常數(shù)，如JMX和JAM

實(shí)（黑）線和虛（紅）線分別代表正負(fù)吸收信號(hào)，圓圈面積代表峰的強(qiáng)度主動(dòng)偶合與被動(dòng)偶合2,3-二溴丙酸的相敏COSY譜

方便讀取偶合常數(shù)4.DQF－COSY(Double-QuantumFilteredCOSY)雙量子濾波相關(guān)譜（略）當(dāng)有機(jī)化合物含有叔丁基、甲氧基等官能團(tuán)或水時(shí)，其氫譜中出現(xiàn)強(qiáng)的尖銳單峰。在COSY譜中這些強(qiáng)的單峰會(huì)影響周圍的弱峰，使它們變得更弱，甚至檢測(cè)不到.磁等價(jià)的核間偶合不能產(chǎn)生多量子躍遷，叔丁基、甲氧基等官能團(tuán)的質(zhì)子是磁等價(jià)的，在譜圖中只呈現(xiàn)單峰，水分子的兩個(gè)質(zhì)子也是磁等價(jià)的，通過(guò)DQF-COSY實(shí)驗(yàn)，可濾掉這些磁等價(jià)的單峰或使它們變?nèi)?。DQF-COSY譜與相敏COSY譜圖形基本相同，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：抑制強(qiáng)峰：含有叔丁基、甲氧基、溶劑峰改善峰形：在相敏COSY譜中，交叉峰為吸收型，分辨清楚，但其對(duì)角線峰為色散型，對(duì)角線旁的交叉峰側(cè)易受干擾。DQF-COSY譜中對(duì)角線峰和交叉峰均為純吸收型，分辨率較高，有利于解析對(duì)角線附近的交叉峰相