二維核磁共振譜精簡(jiǎn)2課件

二維核磁共振譜概述什么是二維核磁共振譜？一維核磁共振譜：時(shí)域信號(hào)（FID信號(hào)）FT頻域譜（峰強(qiáng)度vs頻率）二維核磁共振譜：是有兩個(gè)時(shí)間變量，經(jīng)兩次傅利葉變換得到的兩個(gè)獨(dú)立的頻率變量的譜圖。一般用第二個(gè)時(shí)間變量t2

表示采樣時(shí)間，第一個(gè)時(shí)間變量t1則是與t2無關(guān)的獨(dú)立變量，是脈沖序列中的某一個(gè)變化的時(shí)間間隔。4/26/202314/26/202324/26/20233二維核磁共振時(shí)間軸

預(yù)備期→發(fā)展期→混合期→檢出期預(yù)備期：預(yù)備期在時(shí)間軸上通常是一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期，它使實(shí)驗(yàn)前的體系能回復(fù)到平衡狀態(tài)。發(fā)展期（t1）：在t1開始時(shí)由一個(gè)脈沖或幾個(gè)脈沖使體系激發(fā)，使之處于非平衡狀態(tài)。發(fā)展期的時(shí)間t1是變化的。混合期（tm）：在這個(gè)時(shí)期建立信號(hào)檢出的條件?；旌掀谟锌赡懿淮嬖?，它不是必不可少的（視二維譜的種類而定）。檢出期（t2）：在檢出期內(nèi)以通常方式檢出FID信號(hào)。4/26/202351D2D2D譜比1D譜譜峰分辨能力更強(qiáng)可在兩維巧妙地設(shè)計(jì)某些物理量以考察它們的相關(guān)性或連接關(guān)系2signalsoverlapped2crosspeaksresolved位移相關(guān)譜4/26/20236交叉峰或相關(guān)峰對(duì)角峰或自相關(guān)峰交叉峰或相關(guān)峰對(duì)角峰或自相關(guān)峰4/26/20237AcronymsForBasicExperiments

DifferOnlyByTheNatureOfMixing

4/26/20239二維譜的表現(xiàn)方式

堆積圖

Stackedtraceplot

等高線圖

Contourplot

截面圖

Section

投影圖

Projection4/26/202310堆積圖等高線圖等高線圖中最中心的圓圈表示峰的位置，圓圈的數(shù)目表示峰的強(qiáng)度。把堆積圖用平行于F1和F2域的平面進(jìn)行平切后所得。4/26/202311

J分解譜1.同核J分解譜

一維譜中譜峰往往嚴(yán)重重疊，造成譜線裂分不能清楚分辨，耦合常數(shù)不易讀出。在二維J分解譜中，只要化學(xué)位移略有差別，峰組的重疊就有可能避免，從而解決一維譜譜峰重疊的問題。4/26/202313譜信息:(弱偶合體系)≥10時(shí)為弱偶合，一級(jí)圖譜。

w2:全去偶譜→化學(xué)位移dH，轉(zhuǎn)動(dòng)前化學(xué)位移與耦合常數(shù)同時(shí)出現(xiàn)。w1:譜線多重性→偶合常數(shù)JHH，峰組的峰數(shù)一目了然。若為強(qiáng)偶合體系，其同核J譜的表現(xiàn)形式將比較復(fù)雜。同核J分解譜AX體系4/26/202314AX21JAX體系J譜AX21JAX2體系J譜同核J分解譜4/26/202315應(yīng)用:拓普霉素六元環(huán)上的取代基是平伏鍵或直立鍵Jaa>Jae

≥Jee1D1H譜裂分不清楚J值不易求出4/26/202317同核J分解譜化學(xué)位移

J偶合4/26/202318丙烯酸丁酯的同核J分解譜4/26/2023192DC-HJ分解譜CH3---四重峰（5-Me，1,1’–Me,10);CH2---三重峰(2,3,4);CH---雙重峰(7,8)。4/26/202321交叉峰或相關(guān)峰對(duì)角峰或自相關(guān)峰交叉峰或相關(guān)峰對(duì)角峰或自相關(guān)峰位移相關(guān)譜對(duì)角峰（diagonalpeaks,

自相關(guān)峰）:對(duì)角線上的峰，它們和氫譜的峰組一一對(duì)應(yīng)，不提供耦合信息。交叉峰（crosspeaks，相關(guān)峰）：對(duì)角線外的峰，反映2個(gè)峰組間的耦合關(guān)系，主要反映3J偶合關(guān)系。F1、F2兩維坐標(biāo)均表示化學(xué)位移。4/26/202322同核位移相關(guān)譜1.1H-1HCOSY簡(jiǎn)化多重峰，直觀地給出耦合關(guān)系。解譜方法：以任一交叉峰為出發(fā)點(diǎn)，可以確定相應(yīng)的2組峰組的耦合關(guān)系而不必考慮氫譜中的裂分峰形。交叉峰是沿對(duì)角線對(duì)稱分布的，因而只分析對(duì)角線一側(cè)的交叉峰即可。一般反應(yīng)3J耦合關(guān)系，遠(yuǎn)程耦合較弱，不產(chǎn)生交叉峰。當(dāng)3J較小時(shí)（如兩面角接近90o）也可能無交叉峰。

最常用的位移相關(guān)譜。

1H-1HCOSY實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于做一系列連續(xù)選擇性去耦實(shí)驗(yàn)去求得耦合關(guān)系，用以確定質(zhì)子之間的連接順序。4/26/202323654321Problem1.Theschematic1HCOSYspectrumof2-hexanoneisgivenbelow.UsingtheCOSYspectrum,assignthe1HNMRresonancesof2-hexanone,i.e.establishwhichresonancebelongstowhichspecificHsiteinthemolecule.316454/26/202325谷氨酸的COSY90o等高線圖F2域及F1域皆為1D-1H-NMR2位H與3位H3位H與4位H先用化學(xué)位移判斷，后用交叉峰驗(yàn)證。4/26/202326化合物A的COSY45o譜，對(duì)角線峰顯著簡(jiǎn)化，譜峰清晰。由交叉峰所顯示的傾斜度識(shí)別出只有1、2位存在同碳?xì)漶詈?，其余為鄰碳?xì)漶詈稀?/26/202329HD-COSY譜(F1域?qū)拵з|(zhì)子去耦COSY譜，HomonuclearDecouplingCOSY)，即BroadbandprotondecoupledCOSY)在F1域?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子寬帶去耦，使交叉峰強(qiáng)度增加而提高了F1域的分辨率，但F2域不去耦，仍保留著JHH耦合，因此HD-COSY譜不像COSY90o譜那樣是矩形點(diǎn)陣，而是細(xì)條狀的峰形。HD-COSY譜的F1域和F2域都是化學(xué)位移，解析方法與常規(guī)COSY譜相同。4/26/2023302，3-二溴丙酸的HD-COSY譜與COSY45o和90o譜比較，HD-COSY譜呈現(xiàn)出F2域峰寬（保留JHH耦合），F(xiàn)1域峰窄(寬帶去耦）的細(xì)條狀譜峰。4/26/202331三環(huán)癸烷衍生物的HD-COSY譜F2域峰寬（保留JHH耦合），F(xiàn)1域峰窄(寬帶質(zhì)子去耦），化學(xué)位移定標(biāo)不同造成對(duì)角峰反轉(zhuǎn)，交叉峰由于F1域去耦而變窄，使其覆蓋面變小，有利于圖譜解析，可以清楚地顯示出HJ與HI、HH、HD、HC、HA的耦合。4/26/202332異核位移相關(guān)譜H-CCOSY(HETCOR)

COSY:COrrelated

SpectroscopY通過JCH建立相關(guān)關(guān)系譜信息:w1:１H-１H偶合氫譜w2:全去偶碳譜4/26/202333異核位移相關(guān)譜C-HCOSY是13C和1H核之間的位移相關(guān)譜。它反映了13C和1H核之間的關(guān)系。它又分為直接相關(guān)譜和遠(yuǎn)程相關(guān)譜，直接相關(guān)譜是把直接相連的13C和1H核關(guān)聯(lián)起來，沒有對(duì)角峰，矩形中出現(xiàn)的峰稱皆為相關(guān)峰或交叉峰。每個(gè)相關(guān)峰把直接相連的碳譜譜線和氫譜峰組關(guān)聯(lián)起來。季碳原子因不連氫而沒有相關(guān)峰。如一碳原子上連有兩個(gè)化學(xué)位移值不等的氫核，則該碳譜譜線對(duì)著兩個(gè)相關(guān)峰。因此，這樣的碳一定是CH2。H,C-COSY結(jié)合氫譜的積分值，每個(gè)碳原子的級(jí)數(shù)（CH3，CH2，CH，C）都能確定。遠(yuǎn)程相關(guān)譜是將相隔兩至四根化學(xué)鍵的13C和1H核關(guān)聯(lián)起來，甚至能跨越季碳、雜原子等，交叉峰或相關(guān)峰比直接相關(guān)譜中多得多，因而對(duì)于幫助推測(cè)和確定化合物的結(jié)構(gòu)非常有用。4/26/202334異核位移相關(guān)譜

---------測(cè)試技術(shù)上有兩種方法

對(duì)異核（非氫核）進(jìn)行采樣，這在以前是常用的方法，是正相實(shí)驗(yàn)，所測(cè)得的圖譜稱為“C，HCOSY”或長(zhǎng)程“C，HCOSY”、COLOC。因是對(duì)異核進(jìn)行采樣，故靈敏度低，要想得到較好的信噪比必須加入較多的樣品，累加較長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)氫核進(jìn)行采樣，這種方法是目前常用的方法，為反相實(shí)驗(yàn)，所得的圖譜為HMQC、HSQC或HMBC譜。由于是對(duì)氫核采樣，故對(duì)減少樣品用量和縮短累加時(shí)間很有效果。HMQC、HSQC反映的是

1JCH耦合，HMBC譜和COLOC則對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)程耦合nJCH。4/26/202335Problem3The1HNMRspectrumof2,3-dihydrofuran(F)showsresonancesat2.6,4.2,4.9,6.2PPM.GivenbelowisaschematicrepresentationoftheCOSYspectrumof(F).The13Cspectrumof(F)containsresonancesat28.5,68.6,98.4and145.0PPM.ExplainhowyoucouldusetheCOSYandtheC-Hcorrelationspectrumtoassignthe1Hand13Cspectra(i.e.establishwhich13Cand1Hspectrumbelongstowhichspecificsiteinthemolecule.)

12343142

13244/26/2023361H化學(xué)位移13C化學(xué)位移C，HCOSY譜4/26/20233713C化學(xué)位移1H化學(xué)位移2464/26/2023382,3-二溴代丙酸F1域?qū)拵ヱ頒,HCOSY譜(a)與常規(guī)C,HCOSY譜(b)比較c,d為平行于F1域取出的CH2和CH的2張投影圖，可以看出投影圖(c)中CH2和CH之間的3JHH耦合已消除，但本身的偕氫2JHH耦合仍然保留，信號(hào)強(qiáng)度和分辨率提高。4/26/202339COLOC譜（遠(yuǎn)程C-HCOSY）遠(yuǎn)程相關(guān)譜將相隔兩至四根化學(xué)鍵的13C和1H核關(guān)聯(lián)起來，甚至能跨越季碳、雜原子等，交叉峰或相關(guān)峰比直接相關(guān)譜中多得多，與2DINADEQUATE相比，

2D遠(yuǎn)程C-HCOSY樣品用量少，省時(shí)間，靈敏度高。F1域：1H化學(xué)位移，F(xiàn)2域：13C化學(xué)位移,無對(duì)角峰，交叉峰除了nJCH遠(yuǎn)程相關(guān)峰外，也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)的1JCH相關(guān)峰，因此需要將COLOC譜與C-HCOSY譜對(duì)照，以便扣除1JCH相關(guān)峰得到遠(yuǎn)程nJCH耦合信息。4/26/202340先分別從F1F2域找到CHO、OCH3、4位C的相應(yīng)信號(hào)由香草醛COLOC譜中3J(H8,C3)相關(guān)峰可以決定OCH3連在C-3上，由3J(H7,C2)和3J(H6,C7)相關(guān)峰可以指認(rèn)CHO與C1相連。4位碳因連有OH，其化學(xué)位移處于次低場(chǎng)（羰基碳在最低場(chǎng)），加上2J(H5,C4)和3J(H6,C4)相關(guān)峰可以指認(rèn)OH連在C-4上。3J(H8,C3)2J(H5C4)3J(H6C4)3J(H6C7)3J(H7C2)H2,C7)(H2,C4)全去偶碳譜去偶?xì)渥V4/26/202341NOE類二維核磁共振譜

（HomonuclearShiftCorrelationSpectroscopy）

NOESY二維NOE(NuclearOverhausereffectspectroscopy)4/26/202342NOESY和ROESY二維NOE譜簡(jiǎn)稱為NOESY，它反映了有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)中核與核之間空間距離的關(guān)系，而與二者間相距多少根化學(xué)鍵無關(guān)。因此對(duì)確定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、構(gòu)型和構(gòu)象以及生物大分子（如蛋白質(zhì)分子在溶液中的二級(jí)結(jié)構(gòu)等）有著重要意義。NOESY的譜圖與1H-1HCOSY非常相似，它的F2維和F1維上的投影均是氫譜，也有對(duì)角峰和交叉峰，圖譜解析的方法也和COSY相同，唯一不同的是圖中的交叉峰并非表示兩個(gè)氫核之間有耦合關(guān)系，而是表示兩個(gè)氫核之間的空間位置接近。由于NOESY實(shí)驗(yàn)是由COSY實(shí)驗(yàn)發(fā)展而來為的，因此在圖譜中往往出現(xiàn)COSY峰，即J偶合交叉峰，故在解析時(shí)需對(duì)照它的1H-1HCOSY譜將J偶合交叉峰扣除。在相敏NOESY譜圖中交叉峰有正峰和負(fù)峰，分別表示正的NOE和負(fù)的NOE。4/26/202343當(dāng)遇到中等大小的分子時(shí)（分子量約為1000-3000），由于此時(shí)NOE的增益約為零，無法測(cè)到NOESY譜中的相關(guān)峰（交叉峰），此時(shí)測(cè)定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的NOESY則是一種理想的解決方法，這種方法稱為ROESY（RotatingframeOverhauseEffectSpectroscopy），由此測(cè)得的圖譜稱為ROESY譜。ROESY譜的解析方法與NOESY相似，同樣ROESY譜中的交叉峰并不全都表示空間相鄰的關(guān)系，有一部分則是反映了耦合關(guān)系，因此在解譜時(shí)需注意。4/26/202344突出表現(xiàn)NOE效應(yīng)的NOESY譜異香草醛NOE交叉峰：醛基氫a與芳環(huán)上b、c位置上的氫空間相關(guān)，甲氧基氫e與芳環(huán)上d位置上的氫空間相關(guān)，對(duì)照其H,HCOSY譜，c,d的交叉峰為J偶合峰，而非NOE交叉峰，應(yīng)予以扣除。4/26/202345總相關(guān)譜

（TotalCorrelationSpectroscopy,TOCSY）TOCSY把COSY的作用延伸，從任一氫的峰組可以找到與該氫核在同一耦合體系的所有氫核的相關(guān)峰。TOCSY的外型與COSY相似，但交叉峰的數(shù)目大大增加。4/26/202346多量子二維核磁共振譜

2DINADEQUATE(Incrediblenaturalabundantdoublequantumtransferexperiment)

2DINADEQUATE是目前13C譜歸屬的最有效方法，通過13C-13C偶合找到其連接關(guān)系。利用雙量子躍遷的特性，抑制強(qiáng)的13C峰，突出弱的13C-13C衛(wèi)星峰，找到JCC,并確定其近鄰，從而確定化合物的骨架結(jié)構(gòu)。由于13C天然豐度低，檢測(cè)靈敏度很低，即使樣品濃度很大(＞100mg/0.5mL),累加時(shí)間仍然很長(zhǎng)（24h以上）。4/26/2023472DINADEQUATE的2種形式

F2域?yàn)榛瘜W(xué)位移，F(xiàn)1域?yàn)殡p量子躍遷頻率，相互耦合的2個(gè)碳原子作為一對(duì)雙峰排列在平行于F2域的同一水平線上。一對(duì)耦合的碳（相當(dāng)于AX體系）具有相同的雙量子躍遷頻率，用水平連線示出，如：C1-C2,C2-C3,C3-C4。由于雙量子頻率為偶合的一對(duì)13C－13C的單量子頻率之和，連線的中心落在F1=2F2的準(zhǔn)對(duì)角線上。4/26/202348譜信息：F2是碳譜，單量子頻率F1是雙量子頻率，為偶

合的一對(duì)13C－13C的

單量子頻率之和一對(duì)13C－13C處于水平線上，左右對(duì)稱地處于準(zhǔn)對(duì)角線（F1=2F2)兩側(cè)。4/26/202349

F2域和F1域均為13C化學(xué)位移，類似于H,HCOSY譜，相互耦合的2個(gè)碳原子作為一對(duì)雙峰出現(xiàn)在對(duì)角線兩側(cè)對(duì)稱的位置上。4/26/202350薄荷醇的2DINADEQUATE譜F2域?yàn)?3C化學(xué)位移，F(xiàn)1域?yàn)殡p量子躍遷頻率，相互耦合的2個(gè)13C的一對(duì)相關(guān)峰出現(xiàn)在平行于F2域的同一水平線上。4/26/202351F2域和F1域均為13C化學(xué)位移，相關(guān)峰以二重峰形式出現(xiàn)在對(duì)角線兩側(cè)，C3與OH相連，在低場(chǎng)，易識(shí)別析譜時(shí)可將其作為切入點(diǎn)。由C3出發(fā)C3C2C2C2C1C1C1C6C6C6C5C5C5C4C4C4C3C3C4C8C8C10C8C9C8C44/26/202352核磁共振譜圖綜合解析識(shí)別氫譜與碳譜中的溶劑峰與雜質(zhì)峰。初步分析譜圖，找出特征峰并確定各譜線的大致歸屬。分析一維1H譜，根據(jù)譜圖中化學(xué)位移值、耦合常數(shù)值、峰形和峰面積找出一些特征峰，獲得一些最明顯的結(jié)論。對(duì)照13C質(zhì)子噪聲去偶譜以及各個(gè)DEPT碳譜，確定各碳原子的級(jí)數(shù)。按照化學(xué)位移分區(qū)的規(guī)律，大致確定各譜線所屬的區(qū)域，如在飽和區(qū)還是在不飽和區(qū)，是否含雜原子、羰基以及活潑氫等。4/26/202353借助二維核磁共振譜對(duì)圖譜作進(jìn)一步的指認(rèn)。解析H-HCOSY譜，從一維譜中已經(jīng)確定的氫譜線出發(fā)找到與之相關(guān)的其它譜線。解析13C-1HCOSY（或HMQC、HSQC）譜，同樣從已知的氫譜線出發(fā)找到各相關(guān)的碳譜線，以此推斷出這些碳譜線的歸屬。解析13C-1H遠(yuǎn)程相關(guān)譜（COLOC或HMBC），從已確定的碳譜線出發(fā)，找到與之相關(guān)的各氫譜線或從已知的氫譜線出發(fā)找到各相關(guān)的碳譜線，由此完成對(duì)一些未知譜線的指認(rèn)。在二維譜中由于一些相關(guān)峰的強(qiáng)度較弱，在實(shí)驗(yàn)中常常未被檢測(cè)到，另外在圖譜中還常常