上学期有机结构分析2d

1、Slide number 2D 核磁共振谱 施燕红 Email: Tel: 50806600-3119 二维核磁共振谱概述 什么是二维核磁共振谱？ 一维核磁共振谱：一维核磁共振谱： 时畴信号（时畴信号（FID信号）信号） FT 频畴谱（峰强度频畴谱（峰强度 vs 频率）频率） 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。 4.3 二维核磁共振谱概述二维核磁共振谱概述 a b d1: pre-delayt: acquisi

2、tion 90 x y x z M=-1/2 M=1/2 Mz My 一维一维 NMR 2 / 0 cos()e t T y MMt - =w + f 间接探测期间接探测期直接探测期直接探测期 二维二维NMRNMR实验在时间域上可分为四个时期实验在时间域上可分为四个时期 预备期预备期: 延迟时间 + 激发脉冲 等待系统回到热平衡态, 激发单或多量子相干, 固定时段; 发展期发展期(t1): 非热平衡态磁化矢量或相干进行演化 演化时间以固定增量Dt1增加 标记间接测定的核或相干; 混合期混合期(tm): 非必要.传递相干或极化, 建立检测条件, 固定时段; 检测期检测期 (t2):检测横向磁化矢

3、量或相干 二维谱的FT变换 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 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 二维谱的表现方式 n 堆积图堆积图 Stacked trace plot n 等高线图等高线图 Contour plot n 截面图截面图 Section n 投影图投影图 Projection 堆积图 等高线图 截面图 等高线图 投影图 2D 谱中的吸收线形和色散线形谱中的吸收线形和色散线形 吸收线形吸收线形 色散线形色散线形 堆积图堆积图等高线图等高线图截面图截面图 4. 二维谱的

4、分类二维谱的分类 J分辨谱分辨谱 J Resolved Spectroscopy, d-J 谱 同核 (homonuclear), 异核(heteronuclear) 化学位移相关谱化学位移相关谱 Chemical Shift Correlation Spectroscopy, d- d 谱 同核耦合, 异核耦合, NOE 和化学交换 多量子谱多量子谱 Multiple Quantum Spectroscopy 1、J分辨谱 同核J谱 180 x90 x t1/2t1/2 AQT1H t2 同核J谱的脉冲序列 n 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。 n 在

5、二维 J分解谱中，只要化学位移 d 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。 同核J分辨谱 AX3体系J谱 谱信息: (弱偶合体系) w2: 全去偶谱 化学位移 dH w1: 谱线多重性 偶合常数 JHH AX 2 1 J AX体系J谱 A X 2 1 J AX2体系J谱 同核J分辨谱 2 D J 分解 1H NMR谱 等高线平面谱 2 D J 分解 1H NMR谱 2-H和3-H的断面图 六元环六元环 Jaa Jac Jee 1D 1H 谱裂分不清楚谱裂分不清楚 J值不易求出值不易求出 拓普霉素的核磁共振氢谱（拓普霉素的核磁共振氢谱（500 MHz） 应用应用: :

6、 拓普霉素构型拓普霉素构型 同核同核J 分解谱分解谱 化学位移化学位移 J 偶偶 合合 同核同核J谱，强耦合体系效果差！谱，强耦合体系效果差！ 异核J分解谱 谱信息: w2: 全去偶谱 化学位移 dC w1: 谱线裂分 偶合常数 JCH 2 D C-H J分解谱 O 1 4 5 6 7 8 9 10 2、异核位移相关谱、异核位移相关谱 1. H-C COSY (HETCOR) COSY: COrrelated SpectroscopY 通过通过JCH 建立相关关系建立相关关系 谱信息谱信息: w1: H-H 偶合氢谱 偶合氢谱 w2: 全去偶碳谱全去偶碳谱 1H 化化 学学 位位 移移 13C

7、 化学位移 化学位移 13C 化学位移 化学位移 1H 化化 学学 位位 移移 此谱表明：此谱表明： 有两种异构体（有两种异构体（8：1） 可测出两种可测出两种 1JHP (1H 不加去偶）不加去偶） 31P 1H-31P COSY 谱 谱 1H 2. COLOC (heteronuclear shift) COrrelation spectroscopy via LOng Couplings 谱信息： w1: H-H 去偶氢谱 w2: 全去偶碳谱 COLOC 与长程H,C-COSY相近, 但效果好些, 能反映长于三键的偶合, 甚至跨越杂原子、季碳的偶合 (H8,C3) (H6,C7) (H2

8、,C7) (H7,C2) (H7,C6) (H5,C1) (H5,C4) (H5,C3) (H6,C4) (H2,C4) (H2,C3) 全去偶碳谱 去 偶 氢 谱 最常用的位移相关谱。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 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，用以确定质子之间得连接顺序。合关系，用以确定质子之间得连接顺序。 3、 同核位移相关谱同核位移相关谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy） AQT 90 x COSY谱脉冲序列 t2 90 x t1 6.1 COSY A

9、X X A F1 F2 AX体系COSY谱示意图 对角峰 自交叉峰 交叉峰 同核位移相关谱同核位移相关谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy） 4.6.1 COSY 交叉峰（相关峰） 主要反映3J、 2J偶合关系 对角峰（自相关峰） 幅度谱，非相敏，线形宽 C=C-O-CH2-CH2-CH2-CH3 H H H O HOOH O O N3 1 2 3 4 5 6 azo-sugar O OH HO H N O N3 1 2 34 5 6 O AcO OAc O O 1 2 3 4 5 6 A B Problem 1. The schemati

10、c 1H COSY spectrum of 2-hexanone is given below. Using 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. Problem 3 The 1H NMR spectrum of 2,3-dihydrofuran (F) shows resonances at 2.6, 4.2, 4.9, 6.2 PPM. Gi

11、ven below is a schematic representation of the COSY spectrum of (F). 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

12、 which specific site in the molecule.) Problem 4. C7H14O COSY Problem 5. C5H10O COSY HETCOR Problem 6 C5H10O COSY HETCOR 相敏同核位移相关谱 COSY谱不足之处： 线形不好，扭曲(twinst) 过交叉峰顶点的截面呈吸收线形 偏离交叉峰顶点的截面呈色散线形 易造成谱峰重迭，模糊交叉峰精细结构 相敏COSY可得到纯吸收线形 采用正交检测技术（States 或TPPI） 分辨率大为改善，信噪比也得到一些改善 从交叉峰精细结构可得到J偶合常数 相敏相敏COSY（Phase sens

13、itive COSY） 作用：通过相循环等方法，消除交叉峰的色散分量，提高分作用：通过相循环等方法，消除交叉峰的色散分量，提高分 辨率，便于读取耦合常数。辨率，便于读取耦合常数。 A X M 1 2 说明：说明： （1）交叉峰为纯吸收峰，对角线峰）交叉峰为纯吸收峰，对角线峰 为色散吸收；为色散吸收； （2） 和和 分别代表正、负吸收分别代表正、负吸收 信号；信号； （3）圆圈的面积代表峰的强度；）圆圈的面积代表峰的强度； （4）粗线标注主动耦合，细线标注）粗线标注主动耦合，细线标注 被动耦合。主动耦合即交叉峰所对被动耦合。主动耦合即交叉峰所对 应的两个核组之间的耦合，所产生应的两个核组之间的耦

14、合，所产生 的一对峰是异号的；而被动耦合产的一对峰是异号的；而被动耦合产 生的一对峰是同号的。生的一对峰是同号的。 马钱子碱马钱子碱 相敏相敏COSY谱谱 COSY-45（b-COSY） 减小COSY脉冲序列中第二个脉冲的宽度，使脉冲角度为b 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 系之间的相关峰； （2）从COSY-45可判别耦合常数的符号。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。 AMX COSY COSY-45 Br Br

15、COOH HX HAHM COSY-45 (b -COSY) 相关谱中只出现共 能级跃迁，压低对 角峰，可从多重峰 重心连线的走向判 断J值的符号 优化长程耦合的COSY (COSY optimised for long range couplings, COSYLR Long range COSY, LRCOSY) 90 x90 x t1D AQT COSYLR的脉冲序列 D t2 交叉峰强度 sin(pJt) D小时， 大 J 值的 交叉峰及对角峰是 主要的， 随D 增大，长程偶 合的交叉峰强度增 大， J偶合的交 叉峰强度因弛豫而 衰减。 突出表现远程偶合的H-H COSY谱 (D CO

16、SY) -O 3S SO3- NH2 a b cd e 双量子滤波双量子滤波COSY (Double-quantum filter COSY, DQF-COSY) 优点： （1）抑制强峰。包括化合物固有的强峰（如叔丁基、甲氧基）和 溶剂峰； （2）峰形改善（相敏COSY弱点:交叉峰为吸收线形,但对角峰为色 散线形，延伸较宽，附近的交叉峰易受干扰，难于清楚分辨观 察。 ）。对角线峰和交叉峰均为吸收型。 9090 x t1 AQT DQF-COSY的谱脉冲序列 t2 90 双量子滤波双量子滤波COSY COSY and DQF COSY 环五肽样品的相敏环五肽样品的相敏COSY（左）和左）和DQF

17、-COSY（右）右） HO Me HO He Hd Hc Me Ha Hb Hf O OH O andrographolide NOE类二维核磁共振谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy） 4.7.1 NOESY 二维NOE(Nuclear Overhauser effect spectroscopy) 90 x90 x t1 AQT NOESY的脉冲序列 t2 t 90 x A, X两核相距较近( 1 交叉峰与对角峰反相; 自旋扩散条件(慢运动) wtc 1 交叉峰与对角峰同相 混合时间tm 的选择很重要, 小分子: tm T1 达到最佳灵

18、敏度; 蛋白质: tm 100 ms NOESY (H-3,H-2) 突出表现NOE效应的NOESY谱 O 1 4 5 6 7 8 9 10 O 1 4 5 6 7 8 9 10 HO Me HO He Hd Hc Me Ha Hb Hf O OH O Problem 2 ROESY Rotating frame Overhauser Effect SpectroscopY) 对中等大小的分子, 当 tc 1.12 NOE = 0 NOESY 谱没有交叉峰 在ROESY 谱中不会出现交叉峰消失的情况 在tc0 或 tc NOESY谱交叉峰强些. NOESY 和ROESY 二维 NOE 谱简称为

19、 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，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

20、 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

21、，因此在解谱时需注意。 接力的同核位移相关谱接力的同核位移相关谱 （Relayed COSY, RCOSY) A X M M 1 2 A X JAM, JMX不为不为0， JAX为为0； JA M, JMX不为 不为0， JA X为 为0； d dM =d dM 一维多重接力磁化转移 (1D HOHAHA) 在解析复杂的1H NMR谱时，如有一种方法能把各偶合系统从 原光谱中分离并检测出来，这对结构解析提供极大的帮助 1D HOHAHA: 使磁化从某个1H 开始，并沿该氢所属偶合系统 接力转移，并检测出只因磁化转移所产生的共振信号 磁化转移的速率取决于J值的大小，转移距离远近则决定于脉 冲序列

22、中混合时间的长短 CCCC Ha Hb Hc Hd CH2OH OH O O P O A H2C OH O O P O OH CH2 OH OH O N N N N 总相关谱总相关谱 ( Total correlation spectroscopy, TOCSY) TOCSY谱是从COSY往RCOSY的进一步延伸。从某一 氢核的谱峰出发，能找到与它处在同一耦合体系的所有 氢核谱峰的相关峰（尽管所讨论的氢核和若干氢核之间 的耦合常数可能为零）。 90 x t tm t1 AQT TOCSY的谱脉冲序列的谱脉冲序列 t2 等频混合期等频混合期 O HOOH O O N3 1 2 3 4 5 6 a

23、zo-sugar Pro Val OrnLeu Phe PheProLeu Orn Val TOCSY 环五肽样品的环五肽样品的DQF-COSY（左）和左）和TOCSY（右）右） 多量子二维核磁共振谱 2D INADEQUATE (Incredible natural abundant double quantum transfer experiment) 通过13C-13C 偶合找到其连接关系， 检测灵敏度很低， 单个13C被抑制，仅需考虑AX 或AB体系 1H 宽带去偶，13C 谱线不被1H偶合裂分 t = (2n+1)/41Jcc n=0,1,2, 以达到双量子相干的最大传递 n=0 减

24、少弛豫的影响t=1/41Jcc 饱和化合物，1J 30 Hz t 8 ms. t t1 1D INADEQUATE 2D INADEQUATE 谱信息：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处于水平线上， 左右对称地处于准对角线 （F1=2F2)两侧 Problem 7 C9H12O2 1 2 3 4 5 6 7 8 INADEQUATE spectrum 1 2 3 45 6 7 8 8、分子式：C10H18O 8、分子式 C10H18O C X 1: 143.2 CH X 3: 138.8, 67.8, 24.8

25、 CH2 X 4: 118.2, 114.0, 46.5, 40.8 CH3 X 2: 23.5, 22.0 143.2 138.8 118.2 114.0 67.8 46.5 40.8 24.8 23.5 22.0 138.8 118.2 114.0 67.8 40.8 24.8 46.5 22.023.5 138.8 114.0 118.2 67.840.8 40.8 23.5 46.5 22.0 24.8 HO 118.0 138.8 114.0 67.8 40.8 46.5 24.8 23.522.0 HO 118.0 138.8 114.0 67.8 40.8 46.5 24.8 2

26、3.522.0 114.0 138.8 118.2 67.8 40.846.5 24.8 23.5 22.0 143.2 检出1H的异核位移相关谱HMQC和HSQC HMQC: 检出1H的异核多量子相干 (1H-detected heteronuclear multiple-quantum coherence) 优点：相当于H, C-COSY, 但样品用量少； 缺点：F1方向(dc)的分辨率低（原因：数据点少、会显示1H- 1H裂 分） HSQC: 检出1H的异核单量子相干 (1H-detected heteronuclear single-quantum coherence) 优点：不显示1

27、H- 1H裂分 1H, 13C COSY 谱：检测核为 谱：检测核为1H检测，灵敏度提高倍检测，灵敏度提高倍 反转(逆）检测模式(inverse detection mode, ID) 环五肽样品的环五肽样品的HMQC（左）和左）和HSQC（右）右） HMBC: 检出1H的异核多键相干 (1H-detected heteronuclear multiple-bond correlation) 优点：相当于长程H, C-COSY或COLOC, 但样品用量少； 缺点：F1方向的分辨率低 检出1H的异核位移相关谱HMBC ppm 3.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0ppm 3

28、0 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Current Data Parameters NAME cfyhmbc EXPNO 1 PROCNO 1 F2 - Acquisition Parameters Date_ 20001103 Time 7.36 INSTRUM DRX500 PROBHD 5 mm TBI 1H/ PULPROG inv4gplrnd TD 1024 SOLVENT CDCl3 NS 4 DS 16 SWH 3443.526 Hz FIDRES 3.362818 Hz AQ 0.1488800 sec RG 115

29、85.2 DW 145.200 usec DE 6.00 usec TE 300.0 K D0 0.00000300 sec D1 1.50000000 sec D6 0.07000000 sec D13 0.00000300 sec D16 0.00050000 sec IN0 0.00002380 sec = CHANNEL f1 = NUC1 1H P1 6.00 usec P2 12.00 usec PL1 -4.00 dB SFO1 500.1326379 MHz = CHANNEL f2 = NUC2 13C P3 15.70 usec PL2 -2.00 dB SFO2 125.7693867 MHz = GRADIENT CHANNEL = GPNAM1 sine.100 GPNAM2 sine.100 GPNAM3 sine.100 GPX1 0.00 % GPX2 0.00 % GPX3 0.00 % GPY1 0.00 % GPY2