清华波谱课件第四章-2

1、4.3 二维核磁共振谱概述二维核磁共振谱概述4.3.1 什么是二维核磁共振谱？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：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。一般用第二个时的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时间变量间变量 t2 表示采样时间，第一个时间变量表示采样时间，第一个时间变量 t1 则是则是与与 t2 无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变化的

2、时间间隔。化的时间间隔。预备期预备期 (preparation period)：是一个较长的时期，它：是一个较长的时期，它使实验前体系能回复到平衡状态。使实验前体系能回复到平衡状态。演化期演化期 (evolution period, t1)：在：在t1开始时由一个或几个开始时由一个或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。 t1是变化的。是变化的。混合期混合期 (mixing period, tm)：建立信号检出的条件。混：建立信号检出的条件。混合期有可能不存在。合期有可能不存在。检测期检测期 (detection period, t2)：以通常方式检出：以

3、通常方式检出FID信号。信号。预备期预备期演化期演化期混合期混合期检测期检测期t1tmt2delay4.3 二维核磁共振谱概述二维核磁共振谱概述4.3.2 二维核磁共振时间轴方块图二维核磁共振时间轴方块图 2t1 2 1S(t1, t2)S(t1, 2)S( 1, 2)FTFTt2t11）J分辨谱（分辨谱（J resolved spectroscopy） 也叫也叫J谱或谱或 -J谱，它把谱，它把 和耦合作用分辨开来。和耦合作用分辨开来。2）化学位移相关谱（）化学位移相关谱（Chemical shift correlation spectroscopy）也叫）也叫 - 谱，是二维核磁共振谱的核心

4、谱，是二维核磁共振谱的核心。3）多量子谱（）多量子谱（Multiple quantum spectroscopy） 用脉冲序列检测出多量子跃迁，得到的多量子二维谱用脉冲序列检测出多量子跃迁，得到的多量子二维谱。4.3.4 二维核磁共振谱的表现形式二维核磁共振谱的表现形式1）堆积图（）堆积图（stacked trace plot）2）等高线图（）等高线图（contour plot）3）其它）其它4.3 二维核磁共振谱概述二维核磁共振谱概述4.3.3 二维核磁共振谱的分类二维核磁共振谱的分类4.4 J分辨谱分辨谱同核同核J谱谱180 x90 xt1/2t1/2AQT1Ht2同核同核J谱的脉冲序列谱

5、的脉冲序列AX体系的体系的信号强度信号强度 J 调制调制xy 2= A+J/2 1= A-J/2 1 2 2 1xy 2 1 = ( + Jt1) = ( - Jt1)横向磁化矢量与横向磁化矢量与y轴的夹角轴的夹角 ：+2 ( A+J/2)t2+2 ( A-J/2)t24.4 J分辨谱分辨谱AX3体系体系J谱谱 A X 2 1JAX体系体系J谱谱 A X 2 1JAX2体系体系J谱谱4.4 J分辨谱分辨谱4.5 异核位移相关谱异核位移相关谱 （Heteronuclear Shift Correlation Spectroscopy）4.5.1 H, C-COSY (HETCOR)90 x去耦去

6、耦 ona bcde90 xf2t1 AQThig180 90 x1H13CH, C-COSY谱脉冲序列谱脉冲序列2t1g2J1t2相当于一整套选择性去耦谱。相当于一整套选择性去耦谱。xy H+J/2 H-J/2 HH, C-COSY原理（原理（CH体系，体系，1H）xy H+J/2 H-J/2 H(c)xy H-J/2 H+J/2 H(d)(e)2H t1xy H+J/2 H-J/2 H(f)2H t1+2H /(2J)+ /22H t1+2H /(2J)- /2xy(g)H, C-COSY原理（原理（CH体系，体系，13C）zxy(a-c)M0zxy(i)zxy(h)(d-f)zxy(g)

7、zxy类似于类似于INEPT一般取一般取 =1/3JSPI从从(i)开始对氢去耦，开始对氢去耦，13C谱线强度被谱线强度被 H所调制所调制长程耦合的（异核位移）相关谱长程耦合的（异核位移）相关谱 (Heteronuclear shift correlation spectroscopy via long range coupling)90 x去耦去耦 on90 x2t1 2AQT180 90 x1H13CCOLOC谱脉冲序列谱脉冲序列 1 -2t1t2180 4.5 异核位移相关谱异核位移相关谱 （Heteronuclear Shift Correlation Spectroscopy）4.5

8、.2 COLOC谱谱(H8,C3)(H6,C7)(H2,C7)(H7,C2)(H7,C6)(H5,C1)(H5,C4)(H5,C3)(H6,C4)(H2,C4)(H2,C3) 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。求得耦合关系，用以确定质子之间得连接顺序。4.6 同核位移相关谱同核位移相关谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy）AQT90 xCOSY谱脉冲序列谱脉冲序列t290 xt14.6.1 COS

9、Y A X X AF1F2AX体系体系COSY谱示意图谱示意图对角峰对角峰自交叉峰自交叉峰交叉峰交叉峰4.6 同核位移相关谱同核位移相关谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy）4.6.1 COSYC=C-O-CH2-CH2-CH2-CH3HHH4.6.2 相敏相敏COSY（Phase sensitive COSY）作用：通过相循环等方法，消除交叉峰的色散分量，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。提高分辨率，便于读取耦合常数。AXM 1 2说明：说明：（1）交叉峰为纯吸收峰，对角）交叉峰为纯吸收峰，对角线

10、峰为色散吸收；线峰为色散吸收；（2） 和和 分别代表正、负吸分别代表正、负吸收信号；收信号；（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）粗线标注主动耦合，细线标注被动耦合。主动耦合即交标注被动耦合。主动耦合即交叉峰所对应的两个核组之间的叉峰所对应的两个核组之间的耦合，所产生的一对峰是异号耦合，所产生的一对峰是异号的；而被动耦合产生的一对峰的；而被动耦合产生的一对峰是同号的。是同号的。4.6.3 COSY-45（ -COSY）减小减小COSY脉冲序列中第二个脉冲的宽度，使脉冲角脉冲序列中第二个脉冲的宽度，使脉冲角度为度为 度，较多使用度，较多使用45 。

11、优点：优点：（1）对角线）对角线峰沿对角线的宽度降低，有利于发现强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；耦合体系之间的相关峰；（2）从）从COSY-45可判别耦合常数的符号。谱中任意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，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。右上为负。AMXCOSYCOSY-45BrBrCOOHHXHAHM4.6.4 1

12、方向去耦的方向去耦的COSY90 x90 x2t1AQT 1方向去耦方向去耦COSY的谱脉冲序列的谱脉冲序列 1 -2t1t2180 1方向的氢谱是去耦的，仅显示一个个孤方向的氢谱是去耦的，仅显示一个个孤立的单峰，则立的单峰，则COSY中的交叉峰不再呈现中的交叉峰不再呈现矩形外观，而是被矩形外观，而是被“压压”成一条条水平状成一条条水平状的交叉峰，其结果是大大增加了的交叉峰，其结果是大大增加了 1方向的方向的分辨率。分辨率。4.6.4 优化长程耦合的优化长程耦合的COSY(COSY optimised for long range couplings, COSYLRLong range COS

13、Y, LRCOSY)90 x90 xt1 AQTCOSYLR的脉冲序列的脉冲序列 t24.6.4 双量子滤波双量子滤波COSY(Double-quantum filter COSY, DQF-COSY)优点：优点：（1）抑制强峰。包括化合物固有的强峰（如叔）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；丁基、甲氧基）和溶剂峰；（2）峰形改善（与相敏）峰形改善（与相敏COSY相比）。对角线相比）。对角线峰和交叉峰均为吸收型。峰和交叉峰均为吸收型。90 90 xt1AQTDQF-COSY的谱脉冲序列的谱脉冲序列t290 环五肽样品的相敏环五肽样品的相敏COSY（左）和（左）和DQF-

14、COSY（右）（右）4.7 NOE类二维核磁共振谱类二维核磁共振谱 （Homonuclear Shift Correlation Spectroscopy）4.7.1 NOESY二维二维NOE(Nuclear Overhauser effect spectroscopy)90 x90 xt1AQTNOESY的脉冲序列的脉冲序列t2 90 xNOESY(H-3,H-2)4.8 接力类位移相关谱和总相关谱接力类位移相关谱和总相关谱4.8.1 接力的同核位移相关谱接力的同核位移相关谱 （Relayed COSY, RCOSY)AXMM 1 2AXJAM, JMX不为不为0，JAX为为0；JAM, J

15、MX不为不为0，JAX为为0； M = M 4.8.2 异核接力相关（异核接力相关（ H-C RCOSY)4.8.3 总相关谱总相关谱 ( Total correlation spectroscopy, TOCSY)TOCSY谱是从谱是从COSY往往RCOSY的进一步延伸。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）。氢核和若干氢核之间的耦合常数可能为零）。90 x mt1AQTTOCSY的谱脉冲序列的谱脉冲序列t2等频

16、混合期等频混合期环五肽样品的环五肽样品的DQF-COSY（左）和（左）和TOCSY（右）（右）4.9 多量子二维核磁共振谱多量子二维核磁共振谱4.9.1 2D INADEQUATE (Incredible natural abundant double quantum transfer experiment)1D4.10 检出检出1H的异核位移相关谱的异核位移相关谱HMQC: 检出检出1H的异核多量子相干的异核多量子相干 (1H-detected heteronuclear multiple-quantum coherence)优点：相当于优点：相当于H, C-COSY, 但样品用量少；但样品

17、用量少；缺点：缺点：F1方向的分辨率低（原因：数据点少、会显示方向的分辨率低（原因：数据点少、会显示1H- 1H裂分）裂分）HSQC: 检出检出1H的异核单量子相干的异核单量子相干 (1H-detected heteronuclear single-quantum coherence)优点：不显示优点：不显示1H- 1H裂分裂分4.10.1 HMQC和和HSQC环五肽样品的环五肽样品的HMQC（左）和（左）和HSQC（右）（右）4.10.2 HMBCHMBC: 检出检出1H的异核多键相干的异核多键相干 (1H-detected heteronuclear multiple-bond corre

18、lation)优点：相当于长程优点：相当于长程H, C-COSY或或COLOC, 但样品用但样品用量少；量少；缺点：缺点：F1方向的分辨率低方向的分辨率低4.10 检出检出1H的异核位移相关谱的异核位移相关谱ppm3.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0ppm30405060708090100110120130140150160Current Data ParametersNAME cfyhmbcEXPNO 1PROCNO 1F2 - Acquisition ParametersDate_ 20001103Time 7.36INSTRUM DRX500PROBHD 5 mm

19、 TBI 1H/PULPROG inv4gplrndTD 1024SOLVENT CDCl3NS 4DS 16SWH 3443.526 HzFIDRES 3.362818 HzAQ 0.1488800 secRG 11585.2DW 145.200 usecDE 6.00 usecTE 300.0 KD0 0.00000300 secD1 1.50000000 secD6 0.07000000 secD13 0.00000300 secD16 0.00050000 secIN0 0.00002380 sec= CHANNEL f1 =NUC1 1HP1 6.00 usecP2 12.00 usecPL1 -4.00 dBSFO1 500.1326379 MHz= CHANNEL f2 =NUC2 13CP3 15.70 usecPL2 -2.00 dBSFO2 125.7693867 MHz= GRADIENT CHANNEL =GPNAM1 sine.100GPNAM2 sine.100GPNAM3 sine.100GPX1 0.00 %GPX2 0.00 %GPX3 0.00 %GPY1 0.00 %GPY2 0.00 %GPY3 0.00 %GPZ1 50.00 %GPZ2 30