二维核磁共振谱-傅南雁课件

二维核磁共振谱Twodimensionnuclearmagneticresonance,2D－NMR2D－NMR1971年Jeener首先提出2D－NMR思想:

具有两个时间变量的nmr1976年Ernst小组成功实现了2D－NMR实验后，确定了二维核磁共振的理论基础20世纪80年代：2D－NMR加速发展用途：解析复杂有机分子最有力的工具；溶液中分子的三维空间结构的测定；分子动态过程的研究：多维NMR技术：研究生物大分子（蛋白质、核酸等）最有效的方法二维核磁共振谱的特点

将化学位移、偶合常数等核磁共振参数展开在二维平面上，这样在一维谱中重叠在一个频率坐标轴上的信号分别在两个独立的频率坐标轴上展开，减少了谱线的拥挤和重叠，提供了自旋核之间相互作用的新信息,获得更多的信息

二维核磁共振实验一维谱：一个脉冲频率（一个频率）的函数，一个变量，二维谱：两个独立的变量，nmr信号受这两个变量的影响两个时间变量t1t2_－－函数S（t1,t2）两次Fourier变换－－以两个频率为函数的2D-nmr谱二维NMR实验：通过特殊的脉冲序列来获得自旋核之间各种信息的。二维NMR实验的脉冲序列：一般由四个区域组成：预备期D1（preparation）,演化期t1(evolution),混合期tm和检测期t2二维NMR实验的关键：是引入了第二个时间变量－演化期t1二维谱学原理：省略二维谱的表示方式堆积图等高线图断面图投影图堆积图和等高线图（a）堆积图（b）等高线图等高线图的习惯表示横坐标—F2维—对应真实采样的t2维纵坐标—F1维—对应间接采样的t1维二维实验的脉冲序列预备期（D1）使自旋体系恢复Boltzmann分布，而处于初始热平衡状态。理论上应取D1≥5T1（T1为纵向弛豫时间），但为节省时间，实验中一般取D1=(2～3)T1。演化期（t1）在预备期末，施加一个或多个90脉冲，使系统建立共振非平衡状态。演化时间t1是以某固定增量t1为单位，逐步延迟t1。每增加一个t1，其对应的核磁信号的相位和幅值不同。因此，由t1逐步延迟增量t1可得到二维实验中的另一维信号，即F1域的时间函数。混合期（m）由一组固定长度的脉冲和延迟组成。在混合期自旋核间通过相干转移，使t1期间存在的信息直接影响检测期信号的相位和幅值。根据二维实验所提供的信息不同，也可以不设混合期。检测期（t2）在检测期t2期间采集的FID信号是F2域的时间函数，所对应的轴通常是一维核磁共振谱中的频率轴，即表示化学位移的轴。但检测期t2期间采集的FID信号都是演化期t1的函数，核进动的磁化矢量具有不同的化学位移和自旋偶合常数，其FID信号是这些因素的相位调制的结果。因此，通过控制时间长度可使某期间仅表现化学位移的相位调制，而某期间又仅表现自旋耦合的相位调制，通过施加不同的调制就产生了各种不同的二维核磁共振谱。二维实验中的参数设置—参数表处理参数的设定由于F1维采样点的增加从测谱时间上考虑有困难，因此采用零充填的方法使变换点大于采样点，提高数字分辨率，但是不能提高谱峰的分辨率，通常信号会出现谱峰拖长的现象利用窗函数进行变迹处理：相移的正弦钟函数、高斯函数或平方正弦钟函数利用正弦钟函数对截尾严重的FID进行修饰，可以消除由于截尾时的高频截断造成的震荡尾波F1维的间接采样方式有实数型和复数型两种，F1维的Fourier变换方式应与采样方式相适应二维Fourier变换应先变换t2维然后再变换t1维，顺序不可颠倒显示方式分为绝对值显示和相敏显示两种，绝对值显示的峰有好的信噪比，相敏显示有高的分辨率二维谱中的基线调整十分重要二维核磁共振谱的基本理论同核二维谱实验异核二维谱实验例题与练习常用的5种二维同核实验COSYDQF-COSYTOESYNOESYROESYCOSY实验COSY实验是最简单的二维实验，用途最为广泛，脉冲序列由两个90o脉冲组成脉冲序列：90o-t1-90o-t2两个时域长度由各维的采样点数和谱宽决定采样点间隔在谱宽确定以后依照Nyquist采样定律确定t1维中，采样间隔表示为Δt1，又称t1增量，也受Nyquist采样定律制约，由F1维的谱宽决定杂峰与杂峰的消除轴峰：沿F1维出现在参考频率为零处，与演化期间因纵向弛豫而产生的纵向磁化强度有关。因为演化期的纵向弛豫不可避免，因此轴峰必然存在t1噪声峰：沿F1维出现的杂峰，可由许多复杂因素引起，例如宏观退磁场效应和饱和效应等镜像峰：关于中心频率对称的峰，二维镜像峰是复数Fourier变换所固有的消除或降低其强度的方法：相位循环（例如，COSY实验的完整相位循环至少包括4次实验，因此累加次数就是4的倍数）TOCSY（全相关谱）实验TOCSY可以将每一个耦合网络用一个方格网连接起来脉冲序列为一个90o脉冲加上一串自旋锁定功能的组合脉冲：90o-t1-自旋锁定-t2旋转坐标系实验（有自旋锁定过程，如TOCSY和ROESY）和实验室坐标系实验（无自旋锁定过程，如COSY、DQF-COSY和NOESY）NOESY实验NOESY实验是探测核间空间距离的实验，依据的是核之间与距离6次方呈反比的Overhauser作用脉冲序列为三个90o脉冲：90o-t1-90o–tm-90o–t2混合时间tm应该根据核的弛豫时间而定J干扰峰的消除异核二维NMR谱简介异核二维NMR谱主要指的是检测1H而同时间接观测13C、15N等核的逆检测二维相关谱记录不灵敏核FID的HECSY实验已被淘汰直接观测灵敏核的FID，通过核间耦合间接地观测不灵敏核的化学位移异核实验目前遇到最多的是13C-1H耦合系统，此外15N-1H，29Si-1H系统也得到了广泛的应用常用的3种二维异核实验HMQCHMBCHSQCHMQC脉冲序列双线性旋转去耦（bilinearrotationdecoupling,BIRD）HMBC的脉冲序列HSQC（异核单量子相关谱）实验在外形上与HMQC完全相同各项参数要求颇高，当参数不是很完美时，很容易形成相位难调的情况在F1维的分辨率要比HMQC高，在三维NMR中得到比HMQC实验广得多的应用HSQC的脉冲序列二维核磁共振谱的解析（一）某化合物的分子式为C6H10O，请根据下列各谱（图4-习2）推断结构123456123456111222333444444555666二维核磁共振谱的解析（二）某化合物的分子式为C4H8NO2Cl，请根据下列各谱（图4-习3）推断结构1111222233334444二维核磁共振谱的解析（三）某化合物分子式为C6H12O，根据氢谱和H,HCOSY谱（图4-习4）推断结构71