核磁共振波谱二维谱专家讲座

化工与环境学院二维核磁共振谱

(2D-NMR)核磁共振波谱二维谱专家讲座第1页4.4.1二维核磁共振谱基础知识4.4.2二维核磁共振谱分类4.4.3常见二维核磁共振谱原理及解析4.4.4核磁共振谱综合解析2目录核磁共振波谱二维谱专家讲座第2页一维NMR试验过程3核磁共振波谱二维谱专家讲座第3页4一维核磁共振谱：横坐标同时表示化学位移和偶合常数2种不一样核磁共振参数。共振信号是一个频率函数,记为S(ω)。核磁共振波谱二维谱专家讲座第4页有机波谱解析

|核磁共振波谱|氢谱|5（1）自旋核调控脉冲技术（2）自旋核特征理论发展（3）计算机技术发展（4）超导磁体发展1971年Jeener首先提出二维核磁共振概念。1991年厄恩斯特(Ernst)教授因对脉冲傅立叶变换核磁共振技术和二维核磁共振技术发展贡献取得诺贝尔化学奖。核磁共振波谱二维谱专家讲座第5页二维核磁共振谱：是两个独立频率变量信号函数,记为S(ω1,ω2)。采取不一样脉冲序列技术，得到图谱中一个坐标表示化学位移，另一个坐标表示偶合常数，或另一个坐标表示同核或异核化学位移，这类核磁图谱称作二维核磁共振谱。6核磁共振波谱二维谱专家讲座第6页引入二维后,降低了谱线拥挤和重合,提升了核之间相互关系新信息.因而增加了结构信息,有利于复杂谱图解析.尤其是应用于复杂天然产物和生物大分子结构判定,2DNMR是当前适合用于研究溶液中生物大分子构象唯一技术.7核磁共振波谱二维谱专家讲座第7页84.4.1二维核磁共振谱基础知识标准上二维谱能够用概念上不一样三种试验取得：(1).频率域试验(frequency-frequency)核磁共振波谱二维谱专家讲座第8页9(2).混合时域(frequency-time)试验(3).时域(time-time)试验.它是取得二维谱主要方法,以两个独立时间变量进行一系列试验,得到S(t1,t2),经过两次傅立叶变换得到二维谱S(ω1,ω2).通常所指2D-NMR均是时间域二维试验

核磁共振波谱二维谱专家讲座第9页□即使2D-NMR有各种形式，但二维核磁共振试验脉冲序列依据其时间轴可分为3或4个时期：预备期、演化期(混合期)和检测期10核磁共振波谱二维谱专家讲座第10页11预备期Preparationperiod发展期（演化期）(t1)Evolutionperiod混合期Mixingperiod检测期(t2)Detectionperiod是一个较长时期，使核自旋体系回复到平衡状态，在预备期末加一个或多个射频脉冲，以产生所需要单量子或多量子相干。在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，此时间系控制磁化强度运动，并依据各种不一样化学环境不一样进动频率对它们横向磁化矢量作出标识。经过相干或极化传递，建立检测条件。检测作为t2函数各种横向矢量FID改变以及它初始相及幅度受到t1函数调制。核磁共振波谱二维谱专家讲座第11页试验过程：用固定时间增量⊿t1依次递增t1进行系列试验，重复叠加，因t2时间检测信号S(t2)振幅或相位受到s(t1)调制，则接收信号不但与t2相关，还与t1相关。每改变一个t1，统计S(t2),所以得到分别以时间变量t1,t2为行列排列数据矩阵，即在检测期取得一组FID信号，组成二维时间信号S(t1,t2)。因t1,t2是两个独立时间变量，能够分别对它们进行傅立叶变换，一次对t2,一次对t1,两次傅立叶变换结果，能够得到两个频率变量函数S(ω1,ω2)。12核磁共振波谱二维谱专家讲座第12页13二维谱表示方式（a）堆积图(stackedplot).堆积图优点是直观,含有立体感.缺点是难以确定吸收峰频率。大峰后面可能隐藏小峰，而且耗时较长。(b)等高线（Contourplot）等高线图类似于等高线地图，这种图优点是轻易取得频率定量数据，作图快。缺点是低强度峰可能漏画。当前化学位移相关谱广泛采取等高线。核磁共振波谱二维谱专家讲座第13页14二维谱峰命名交叉峰（crosspeak）:出现在ω1≠ω2处，（即非对角线上）。从峰位置关系能够判断哪些峰之间有偶合关系，从而得到哪些核之间有偶合关系，交叉峰是二维谱中最有用部分。对角峰（Autopeak）:位于对角线（ω1＝ω2）上峰，称为对角峰。对角峰在F1和F2轴投影就是其本身信号。核磁共振波谱二维谱专家讲座第14页154.4.2二维核磁共振谱分类（1）J分解谱(Jresolvedspectroscopy)把化学位移和自旋偶合作用分辨开来，包含异核和同核J谱。（2）化学位移相关谱(chemicalshiftcorrelationspectroscopy)是二维谱关键，通常所指二维谱就是化学位移相关谱。（3）多量子谱(Jresolvedspectroscopy)用脉冲序列能够检测出多量子跃迁，得到多量子二维谱。同核偶合异核偶合NOE效应谱化学交换谱核磁共振波谱二维谱专家讲座第15页16有机波谱解析

|核磁共振波谱

|基本原理横坐标反应

1H同核去偶化学位移，纵坐标则反应了峰裂分和质子间偶合信息。核磁共振波谱二维谱专家讲座第16页17H（1）（δ5.85）有四个点，反应了其分别与H（2）和H（3）耦合，从图中可直接读出耦合常数分别为J1,2=2Hz和J1,3=10Hz。一样H（4）（δ4.20）与H（5）（δ1.70）耦合，有三个点，J4,5=6.5Hz；H（5）则分别与H(4)和H（6）耦合，有9个点（其中有两个部分重合），J4,5=6.5Hz，J5,6=8.0Hz。核磁共振波谱二维谱专家讲座第17页18横坐标类似于13C质子宽带去偶谱，反应了碳化学位移；纵坐标反应了C原子裂分情况异核-J分解谱核磁共振波谱二维谱专家讲座第18页194.4.3常见二维核磁共振谱原理及解析（1）化学位移相关谱同核化学位移相关谱（Homonuclearcorrelation）①经过化学键：COSY,TOCSY,2D-INADEQUATE。②经过空间：NOESY,ROESY（Rotating-frameOverhauserEffectSpectroscopY）。异核化学位移相关谱（Heteronuclearcorrelation）①强调大偶合常数：1H-13C–COSY②强调小偶合常数，压制大偶合常数：

COLOC(远程1H-13C–COSY)核磁共振波谱二维谱专家讲座第19页20同核化学位移相关谱COSY(Correlatedspectroscopy)

所谓COSY系指同一自旋体系里质子之间偶合相关。1H-1H-COSY能够1H-1H之间经过成键作用相关信息，类似于一维谱同核去偶，可提供全部1H-1H之间关联。所以1H-1H-COSY是归属谱线，推导确定结构有力工具。核磁共振波谱二维谱专家讲座第20页COSY谱从左下至右上有一条对角线，将谱图分为对称两部分。对角线上峰为对角峰(diagonalpeak)，对角线外峰为交叉峰(crosspeak)或相关峰(correlatedpeak)，每个交叉峰反应两组峰间偶合关系。COSY谱解析方法很简单：从任一交叉峰出发做垂线，与某对角峰及其上方氢谱中峰组相交，即表明它们是组成该交叉峰一个峰组；经过该交叉峰做水平线，与另一对角峰相交后，再经过此对角线峰做垂线，会与另一组峰相交，表明两组信号之间有偶合关系。所以，在COSY谱中从任一交叉峰即可确定对应两组峰偶合关系，无须考虑裂分峰形。21核磁共振波谱二维谱专家讲座第21页对角峰5-H与6-H相关4-H与2-H和3-H相关2-H与3-H和4-H相关22核磁共振波谱二维谱专家讲座第22页2-H与4-H和6-H相关5-H与4-H和6-H相关23核磁共振波谱二维谱专家讲座第23页化合物C15H22N2O2结构以下，请依据其二维1H-1H-COSY(600MHz,CDCl3)图谱进行信号归属。2411222212核磁共振波谱二维谱专家讲座第24页①识别溶剂峰：化合物1H中共有12组氢信号峰，其中δ7.26为溶剂CDCl3未被完全氘代质子信号峰。在二维COSY谱中能够看到该溶剂峰不与其它任何质子相关（红色方框标注）。②识别杂质峰：δ6.30,5.50,4.95,2.35,2.15谱线矮小且与其它谱线峰面积无百分比关系，二维COSY谱中能够看到δ2.49,2.47两处质子信号未见与其它任何质子相关（绿色方框标注），所以可认为这些信号是杂质峰引发。③化学位移分区：扣除溶剂峰和杂质峰后，剩下7组氢信号峰面积比从低场至高场分别为1：1：2：2：2：2：12。低场部分（δ7.0-8.0）共有三组质子信号峰，应该属于芳环上质子信号。低场区三条谱线较难进行归属，可借助二维1H-1H-COSY进行识别。高场部分（δ2.0-5.0）有四组质子信号峰，应该属于饱和碳上质子信号。其中δ2.25为单峰，含有12个质子，应该是与杂原子相连甲基（CH3)，能够确定为氮原子上两个甲基质子H(7)信号；δ2.45,2.75处谱线均裂分为双重峰，J=18Hz，应该是与杂原子相连亚甲基质子（-X-CH2-)，能够确定为与氮原子相连亚甲基质子H（6）信号。因为亚甲基两个质子为化学不等价，发生同碳质子耦合裂分，故耦合常数较大（J=18Hz），表现出两组dd峰；δ4.50为单峰，含有2个质子，应该是与杂原子相连亚甲基质子（-X-CH2-)，能够确定为与氧原子相连亚甲基质子H（5）信号。25核磁共振波谱二维谱专家讲座第25页④利用二维1H-1H-COSY归属信号：由前述分析已知低场部分三组质子信号峰，属于芳环上质子信号，从δ7.90处谱线出发，向F2轴做垂线，能够发觉其与δ7.00处多重峰相交，即二者之间有相关。二维1H-1H-COSY谱中能够看出，δ7.00处多重峰实际上是两种质子信号重合在一起形成谱线，所以能够确定δ7.90为H（1）信号，它与相邻H(2)存在邻位耦合；从δ7.45处谱线出发，向F1轴做垂线，能够发觉其与δ7.00中一组质子峰相交，能够确定δ7.45为H（3）信号，它与相邻H(2)存在邻位耦合。H（5）未与其它质子有耦合关系，所以在二维1H-1H-COSY谱中仅有对角线峰。H（6）存在同碳质子耦合关系，所以在二维1H-1H-COSY谱中只存在本身相关峰。26核磁共振波谱二维谱专家讲座第26页异核位移相关谱异核相关谱中最常见是13C和1H之间位移相关谱。它又分为直接相关谱核远程相关谱，前者是把直接相连13C和1H关联起来，而后者是将相隔两只三根化学键13C和1H关联起来，有时甚至能跨越季碳、杂原子等，提供信息比直接相关谱多，所以对结构解析非常有用。27核磁共振波谱二维谱专家讲座第27页有机波谱解析

|核磁共振波谱|氢谱|28在测试技术上，异核位移相关谱有两种方法，一是对非氢核（通常是碳）进行采样，是正相试验，测得图谱称为“C，HCOSY”或长程“C，HCOSY”、COLOC(远程13C-1H化学位移相关谱，CorrelationSpectroscopyViaLongRangCoupling)。因为是对非氢核采样，灵敏度低，需要样品量较大，测试时间也较长。核磁共振波谱二维谱专家讲座第28页另一个方法为反相试验，即对氢核进行采样，所得图谱为HMQC(1H检测异核多量子相干试验，1HDetectedHeteronuclearMulipleQuantumCoherence)、HSQC(1H检测异核单量子相干试验，1HDetectedHeteronuclearSingleQuantumCoherence)、或HMBC(1H检测异核多键相关试验，1HDetectedHeteronuclearMulipleBoanCorrelation或LongRangeHeteronuclearMultipleQuantumCoherence)谱。有机波谱解析

|核磁共振波谱|氢谱|29核磁共振波谱二维谱专家讲座第29页对HMQC（HSQC）和HMBC图谱解析也很简单：均是从已知1H信号峰出发连线，找到其相关13C信号峰；或者从已知13C信号峰出发连线找到相对应1H信号峰。将二者结合起来不但能够处理信号归属问题，而且能够找到碳碳之间链接关系，有利于确定化合物基本骨架。尽管HMQC(HSQC)和HMBC谱图给出信息很清楚，但有时也会出现一些杂质峰或假峰干扰，尤其是在谱线重合严重时轻易出现。另外，HMBC中经常会因强质子峰（如甲基对应碳）出现卫星峰，即在主峰两侧出现对称两个“交叉峰”。所以在解析二维图谱时候，需要将这些干扰峰忽略，以免影响解析。30核磁共振波谱二维谱专家讲座第30页31HMQC

(1HDetectedHeteronuclearMulipleQuantumCoherence)1H检测异核多量子相干谱HMQC是将1H信号振幅及相位分别依13C化学位移及1H间同核化学偶合信息调制，并经过直接检测调制后1H信号，取得13C-1H化学位移相关数据。它所提供信息及谱图与1H-13CCOSY完全相同。核磁共振波谱二维谱专家讲座第31页得到是直接相连13C与1H之间偶合关系，即CH,CH2和CH3相关信号，不能得到季碳结构信息。32核磁共振波谱二维谱专家讲座第32页33核磁共振波谱二维谱专家讲座第33页HSQC(1HDetectedHeteronuclearSingleQuantumCoherence)1H检测异核单量子相干试验HSQC与HMQC一样，反应是1H和13C以1JCH相偶合，二者图谱外形完全相同。HMQC试验中t1期是双量子和零量子相干演化，而HSQCt1期只包括单量子相干演化。但HSQC试验序列中脉冲数多于HMQC，同时单量子分辨率优于多量子，所以HSQC对试验参数设置要求也高，轻易得到相位难调图谱。同时单量子分辨率优于多量子优势，也使HSQC谱在F1维分辨率高于HMQC。另首先，采取梯度选择HSQC试验不但降低相循环，提升二维试验效率，而且能够抑制12C-1H信号造成t1噪音，有效压制溶剂峰，增强灵敏度。所以当前二维试验普遍采取是HSQC。34核磁共振波谱二维谱专家讲座第34页359.101216152’3’核磁共振波谱二维谱专家讲座第35页36HMBC

(multiple-bondCHcorrelation)HMBC是一个测定远程1H-13C相关十分灵敏方法，它给出远程1H-13C相关信息。尤其是适合用于检测与甲基有远程偶合碳（2JCH,3JCH).其基本原理是：经过1H检测异核多量子相干调制，选择性地增加一些碳信号灵敏度，是孤立自旋体系相关联，而组成一个整体分子。对于质子相隔两个，三个键（2JCH,3JCH）碳，提供了有效相关信息，抑制了直接偶合1JCH信号强度是谱图简化。该法适合用于含有众多甲基地天然产物，如三萜化合物，甾醇化合物结构判定。核磁共振波谱二维谱专家讲座第36页HMBC可高灵敏度地检测13C-1H远程偶合（2JCH,3JCH），所以可得到相关季碳结构信息及其被杂原子切断地1H偶合系统之间结构信息。37核磁共振波谱二维谱专家讲座第37页38核磁共振波谱二维谱专家讲座第38页主要二维核磁共振谱总结39核磁共振波谱二维谱专家讲座第39页404.4.4核磁共振谱综合解析能处理问题：1）确定复杂图谱中碳原子与连接质子之间偶合常数2）确定复杂图谱中质子-质子之间偶合常数3）建立相互偶合质子之间关系4）建立质子与碳之间连接关系5）建立分子中碳原子之间连接关系6）对一维图谱中信号进行准确归属核磁共振波谱二维谱专家讲座第40页普通方法识别氢谱与碳谱中溶剂峰与杂质峰初步分析图谱，找出特征峰并确定各谱线大致归属

-依据一维氢谱中化学位移、偶合常数、裂分及峰面积取得最显著结论

-对照碳全去偶谱、DEPT谱