lecture 5---二维谱COSY
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二维核磁共振谱综述
1．什么是二维谱 二维核磁共振(2D NMR)方法是有Jeener 于1971年首先提出 的,是一维谱衍生出来的新实验方法.引入二维后,减少了谱线的拥 挤和重叠,提高了核之间相互关系的新信息.因而增加了结构信息, 有利于复杂谱图的解析.特别是应用于复杂的天然产物和生物大分 子的结构鉴定,2DNMR是目前适用于研究溶液中生物大分子构象 的唯一技术.一维谱的信号是一个频率的函数,记为S(ω),共振峰分 别在一条频率轴上.而二维谱是两个独立频率变量的信号函数,记 为S(ω1,ω2),共振峰分布在由两个频率轴组成的平面上.2D-NMR 的b最大特点是将化学位移,偶合常数等参数字二维平面上展开,于 是在一般一维谱中重叠在一个频率轴上的信号,被分散到两个独立 的频率轴构成的二维平面上.,同时检测出共振核之间的相互作用.
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). • 堆积图的优点是直观,具有立体感.缺点是 难以确定吸收峰的频率。大峰后面可能隐 藏小峰，而且耗时较长。 • (2)等高线（Contour plot） 等高线图类似于等高线地图，这种图的优 点是容易获得频率定量数据，作图快。缺 点是低强度的峰可能漏画。目前化学位移 相关谱广泛采用等高线。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). • 堆积图的优点是直观,具有立体感.缺点是 难以确定吸收峰的频率。大峰后面可能隐 藏小峰，而且耗时较长。 • (2)等高线（Contour plot） 等高线图类似于等高线地图，这种图的优 点是容易获得频率定量数据，作图快。缺 点是低强度的峰可能漏画。目前化学位移 相关谱广泛采用等高线。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
完整版COSY谱.ppt
COSY的应用
应用于双键或三键质子耦合 COSY谱应用于煤的液体产物中氢化芳香环
结构的确定。
演示课件
COSY的优势
很容易识别1H与1H的耦合因而成为1H-1H COSY谱 的一个优势。
演示课件
COSY的缺点
COSY交叉峰中主动偶合的磁化矢量是反相 组分，小J耦合信息可能被抵消。
COSY
演示课件
COSY的含义
中文名（同核化学位移）相关谱
COSY (Homonuclear chemical shift ) Correlation
Spectroscopy
演示课件
COSY的原理
COSY指同一自旋体系里质子之间的耦合相 关。 1H -1H-COSY是最常用的同核位移相 关谱，它可凭1H -1H之间通过成键作用的相 关信息，类似于一维谱同核去耦，从而可 知同一自旋体系里质子之间的耦合关系， 是归属谱线、推导结构强有力的工具。
演示课件
X F1
A
对角峰 自交叉峰 交叉峰
A
X
F2
谱图特征是对角线上的峰对应一维1H谱，对角线外的交
叉峰在F1和F2域的δ值对应相耦合核的化学位移，提供 通过三键耦合的1H-1H相关信息。每个交叉峰做平行于
F1和F2轴的纵线和水平线，得到两个相互耦合核的化学 位移。通过交叉峰可以建演立示课各件 相互偶合1H的关联。
普通COSY分辩很差，无法细分比较密的 1H-1H相关峰。
演示课件
演示课件
COSY的解析
在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰
如图中信号2
因相邻两原子间或有远程耦合关系的原子 间的耦合而引起的，出现在对角线两侧对 称的位置上的峰叫做相关峰。
如图中a和a’
COSY谱
COSY的应用
应用于双键或三键质子耦合 COSY谱应用于煤的液体产物中氢化芳香环 结构的确定。
COSY的优势
很容易识别1H与1H的耦合关系 耦合常数较小的远程耦合，在一维氢谱中 有时很难观察到，因而成为1H-1H COSY谱 的一个优势。
COSY的缺点
COSY交叉峰中主动偶合的磁化矢量是反相 组分，小J耦合信息可能被抵消。
关信息，类似于一维谱同核去耦，从而可
知同一自旋体系里质子之间的耦合关系，
是归属谱线、推导结构强有力的工具。
X F1 A A F2
对角峰 自交叉峰 交叉峰
X
谱图特征是对角线上的峰对应一维1H谱，对角线外的交 叉峰在F1和F2域的δ值对应相耦合核的化学位移，提供 通过三键耦合的1H-1H相关信息。每个交叉峰做平行于 F1和F2轴的纵线和水平线，得到两个相互耦合核的化学 位移。通过交叉峰可以建立各相互偶合1H的关联。
普通COSY分辩很差，无法细分比较密的
1H-1H相关峰。
COSY的解析
在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰
如图中信号2
因相邻两原子间或有远程耦合关系的原子 间的耦合而引起的，出现在对角线两侧对 称的位置上的峰叫做相线和相关峰a相遇， 再从a向左划一水平线和信号1相遇，则可 确定信号1和2之间存在着耦合关系。
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COSY
COSY的含义
中文名（同核化学位移）相关谱
COSY
(Homonuclear chemical shift ) Correlation Spectroscopy
COSY的原理
COSY指同一自旋体系里质子之间的耦合相 关。 1H -1H-COSY是最常用的同核位移相
二维核磁共振谱概述 ppt课件
29 ppt 课件
29
ppt课件
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核磁共振谱图综合解析
确定未知物所含碳氢官能团。 结合氢谱、碳谱、DEPT谱、HMQC谱可以确定 所含碳氢官能团的信息，即含有多少个CH3，CH2 ，CH和季碳。配合化学位移，可以区分饱和的CH2 还是不饱和的CH2；饱和的CH还是不饱和的CH。 是否含杂原子、羰基以及活泼氢等。 注意：利用HMQC把氢谱的各个峰组和碳谱的各条 谱线关联起来非常重要。
?noesy的谱图与11h11hcosy非常相似它的f22维和f11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
ppt课件 35
它又分为直接相关谱和远程相关谱。
ppt课件
12
异核位移相关谱 ---------测试技术上有两种方法
对异核（非氢核）进行采样，这在以前是常用的方法，是 正相实验，所测得的图谱称为“C，H COSY”或长程“C， H COSY”、 COLOC (C,H Correlation Spectroscopy via Long range Coupling )。 因是对异核进行采样，故灵敏度低，要想得到较好的信噪 比必须加入较多的样品，累加较长的时间。
ppt课件
31
2.确定含氢基团的连接关系，找到结构单元。 一般从COSY谱相关峰可以找到所有存在3J耦合 的结构单元。 注意点： 结构片段终止于季碳原子或杂原子 在一些特殊的情况下，邻碳氢可能未显示出 COSY相关峰。 COSY谱一般情况下显示3J耦合，但也可能显示长 程耦合的相关峰。
二维谱COSY.
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
非对角线峰表明两种质子之间存在耦合。
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
二维核磁原理
二维核磁原理
横轴代表2轴，纵轴代表其它频率1轴。
二维核磁原理
分为三大类:
1.J分辨谱 亦称为J谱，把化学位移和自旋偶合的作用分辨开
来。2. 化学位移相关谱（Chemical shift correlation spectroscopy） 是2DNMR的核心，它表明共振信号的相关性。 有三种位移相关谱：同核，异核，NOE和化学交换等相关 谱。3. 多量子谱（multiple quantum spectroscopy） Δm>1的整
常见二维核磁的功能
1H－1H
1H－1H 1H－X 1H－X
COSY
TOCSY
2键或3键质子耦合
具有连续的键合联系的质子耦合
HMQC，HSQC
HMBC
通过质子观察1键异核耦合
通过质子观察2或3键异核耦合，多用于13C 天然丰度大于20％的杂核之间的1键耦合 低天然丰度的杂核之间的1键耦合 空间上接近质子之间的耦合
二维核磁
超复杂的一维核磁的解读－－－二维核磁
1H
NMR Spectrum of Ubiquitin
二维核磁原理
Father of 2D NMR: Jeener, Belgium Main Developers: RR Ernst， (Switzerland), R Freeman (UK, Oxford)
何调控，比如来源于自旋核之间的偶合相互作用，以“交叉峰”的形式
有机波谱解析 二维NMRppt课件
测定目的：确定(或归属)C和H之间的衔接方式
归属方法：
(i) 在1H核的信号得到归属情况下，进展13C核信号 的
((iiii)) 在1归3C属核．的信号得到归属情况下，进展1H核信号 的
(iii) 归属．
特征：无对角线峰．只出现1H核和13C相关的交叉 峰．
CA
s
HT (3H) HS(1H)
HR (2H) HQ (1H) HP (1H) OH (1H)
二维核磁共振谱
1. 根底知识
(1) 二维核磁共振谱：COSY (correlation spectroscopy) 又称之为二维相关谱或相关谱．
(2) 测定的目的：获得各种相关核(例如，1H-1H相关 1H-13C相关等)的重要信息．
(3) 二维核磁共振谱的方式
COSY的方式
1H,1H-COSY 1H,13C-COSY 以及在此根底上开展起来的其它各种特殊测定
其衔接方式如下：
CC HS HQ
CC核上所衔接的两个氢原 子为不等同的HS和HQ核
对任何一个13C信号都不出现交叉峰的1H信号，能 够对应着OH或NH那样的1H核．
一些特殊情况
(i) 某个13C信号在３个相应的1H位置出现交叉峰时，能够 存在以下几种能够：
C
HA(1H)
１个非等价CH2的和１个CH 的13C信号重合．
留意
(i) 有时对于较远程的巧合也出现交叉峰．因此，显示 交叉峰的1H核之间不一定就相隔三根键．
HH
H
H
C
C
H
H
CCC
CC
(ii) 巧合常数(J)为零的1H之间不出现交叉峰．因此，不 出现交叉峰的1H核之间也有能够是相邻的．
2. 1H,13C-COSY (异核相 关)
归属方法：
(i) 在1H核的信号得到归属情况下，进展13C核信号 的
((iiii)) 在1归3C属核．的信号得到归属情况下，进展1H核信号 的
(iii) 归属．
特征：无对角线峰．只出现1H核和13C相关的交叉 峰．
CA
s
HT (3H) HS(1H)
HR (2H) HQ (1H) HP (1H) OH (1H)
二维核磁共振谱
1. 根底知识
(1) 二维核磁共振谱：COSY (correlation spectroscopy) 又称之为二维相关谱或相关谱．
(2) 测定的目的：获得各种相关核(例如，1H-1H相关 1H-13C相关等)的重要信息．
(3) 二维核磁共振谱的方式
COSY的方式
1H,1H-COSY 1H,13C-COSY 以及在此根底上开展起来的其它各种特殊测定
其衔接方式如下：
CC HS HQ
CC核上所衔接的两个氢原 子为不等同的HS和HQ核
对任何一个13C信号都不出现交叉峰的1H信号，能 够对应着OH或NH那样的1H核．
一些特殊情况
(i) 某个13C信号在３个相应的1H位置出现交叉峰时，能够 存在以下几种能够：
C
HA(1H)
１个非等价CH2的和１个CH 的13C信号重合．
留意
(i) 有时对于较远程的巧合也出现交叉峰．因此，显示 交叉峰的1H核之间不一定就相隔三根键．
HH
H
H
C
C
H
H
CCC
CC
(ii) 巧合常数(J)为零的1H之间不出现交叉峰．因此，不 出现交叉峰的1H核之间也有能够是相邻的．
2. 1H,13C-COSY (异核相 关)
二维谱
二维谱
2D-NMR
COSY
• 氢氢相关
H,C-COSY
• HETCOR ，即HETero- nuclear CORrelation spectroscopy • 其相关谱表示该碳与对应的氢直接相连
• -紫罗兰酮的结构为：
10 H Me 7 9 6 2 1 8 O 3 5 4
其C-H COSY为：
• 在实际研究工作中不断积累经验（包括各种结 构的波谱特征），结合各种核磁共振波谱手段 才能逐步具备对未知有机化合物结构解析的能 力；同时，有机波谱也不是万能的，还需要一 些化学反应和半合成（在手性中心的鉴定尤是 如此），还有X-ray单晶衍射方法等。总之， 要尽可能利用多种方法、多种途径多方验证， 这样才能使鉴定的化合物结构正确。
1
4
2
3
5
6
7
F2
6-7
F1
5-6
4-5
2-3
3-4 1-2 HO 2 1 OH
3
4
5
6
7
NOE类二维核磁共振谱
• 检测NOE可以采用一维方式或二维方式。 • 如采用一维方式，需选定某峰组，进行选择性辐照， 然后纪录此时的谱图，由扣去未辐照时的常规氢谱而 得的差谱，得到NOE信息（差谱中某些谱峰的区域呈 正峰或负峰）。由于预先的选择性辐照以使该跃迁达 到饱和，是一种稳定态下的实验，故灵敏度高。
• 13C同位素的天然丰度只有1.1%，两个13C核 相连的几率就只有万分之一了。这也就是说 INADEQUATE实验的灵敏度很低，需要很多 样品（几十乃至上百毫克），且需要很长的实 验时间（有时候需要一周），因此目前的应用 受到了限制。 • 完成INADEQUATE的关键就是抑制掉单个 13C（无13C-13C耦合）的信号。
二维傅里叶变换 正余弦-概念解析以及定义
二维傅里叶变换正余弦-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在现代数学和信号处理领域中，傅里叶变换是一项重要的数学工具。
它是将一个信号或函数分解为一系列复数信号的技术，这些复数信号可表示为不同频率的正弦和余弦函数的线性组合。
傅里叶变换的基本思想是通过将时域信号转换到频域来分析和处理信号。
二维傅里叶变换是傅里叶变换的扩展，适用于二维图像、图形和信号的分析和处理。
它可以将一个二维时域信号转换为一个二维频域信号，从而揭示图像或信号中不同频率的分量。
正余弦函数是傅里叶变换中经常出现的基本函数。
正余弦函数是周期为2π的周期函数，通过改变函数的频率和相位可以表示不同频率的信号。
在二维傅里叶变换中，正余弦函数的线性组合形成了基础函数，用于表示图像或信号中的频率分量。
正余弦变换与二维傅里叶变换密切相关。
正余弦变换是傅里叶变换的特殊情况，它只考虑实值信号的频域表示。
而二维傅里叶变换则可以处理复杂的图像和信号，将它们分解为具有不同振幅和相位的频率分量。
通过理解和掌握二维傅里叶变换及其与正余弦变换的关系，我们可以更好地理解和分析图像和信号的频域特性，从而在图像处理、图像压缩、图像恢复以及其他领域中应用二维傅里叶变换的技术。
在接下来的章节中，我们将介绍二维傅里叶变换的定义和基本原理，探讨它在各个领域中的应用，以及与正余弦变换的关系。
我们还将讨论二维傅里叶变换的重要性和优势，以及它的局限性和改进方向。
通过全面了解二维傅里叶变换，我们可以更好地应用这一强大的数学工具解决实际问题。
1.2文章结构2. 正文2.1 二维傅里叶变换的定义和基本原理2.2 二维傅里叶变换的应用领域2.3 二维傅里叶变换与正余弦变换的关系在本篇文章中，我们将主要探讨二维傅里叶变换以及与正余弦变换之间的关系。
首先，我们将对二维傅里叶变换的定义和基本原理进行介绍。
其次，我们将探讨二维傅里叶变换在各个领域的广泛应用，包括图像处理、信号处理和通信领域等。
最后，我们将详细比较二维傅里叶变换与正余弦变换之间的异同，并分析它们在实际应用中的优缺点。
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时间。因此，在进行二维化学位移相关实验前，应根据一维实验的结果合理确定数据
采集范围，以节省实验时间；尤其在进行高分辨二维化学位移相关实验时更为必要， 可在一定实验时间内获得更高的图谱分辨率。
Same as 1D experiment
Transfers between coupled spins
二维核磁原理
准备期(preparation)：主要任务使核处于热平衡状态或者在一次采样之 后使自旋恢复到平衡状态。 演化期(evolution)：准备期建立起来的平衡态破坏之后核自旋在旋转坐
标XY平面发生进动。进动的过程一般称为演化。t1是变化的。
acquisition period.
Correlation Spectroscopy (COSY)
Correlation Spectroscopy (COSY)
Relay-COSY
AMX： A Nuclei is coupled only to M and X nuclei is coupled only to M JAX=0 A nuclei will exchange magnetization only with M; X nuclei will exchange magnetization only with M. cross peak between A and X （mediated by the M nuclei）
化学位移相关实验中，由于混合脉冲使自旋核的磁化矢量在与其偶合的其 它自旋核的过度能态中重新分布，致使与具有复杂结构的多重峰相关的交
叉峰信号强度显著降低。因此，这种自旋体系中虽然存在大的偶合，但不
一定能够得到强的交叉峰信号。但是在实验中可以通过选择缩短数据采集 时间，突出大偶合交叉峰信号强度。如果知道准确的偶合常数，也可以通 过特殊的滤波技术，得到丢失的交叉峰信号。第二，如果与1/JAX比较，横 向迟豫时间非常短，使磁化转移无法形成，从而降低交叉峰信号强度。
何调控，比如来源于自旋核之间的偶合相互作用，以“交叉峰”的形式
出现在对角线的两侧。
Correlation Spectroscopy (COSY)---Contour Plot
cross-peak
contour plot
谱图特征是对角线上的峰对应一 维1H谱，对角线外的交叉峰在F1 和F2域的δ值对应相偶合核的化学 位移，提供通过三键偶合的1H-H 相关信息。每个交叉峰做平行于 F1和F2轴的纵线和水平线，得到 两个相互偶合核的化学位移。通 过交叉峰可以建立各相互偶合1H 的关联。
X－X COSY X－X INADEQUATE
1H－1H
NOE差谱 一维、二维NOESY、ROESY
常见二维核磁的功能
二维核磁原理
2D NMR is a domain of FT and pulsed spectroscopy
+
1D + 1D = 2D
90ºpulse
2D detect signals twice (before/after coupling)
混合期(mixing)：在演化期完成之后，可以选择测定已演化的磁化矢量，
混合期有可能不存在，它不是必不可少的。
检测期(acquisition)（t2）：在检测期内以通常方式检出FID信息。 与t2轴对应的2 是通常的频率轴，与t1轴对应的1是什么，则决定于在 演化期是何种过程。
二维核磁原理
evolution
6b
6a
5b 21b
Phase-Sensitive Spectra
Phase-Sensitive COSY
相敏COSY谱由于在数据处理中消除了通常与回波和反回波
相关的不需要的相扭曲线形和色散成分信号，只给出吸收
型信号，在提高灵敏度的同时，不但能够明显有效地改善 信号密集重叠区交叉峰的分辨率，而且提供了测定重叠区 内各信号化学位移和偶合常数的方法。
t1
evolution t1
evolution t1
The ‘basic’ 2D spectrum would involve repeating a multiple pulse 1D
sequence with a systematic variation of the delay time t1, and then plotting everything stacked.
数，用脉冲序列可检出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维
谱。
Correlation Spectroscopy (COSY)
The first pulse creates transverse magnetization components which evolve chemical shift and homonuclear J-coupling during the evolution period t1. The second pulse mixes the magnetization components among all the transitions that belong to the same coupled spin systems.
二维核磁
超复杂的一维核磁的解读－－－二维核磁
1H
NMR Spectrum of Ubiquitin
二维核磁原理
Father of 2D NMR: Jeener, Belgium Main Developers: RR Ernst， (Switzerland), R Freeman (UK, Oxford)
Phase-Sensitive COSY
Double Quantum Filtered COSY( DQF-COSY)
外观与1H-1HCOSY谱基本相同。但有优点如下：
1. 抑制了溶剂峰的强峰；
2. 交叉峰和对角线峰均为吸收峰型，峰型有了极大的改善； 3. 分辨率更高。
The third pulse converts part of the multiplequantum coherence into observable singlequantum coherence, which is detected during the
t1 t2
time - time
f2
t1
time - frequency
frequency - frequency
f2 f1
Correlation Spectroscopy (COSY)---See it?
由一个频率轴（化学位移）确定的一维图谱已经转换成了二维图谱，其 中两个频率轴1和2均与化学位移相对应，不同质子在它们各自的进动 频率处（，）出现信号峰。不难想象，在频率域中二维图谱的信号峰 出现在正方形的对角线（，）上，化学位移较大的信号分布在二维图 谱对角线的左下方，化学位移较小的信号分布在右上方。信号大小的任
二维核磁原理
二维核磁原理
横轴代表2轴，纵轴代表其它频率1轴。
二维核磁原理
分为三大类:
1.J分辨谱 亦称为J谱，把化学位移和自旋偶合的作用分辨开
来。2. 化学位移相关谱（Chemical shift correlation spectroscopy） 是2DNMR的核心，它表明共振信号的相关性。 有三种位移相关谱：同核，异核，NOE和化学交换等相关 谱。3. 多量子谱（multiple quantum spectroscopy） Δm>1的整
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
非对角线峰表明两种质子之间存在耦合。
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
Correlation Spectroscopy (COSY)
X分量的强度
A(t1) = Ao * cos(wo * t1 )
A(t1) t1 t1 wo f2 (t2)
频率f2 来自于对t2的傅立叶变换
多个不同的t1形成一个类似FID的规律 频率f1 来自于对t1的傅立叶变换
Correlation Spectroscopy (COSY)---See it?
常见二维核磁的功能
1H－1H
1H－1H 1H－X 1H－X
COSY
TOCSY
2键或3键质子耦合
具有连续的键合联系的质子耦合 NhomakorabeaHMQC，HSQC
HMBC
通过质子观察1键异核耦合
通过质子观察2或3键异核耦合，多用于13C 天然丰度大于20％的杂核之间的1键耦合 低天然丰度的杂核之间的1键耦合 空间上接近质子之间的耦合
COSY of Other Nucleis
化学位移相关图谱中交叉峰信号的强度
在二维化学位移相关图谱中，有时一些预期的交叉峰可能不出现或信
号强度很低。一般情况下，信号强度的准确判断比较困难，但是对以下两 个因素必须特别注意。第一，如果一个自旋核（质子）与其它多个自旋核
同时偶合，在一维图谱中，该自旋核的每个信号峰强度通常较低；在二维
Relay-COSY
除能够提供常规COSY 谱的偕位和邻位质子偶合相关交叉峰信号外，还能 给出间位或四键质子间的交叉峰信号，与常规COSY谱联合比较分析可以
得到更多的结构信息。
Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)
Homonuclear proton correlation within the same spin system.
Correlation Spectroscopy (COSY)---What do we want