第四章_二维核磁共振谱1

与t2轴对应的ω2（ν轴），通常是频率轴，与t1轴对应的 ω1是什么，取决于在发展是何种过程。


相干(ccherence):是描述自旋体系状态的波函数 之间关系的一种物理量。，它通常没有简单的模 型，它是横向磁化及相位的量。（不仅包括 ⊿m=1, 而且包括⊿m=0, ⊿m=2状态之间关系) 它可以通过射频脉冲的作用传递。 C .实验过程：用固定时间增量⊿t1依次递增t1进 行系列实验，反复叠加，因t2时间检测的信号 S(t2)的振幅或相位受到s(t1)的调制，则接收的 信号不仅与t2有关，还与t1有关，每改变一个t1， 记录S(t2),因此得到分别以时间变量t1,t2为行列 排列数据矩阵，即在检测期获得一组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，可以分别对它们进行傅立叶变换，一 次对t2,一次对t1,两次傅立叶变换的结果，可以 得到两个频率变量函数S(ω1,ω2)。如图
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)
图4.3 堆积图
等高线
4．二维谱峰的命名


（1）交叉峰（cross peak）:出现在 ω1≠ω2处，（即非对角线上）。从峰的 位置关系可以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的部分。 （2）对角峰（Auto peak）:位于对角线 （ω1＝ω2）上的峰，称为对角峰。对角 峰在F1和F2轴的投影。
hm
ed
cd bc fh
hk
ci
c fe d e f k
i b a h m
ab af
e
H f h
a OH k
b
C
d
OH
i m


它只有一个双量子跃迁，其频率正比于两个偶 合的13C核的化学位移之和的平均值。所以如果 两个碳具有相同的双量子跃迁频率，即可以判 断，它们是相邻。 在INADEQUATE谱图中F1与F2分别代表双量子 跃迁频率和13C的卫线，依次代表双量子和单量 子跃迁频率。谱图中一个轴是13C的化学位移， 一个为双量子跃迁频率，其频率正比于两个偶 合的13C核的化学位移之和的平均值。因此谱图 中F1=2F2的斜线两侧对称分布着两个相连的13C 原子信号，表示碳偶合对的单量子平均频率与 双量子频率间的关系，水平连线表明一对偶合 碳具有相同的双量子跃迁频率，可以判断它们 是直接相连的碳。依此类推可以找出化合物中 所有13C原子连接顺序。

3.相敏COSY谱


COSY谱，由于谱线信号色散分量作用，相邻的 峰容易相互部分重叠，交叉峰的精细结构看不清 楚，不便读出偶合常数。 相敏COSY谱的相位很复杂，相位调节的质量直 接影响偶合常数的检测即信号灵敏度。在COSY 谱中对角线与交叉峰相位总是相差90。。相敏 COSY谱中，磁化转移地结果产生一对交叉峰相 位相差180。以AX体系为例。其交叉峰为纯吸收 线形，对角线为色散型。谱图黄色圆圈为正峰， 红色为负峰。


谱图正负峰以不同的颜色表示（下图蓝色圆圈为 正峰，红色为负峰）。也可以用实心表示正峰， 空心表示负峰。 其交叉峰为纯吸收线形，对角线为色散型 从相敏COSY可以直接读出J值。这里需要辨认 主动偶合和被动偶合。所谓的主动偶合就是相关 交叉峰直接的偶合。其余为被动偶合。主动偶合 的每一对峰总是一正一负。被动偶合的交叉峰是 相位相同（同为正或同为负）
18 --> 11 --> 16 --> 15 --> 17 --> 13.
三。NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
核间磁化传递是通过非相干作用传递，这种传递是靠 交叉驰豫和化学交换来进行。即样品间偶极－偶极传递 的。它的基本脉冲是： π/2-t1-π/2-tm-π/2-ACQ NOESY的基本序列在COSY序列的基础上，加一个固 定延迟和第三脉冲，以检测NOE和化学交换的信息。混 合时间tm是NOESY实验的关键参数，tm的选择对检 测化学交换或NOESY效果有很大影响。选择合适的tm, 可在最后一个脉冲，产生最大的交换，或建立最大的 NOE. NOESY的谱图特征类似于COSY谱，一维谱中出现出 现NOE的两个核在二维谱显示交叉峰。NOESY可以在 一张谱图上描绘出分子之间的空间关系。
A
M
X

与COSY有关的实验自旋回波 COSY(SECSY),双量子相干谱（DQCCOSY）,同核接力相干谱（RCT）.有兴趣 的同学，可以阅读有关的书籍。
二.天然丰度的双量子13C谱 INDEQUATE (13C-13C-COSY)
这是二维碳骨架直接测定法，是确定碳原子连 接顺序的实验，一种双量子相干技术。是一种 13C-13C化学位移相关谱。在质子去偶的13C谱 中，除了13C信号外，还有比它弱200倍的13C13C偶合卫星峰，13C-13C偶合含有丰富的分子 结构和构型的信息。由于碳是组成分子骨架， 它更能直接反映化学键的特征与取代情况。
2。二维谱实验

A.原则上二维谱可以用概念上不同的三种 实验获得,(如图4.1),(1).频率域实验 (frequency- frequency) (2).混合时域 (frequency-time)实验(3). 时域(time-time) 实验.它是获得二维谱的主要方法,以两个 独立的时间变量进行一系列实验,得到 S(t1,t2),经过两次傅立叶变换得到二维谱 S(ω1,ω2).通常所指的2D-NMR均是时间 域二维实验

1。COSY－90。的基本脉冲序列包括两个基本脉 冲在此脉冲作用下，根据发展期t1的不同，自旋 体系的各个不同的跃迁之间产生磁化传递，通过 同核偶合建立同种核共振频率间连接图。此图的 二个轴都是1H的δ在ω1＝ω2的对角线上可以找 出一维1H谱相对应谱峰信号。通过交叉峰分别作 垂线及水平线与对角线相交，即可以找到相应偶 合的氢核。因此从一张同核位移相关谱可找出所 有偶合体系，即等于一整套双照射实验的谱图 。
第四章 二维核磁共振谱 4．1二维核磁共振的概述

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。
O
COSY of 2－丁烯酸乙酯
A
O
B
2。COSY-45 。
基本脉冲：90 。 －t1-45 。 -ACQ. 在COSY-90的基础上，将第二脉冲改变成 45 。许多的天然产物的直接连接跃迁谱峰 在对角线附近，导致谱线相互重叠，不易 解析。采用COSY-45 。由于大大限制了多 重峰内间接跃迁，重点反映多重峰间的直 接跃迁，减少了平行跃迁间的磁化转移强 度，即消除了对角线附近的交叉峰，使对 角线附近清晰。

但是由于13C天然丰度仅仅为1.1%，出现13C13C偶合的几率为0。01％，13C-13C偶合引起的 卫线通常离13C强峰只有20Hz左右，其强度又仅 仅是13C强峰的1/200，这种弱峰往往出现在强 13C峰的腋部，加上旋转边带，质子去偶不完全， 微量杂质的影响等因素，使1JC-C测试非常困难。 利用双量子跃迁的相位特性可以压住强线，突 出卫线求出JC-C,并根据Jc-c确定其相邻的碳。 一个碳原子最多可以有四个碳与之相连，利用 双量子跃迁二维技术测量偶合碳的双量子跃迁 的频率。13C-13C同核偶合构成二核体系 （AX,AB）两个偶合的13C核能产生双量子跃迁， 孤立的碳则不能。
图4.1 2D-NMR 三种获得方式
B) 二维核磁共振时间分割




二维谱实验中，为确定所需的两个独立的时间变量，要用特 种技术－时间分割。即把整个时间按其物理意义分割成四个 区间。（如图所示） （1）预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期， 使核自旋体系回复对平衡状态，在预备期末加一个或多个射 频脉冲，以产生所需要的单量子或多量子相干。 （2）发展期：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，并根据各种不同的化学环 境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作出标识。 （3）混合期：在此期间通过相干或极化的传递，建立检测 条件。 4）检测期：在此期间检测作为t2函数的各种横向矢量的 FID的变化以及它的初始相及幅度受到t1函数的调制。