核磁课件-二维谱

111第五章二维核磁共振波谱Two-dimentionalNMRspectra2221971年J.Jeener首次提出了二维核磁共振的概念；Ernst教授进行了大量卓有成效的研究，推动了二维核磁共振的发展，再加上他对脉冲-傅立叶变换核磁共振的贡献，获1991年诺贝尔化学奖提供相互偶合的观察核之间的相关关系信息研究分子与分子之间相互作用确定复杂分子（如生物分子）的结构，了解生物分子在溶液状态时的空间结构（X-单晶衍射无法做到）3一维谱：自由感应衰减FID信号通过傅里叶变换，从时域函数转换成频域函数-谱线强度与频率的关系，这是一维谱，变量只有一个-频率。氢谱和碳谱称为一维谱，谱上的横坐标是频率谱，而纵坐标是强度二维谱：两个时间变量（t1，t2），经两次傅里叶变换得到的两个独立的频率变量的谱图。一般把第二个时间变量t2表示采样时间，第一个时间变量t1则是与t2无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变化的时间间隔。横坐标和纵坐标都是频率谱。4二维谱分类：J分解谱(JresolvedSpectroscopy):J谱，δ-J谱，把化学位移和自旋耦合分辨开来，包括异核J谱及同核J谱化学位移相关谱(chemicalshiftspectroscopy)：δ–δ谱，二维谱的核心，表明共振信号的相关性。三种位移相关谱：同核偶合、异核偶合、NOE和化学交换多量子谱(multiplequantumspectroscopy)：通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁（∆m=±1）。发生多量子跃迁时∆m为大于1的整数。用脉冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱5二维谱的表现形式堆积图(stackedtraceplot)：堆积图由很多条“一维”谱线紧密排列构成。优点是直观、有立体感；缺点是难定出吸收峰的频率，大峰后面可能隐藏较小的峰。等高线图(contourplot)：类似于等高线图，最中心的圆圈表示峰位置，圆圈的数目表示峰的强度，优点易于找出峰的频率，作图快，缺点是低强度的峰可能漏画。(横切面：二维谱的峰是在两个频率维平面上的柱状立体峰，平常看到的的谱是选取其横切面得到类似等高线的平面图)注意：二维谱常有假峰出现6CH3CH2OH堆积图表示法等高线表示法7882012-12-088最常用的属2DCOSY(2Dcorrelatedspectroscopy)——位移相关谱，含有两个频率轴和一个强度轴9一、二维J分解谱(2DJ-resolvedSpectroscopy,2DJ)二维J分解谱的作用：将化学位移和偶合常数在平面内展示，消除互相干扰。二维J分解谱的外观：横坐标为化学位移，图上部给出常规NMR图，纵坐标为偶合常数，以Hz为单位，图中以等高线方式给出吸收峰的分裂图形。二维J分解谱的应用：对于复杂NMR图谱，可以直接读出偶合常数值，并清晰获得峰的重数。同核二维J分解谱给出同核（通常为H-H耦合）之间的偶合信息；异核二维J分辨谱给出C-H之间耦合信息101112二.化学位移相关谱（COSY）Two-DimesionalChemicalShiftCorrelationSpectroscopyCOSY作用：给出不同化学位移吸收峰之间的空间相关性。包括同核COSY(通常为H-H耦合)和异核COSY(通常为H-C耦合)。给出的信息：可以获得H-H之间的2J和3J耦合信息，甚至长程耦合信息。获得C-H之间的1J耦合信息。谱图结构：矩形图横坐标和纵坐标均为化学位移，并在外围分别给出常规NMR图，矩形内部以等高线形式给出各峰之间的耦合关系。位于对角线(一般为左下角到右上角)上的等高线称为对角线峰，反映核自身耦合，对角线两侧的等高线称为交叉峰，反映核与核之间的耦合情况，对角线两侧图形完全对称。1313测试：二维谱测试前先测好一维谱，如果是H-H二维谱则先测氢谱。如果是C-H二维谱则先测好氢谱和碳谱，然后选好相应的脉冲序列。设定所用参数，根据一维谱设置二维谱范围，设定f2轴（横轴）谱累加次数，设定f1轴（纵轴）谱所用数据点（最少64个）。采样后选取相应的的窗函数，傅里叶变化得到结果1414H-H二维谱需进行对称处理，去掉不对称的噪声峰。H-HCOSY二对称处理前后的谱图H-HCOSY,TOCSY；HMQC,HSQC；HMBC1515152.1、1H-1HCOSY•H-HCOSY(H-Hcorrelatedspectroscopy)同核位移相关谱1616161H-1HCOSY谱中的相关峰表示与该峰相交的两个峰之间有自旋－自旋偶合（J－Coupling）存在。通常在化学结构上，两个峰之间有自旋－自旋偶合表示产生该峰的两个原子之间相隔的化学键数在三键以下。（当它们之间有双键或三键存在时，四键或五键之间的原子也会有J偶合存在）相关峰的强弱(高低)与偶合常数J值的大小有关，J值越大相关峰越强；当偶合常数（J值）很小时，一维谱上可能表现不出峰的偶合裂分，但二维谱上仍可能表现出相关峰。171717COSY(获得3J偶合关系)ppmOOn-butylacetate12345616543435181H,1H化学位移相关谱(1H,1HCOSY)：获得3J的偶合关系H3CCOOCH2CH2CH2CH312345616543453n-butylacetate191919COOHAr-HCH2CHCH3202020CH3CHCH3CH22CH2Ar-H2121非诺多泮的1H谱2222•H-HCOSY解决氢与氢之间的偶合关系23232.2、接力类位移相关谱和总相关谱接力类位移相关谱是位移相关谱的延伸。作为同核体系，延伸到整个自旋体系则是总相关谱接力技术（Relay）：考虑一个三旋系统（A-B-C），其中A和B以及B和C互为偶合对，但A和C不偶合。同核接力试验产生从质子A到质子B的极化转移（PT），质子B起接力作用，并由B接力至C。所以在一个H，H，H接力试验中能观察出连接A和C的交叉峰，尽管A和C核不存在相互偶合关系。和一般H-HCOSY谱相比，接力谱能提供更进一步的H，H连接信息。2424用COSY不能确定连接顺序，若再附加RCOSY的相关峰，即可解决RCOSY-接力的同核位移相关谱：把COSY的相关延伸下去AMX体系：存在JAM和JMX，JAX=0，COSY中无A-X相关峰；若样品中存在另一个A'M'X'体系，存在JA'M'和JM'X'，JA'X'=0;设M和M'的化学位移偶然重合，按照COSY谱，无法确定连接顺序是A-M(M')-X还是A-M(M')-X'，如下图所示图：接力相关谱的作用对角线峰RCOSY附加的相关峰2525接力相关谱RCOSY应用不多，总相关谱应用多TOCSY-（TotalCorrelationSpectroscopy）总相关谱：从一某个氢核出发，能找到与它处于同一耦合（自旋）体系的所有氢核的谱峰的相关峰（尽管所讨论的氢核和若干氢核之间的耦合常数可能为零）TOCSY谱是COSY往RCOSY的进一步延伸。从任一谱峰出发，可以找到好几个相关峰，它们表示与该氢核处于同一个自旋体系262626TOCSY(获得所有J-偶合关系)OOppmn-butylacetate12345616543327总相关谱(totalcorrelationspectroscopy,TCOSY)：获得所有J-的偶合关系H3CCOOCH2CH2CH2CH3123456165433n-butylacetate2828有机合成反应中会经常出现异构体，在异构体构型鉴别中，NOE是一种非常有效的手段。NOE谱对有机化合物结构、构型、构象的鉴定能够提供重要信息.NOE谱可以采用一维或二维方式，通常都采用二维谱图(NOESY)的方式，二维谱方便快捷，可观察的信息全。NOE主要用来确定两种质子在分子立体空间结构中是否距离相近。要求两种质子的空间距离小于5A。NOE和空间因素有关系，和相隔的化学键数无关，所以在分析NOE谱图时候，一定要能画出结构的立体构型以便解析。NOESY谱的识谱方法和COSY谱相通，但NOESY谱相关峰表示的是氢和氢之间有NOE关系而不是偶合关系。2.3、1H-1HNOESY292929NOESY(获得分子空间中之关系)(5Å)ppmOβ-ionone123456789101112119871219830303131CH332323333NOESY谱中不仅有NOE的相关峰，也有耦合的相关峰，在测NOE的图谱时也要测COSY谱与其比较，去除其中的耦合峰343411'22'333535363621337373838393940404141COSY4242NOESY51434343COSY4444NOESY5145454646根据13C与1H相关的远近，分为两种：第一种相应于HC-COSY，即1H和13C以1JCH相耦合；第二种相应于长程HC-COSY，即1H和13C以nJCH相耦合。均是对13C采样，灵敏度低，需样品量大，测试时间长。13C-1H相关COSY谱(crosscorrelatedheteronuclear,HETCOR)，直接相连的1H-13C关联。没有对角线峰。每个相关峰表示相交的氢、碳峰所对应的氢、碳原子是直接相连的。可以使氢谱和碳谱中的谱峰指认信息相互利用、相互印证。四、异核位移相关谱4747474848若把13C、1H的位移相关谱由检测13C变为检测1H，S/N(灵敏度)将大大提高，对于减少样品用量和累加次数具有显著效果。这样的实验通称为反转模式（inversemode）直接相连的1H-13C关联，HMQC，HSQCHMQC[(1H-detected)heteronuclearmultiple-quantumcoherence,(检出1H的）异核多量子相干]HSQC[(1H-detected)heteronuclearsingle-quantumcoherence,(检出1H的）异核单量子相干]远程耦合的1H-13C关联，HMBCHMBC[(1H-detected)heteronuclearmultiple-bondcorrelation,(检出1H的）异核多键相干]494949OOHOHOOO6PhHNHMQC50H3CCOOCH2CH2CH2CH3123456165433-C1-C4-C5-C6-CHMQC51561114141152561114142CH311535455HMQC在F1维（δC方向）分辨率差，而且还会显示出1H，1H之间的耦合裂分，进一步降低F1维的分辨，也使灵敏度下降，HMQC近来常由HSQC所代替。HSQC[(1H-detected)heteronuclearsingle-quantumcoherence,(检出1H的）异核单量子相干]HMQC和HSQC谱除在F1维可能有微小的差别之外，二者外观近似。565656HSQC(获得1JH-X之关系)OOn-butylacetate1234561654365431ppm2575757HSQCCHCH22CH2CH3CHCH2CH2CH3CH212215858581H-13CHMBC------碳氢远程相关实验HMBC：异核二维谱，没有对角线峰。每个相关峰表示相关的氢、碳峰是以两键、叁键或四键相连的。HSQC只能解决一键CH连接问题，利用HMBC可得相隔2个或3个键的C-H相关信号，有时相隔4根键也会有相关信号，但比较少。HMBC在确定空间构型中有很大帮助。由于脉冲序列的关系，HMBC谱中有时也会出现一键偶合的峰，是以一对相隔一百多Hz的小峰出现在对应氢峰（对称）的化学位移两边。595959ppmHMBC(获得nJH-X,n≥2之关系)OOn-butylacetate1234561654365431260HMBCH3CCOOCH2CH2CH2CH3123456165433-C4-C5-C6-C2-C=O1-C616161CHCH2CH2CH3CH2CHCH22CH2CH321216262636364