二维核磁共振

5.6二维核磁共振简介5.6.1二维核磁共振的基本原理一、二维谱图二维核磁共振谱（2DNMR）是20世纪70年代提出并发展起来的。一维NMR谱的信号是一个频率的函数，分布在一个频率（或磁场）横轴上，纵轴方向为信号强度，记为s（）。二维谱的信号是两个独立频率（或磁场）的函数，可记为S（1，2）共振信号分布在两个频率轴F1，F2组成的平面上。如图-1所示。也就是说二维谱是将化学位移、偶合常数等NMR参数在二维平面上展开，使得图谱解析和寻找核之间的相互作用更为容易。•在一个2DNMR实验中，整个时间轴按其物理意义分割成四个区间：•预备期(td)→发展期(t1)→混合期(tm)→检测期(t2)。•预备期(td)：预备期通常是一个较长的时期，它是为了使实验体系回到平衡状态。•发展期(t1)：发展期的初期用一个或几个脉冲，使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期时间t1是变化的。•混合期(tm)：在此期间建立信号检测的条件。混合期不是必不可少，有可能不存在。•检测期(t2)：在此期间检测作为t2函数的各种FID信号，它的初始相及振幅都受到t1函数的调制。2DNMR的实验过程：二、2DNMR的分类2DNMR主要分为三大类：(1)J分解谱（Jresolvedspectroscopy）•它是把重叠在一维谱上的化学位移和偶合常数分解在平面上，便于解析。又有同核和异核之分。(2)化学位移相关谱(chemicalshiftcorrelationspectroscopy)•化学位移相关谱是检测核自旋偶合相互作用的。它同样也有同核位移相关谱和异核位移相关谱。(3)多量子谱(multiplequantumspectroscopy)•通常测定的核磁共振谱为单量子跃迁（E=±1）。发生多量子跃迁时E为大于1的整数。用特定的脉冲序列可以检出多量子跃迁，从而得到多量子二维谱。三、二维NMR谱图的类型•堆积图：是一种准三维立体图。两个频率变量为二维，信号强度为第三维。这种图有立体感，能直观地显示谱峰信息，如图5-11(a)。但这种图使大峰后面的小峰被掩盖，画图很费时，故一般不用。•平面等值线图：又叫平面等高线图。最中心圆圈表示峰的位置，圆圈的数目表示峰的强度。•截面图：只记录2DNMR全谱的某个剖面，剖面常与一个频率。轴平行或成45。。如图4-5-1(c)所示。•积分投影图：是一维形式的图，是对垂直于投影轴的剖面上信号强度进行积分得到。图5-11(a)2DJ1H-NMR图51-1(b)•图5-11(c)2DJ1H-NMR（360MHz，CDCl3）5.6.22DJ分解谱•与一维谱比较，二维谱并不增加信息量，而是把一维谱的信号按一定规律在一个二维平面上展开。•即在F1轴（一般为纵轴）上显示偶合信息，从图上得到偶合常数（JHH，JCH），F2轴（一般为横轴）上显示化学位移（δH，δC），从而使图谱比一维谱容易解析。•二维J分解谱又可分为同核J分解谱和异核J分解谱。（1）1H同核二维J分解谱•同核二维J分解谱是采用自旋回波技术将1HNMR中重迭密集的谱线多重峰结构展开在一个二维平面上，可将化学位移与偶合常数分别在F1、F2两个轴上给出。•图5-12为A2X3体系的1H、1H同核二维J分解谱，在F1轴上可得到J偶合信息，而在F2轴上是化学位移和JHH同时出现。•如A2部分的质子为四个峰，X3部分为三重峰，它们的连线分别与F1轴成45°交角，斜率为1。•如A2的四个峰，其在F2轴上的投影见图5-12下部。若人为地用计算机将图倾斜45°，此时A2或X3的四重峰、三重峰的连线都与F1轴平行而与F2轴垂直。•此时图的F1轴显示偶合裂分，而F2轴就成了质子宽带去偶谱，只呈现质子的位移值。A2和X3在F2轴上的投影都为单峰。图5-12A2X3体系1H同核二维J分解谱图•同核2DJ分解谱是最早开发的2DNMR技术之一。•对于许多具有复杂质子自旋偶合系统的化合物，由于偶合裂分相互重叠不易解析。•利用J分解谱，使重叠的信号分离，从而使各质子的化学位移和偶合裂分得到较好的解析。•例如，反式丙烯酸乙酯的H－HJ分解谱。（2）异核碳、氢二维J分解谱•异核二维J分解谱是指被测定的核的化学位移为一维，该种核与另一种核之间偶合的多重峰裂分为另一维的分解谱。•异核13C，1H2DJ分解核磁共振谱的F2轴为13C化学位移，F1轴为质子与13C的偶合。由于使用的脉冲序列不同，可以得到几种图谱。•应用最多的为门控去偶13C，1HJ分解2DNMR。•此时F2轴为13C的化学位移。F1轴为JCH偶合的多重峰，裂距为1/2JCH。•出峰情况是季碳为单峰，CH为二重峰，CH2为三重峰，CH3为四重峰。•图5-14为反式丙烯酸乙酯的1H、13C异核二维J分解谱，碳化学位移及碳上的质子与其的偶合皆可看清，由此还可判断碳上质子个数。图4-5-4反式丙烯酸乙酯异核二维J分解谱•异核13C-1HJ分解谱•横轴为13C的C，纵轴为JCH，由于使用脉冲序列不同，可以得到几种图谱。•应用最多的是门控去偶13C-1HJ分解谱，横轴为13C的C，纵轴为JCH偶合的多重峰，裂距为1/2JCH。5.6.3化学位移相关谱•二维化学位移相关谱（correlationspectroscopy,简写为COSY）是比2DJ分解谱更有用的方法。•2DCOSY谱又分为同核和异核相关谱两种。相关谱的纵、横(F1、F2)坐标均表示化学位移。一、同核化学位移相关谱1.氢-氢化学位移相关谱（1H-1HCOSY）•1H-1HCOSY是同一个偶合体系中质子之间的偶合相关谱，是可以确定质子化学位移以及质子之间偶合关系和连接顺序的相关谱。•图上有两种峰，对角峰（diagonalpeak）和交叉峰(crosspeak)。•对角峰处在坐标F1=F2的对角线上，对角峰在F1或F2上的投影得到常规的偶合谱或去偶谱。•交叉峰不在对角线上，即坐标F1≠F2。交叉峰显示了具有相同偶合常数的不同核之间的偶合。•交叉峰又分为两类：–一类交叉峰紧靠对角线，是对角峰中同种核的组成部分；–另一类远离对角线，是具有相同偶合常数的不同核的相关峰。•交叉峰有两组，分别出现在对角线两侧，并以对角线对称。•这两组对角峰和交叉峰可以组成一个正方形，并且由此来推测这两组核之间有偶合关系。所以也叫相关峰，显示了具有相同偶合常数的不同核之间的偶合。•如图5-15所示。图5-15AX体系的1H，1HCOSY谱示意图•总结：•1H-1HCOSY：是可以确定质子化学位移以及质子之间偶合关系和连接顺序的相关谱。图上有两种峰，对角峰（diagonalpeak）和交叉峰(crosspeak)，也叫相关峰,显示了具有相同偶合常数的不同核之间的偶合。•在实际解析中首先选择一个归属明确的峰开始，从这个峰出发，画与F1、F2轴平行的直线。•若这两个方向的直线分别与距这个峰等距离的地方与两个峰相遇，则应该在对角线上找到与这个峰偶合的另一组峰。•可由在对角线的左上方或右下方，由一组交叉峰与两组对角峰组成相应的直角三角形，来判断偶合关系的存在。•应注意1H-1HCOSY谱主要反映的是3J偶合关系，但有时也出现远程偶合关系的相关峰，而当3J小时，也可能看不到相应的交叉峰。例：图5-17为化合物的COSY谱。H3CCH3NHCNHCOCH2CH3sO141211510796832图5－17COSY谱•解析：•在图5-17上化学位移最大的是苯环7号碳上的氢7(δ7.43，d)。•从其出发在对角峰上可找到苯氢5(δ7.06，d)，这两个质子在苯环的邻位，偶合大。•在COSY谱上可看到两个交叉峰，与这两个质子的对角峰组成一个四方形。•乙基上的甲基和亚甲基也互相偶合，在图上有甲基的对角峰(δ1.341，t)和亚甲基的对角峰(δ4.276，q)与它们的交叉峰组成的四方形。•其他质子之间无偶合，也看不到它们的交叉峰。2.碳-碳同核化学位移相关谱•碳－碳同核化学位移相关谱也就是二维双量子谱（2D-INADEQUATE）实验。•是目前13C谱归属最有效的方法。2D-INADEQUATE谱有两种形式：–第一种是F2轴上为碳原子化学位移，F1轴上为双量子跃迁频率，相互偶合的两个碳原子作为一对双峰排列在平行于F2轴的同一水平线上，每一对偶合碳原子双峰连线的中点都落在谱中F1=2F2的“对角线”上。如图5-18。–另一种是F1与F2皆为13C化学位移。此时，相互偶合的两个碳原子作为一对双峰出现在对角线两侧对称的位置上。见图5-19。•因为样品薄荷醇分子中的C3与羟基相连，化学位移最大，容易识别，故可以将C3作为解析的切入口。5.6.4异核碳氢化学位移相关谱•异核化学位移相关谱：•碳氢相关谱（13C-1HCOSY谱）。•远程碳氢化学位移相关谱（long-range13C-1HCOSY谱）。•异核接力相干转移谱（13C-1HRELAY谱又叫异核RCT谱）。•用的最多的还是13C-1HCOSY谱，它把分子中的一键偶合的13C和1H的信号相关联，为结构解析提供了基本数据。1.13C-1HCOSY谱•13C-1HCOSY谱也叫HETCOR(heteronuclearchemicalshiftcorrelation)。•在13C-1HCOSY谱中F1（纵轴）是1H化学位移，F2（横轴）是13C的化学位移。•一个有关1JC-H的信号，在不去偶谱中会出现六个信号。其中F2轴上的两个信号对解析谱无用，其余四个信号两个强度为正，两个为负，形成一个正方形，边长等于J。•当使用不同去偶脉冲后，可以分别使F2轴去偶，只留下F1坐标上一正一负两个信号；•也可以使F2、F1都去偶，只留一个正信号。•一个CH结构单元在常规13C－1HCOSY谱中出现的谱图如图5-20所示。•常规13C-1HCOSY谱得到的是直接相连的碳与氢(1JCH)的偶合关系。•从一个已知的1H信号，按相关关系可以找到与之相连的13C信号；在13C-1HCOSY谱中，季碳无信号。•若一个碳上有几个位移值不同的氢，则在谱图中该碳的δC处而不同的δH处出现几个信号；•若一个碳上几个氢位移值相等，则只出现一个信号。•图5-21为2，3-二溴丙酸的常规13C-1HCOSY谱。结论：•由图5-21、5-22可见，在HETCOR谱中，从图上相关峰向F1作垂线，得到1H的化学位移，向F2作垂线，得13C的化学位移。•即图上的相关峰出现在该碳和这个碳上的氢的化学位移相交处。•如果一个碳上有两个化学位移不同的氢，则该碳和这个碳上的两个氢会有两个相关峰，分别出现在他们的化学位移相交处。2.远程13C-1H化学位移相关谱•long-range13C-1HCOSY谱可以获得包括季碳在内的一键以上的远程C-H偶合的信息，建立起C-C间的关联，确定分子骨架。•这种远程偶合甚至可以越过氧、氮或其它原子的官能团将碳与相隔两三个键的氢相关联，如－CO－O－CH中的H与羰基碳，C－NH2中的C与H相关。•F1轴仍为H化学位移，F2轴为C的化学位移。无对角峰，交叉峰除出现nJCH远程相关峰外，也会出现强的1JCH相关峰，因此能得到季碳的信息。•解析时要与13C-1HCOSY谱对照，以便扣除13C-1HCOSY谱有的1JCH相关峰，得到远程nJCH偶合的信息。•与2D双量子谱相比，它样品用量少，时间短，灵敏度高。•图5-23为反式丙烯酸乙酯的COLOC谱。由图可见•H6与C5有交叉峰，H4与C2(2JHC)、C3(3JHC)有相关信息。•H5越过氧与C1(季碳)有交叉峰(3J)，H6与C6、H4与C4、H5与C5的信号也可看到。•而在此图上未看到H3、H2与C1的交叉峰，以及H3与C3、H2与C2信息。3.异核接力相干转移谱（13C-1HRELAY谱,叫RCT谱）•2DINADEQUATE实验是确定有机分子碳骨架的最有力的手段，但因灵敏度太低而使应用受到限制。•13C-1HRELAY谱灵敏度比13C-1HCOSY谱低，但不比COLOC低，而比INADEQUATE高很多。•13C-1HRELAY谱可以提供碳骨架信号。其实验的必要条