核磁共振波譜二維譜研

核磁共振波譜二維譜研有機(jī)波譜解析|核磁共振波譜|氫譜1第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1二維核磁共振譜基礎(chǔ)知識4.4.2二維核磁共振譜的分類4.4.3常見二維核磁共振譜的原理及解析4.4.4核磁共振譜的綜合解析目錄2第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月一維NMR實(shí)驗(yàn)過程3第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4一維核磁共振譜：橫坐標(biāo)同時(shí)表示化學(xué)位移和偶合常數(shù)2種不同的核磁共振參數(shù)。共振信號是一個(gè)頻率的函數(shù),記為S(ω)。第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月|核磁共振波譜|氫譜|5（1）自旋核調(diào)控脈沖技術(shù)（2）自旋核特性的理論發(fā)展（3）計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展（4）超導(dǎo)磁體的發(fā)展1971年Jeener首先提出二維核磁共振的概念。1991年厄恩斯特(Ernst)教授因?qū)γ}沖傅立葉變換核磁共振技術(shù)和二維核磁共振技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月二維核磁共振譜：是兩個(gè)獨(dú)立頻率變量的信號函數(shù),記為S(ω1,ω2)。采用不同的脈沖序列技術(shù)，得到圖譜中一個(gè)坐標(biāo)表示化學(xué)位移，另一個(gè)坐標(biāo)表示偶合常數(shù)，或另一個(gè)坐標(biāo)表示同核或異核化學(xué)位移，這類核磁圖譜稱作二維核磁共振譜。6第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月引入二維后,減少了譜線的擁擠和重疊,提高了核之間相互關(guān)系的新信息.因而增加了結(jié)構(gòu)信息,有利于復(fù)雜譜圖的解析.特別是應(yīng)用于復(fù)雜的天然產(chǎn)物和生物大分子的結(jié)構(gòu)鑒定,2DNMR是目前適用于研究溶液中生物大分子構(gòu)象的唯一技術(shù).7第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1二維核磁共振譜基礎(chǔ)知識原則上二維譜可以用概念上不同的三種實(shí)驗(yàn)獲得：(1).頻率域?qū)嶒?yàn)(frequency-frequency)8第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(2).混合時(shí)域(frequency-time)實(shí)驗(yàn)(3).時(shí)域(time-time)實(shí)驗(yàn).它是獲得二維譜的主要方法,以兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間變量進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn),得到S(t1,t2),經(jīng)過兩次傅立葉變換得到二維譜S(ω1,ω2).通常所指的2D-NMR均是時(shí)間域二維實(shí)驗(yàn)

9第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月□雖然2D-NMR有多種形式，但二維核磁共振試驗(yàn)的脈沖序列根據(jù)其時(shí)間軸可分為3或4個(gè)時(shí)期：預(yù)備期、演化期(混合期)和檢測期10第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)備期Preparationperiod發(fā)展期（演化期）(t1)Evolutionperiod混合期Mixingperiod檢測期(t2)Detectionperiod是一個(gè)較長的時(shí)期，使核自旋體系回復(fù)到平衡狀態(tài)，在預(yù)備期末加一個(gè)或多個(gè)射頻脈沖，以產(chǎn)生所需要的單量子或多量子相干。在t1開始時(shí)由一個(gè)脈沖或幾個(gè)脈沖使體系激發(fā)，此時(shí)間系控制磁化強(qiáng)度運(yùn)動，并根據(jù)各種不同的化學(xué)環(huán)境的不同進(jìn)動頻率對它們的橫向磁化矢量作出標(biāo)識。通過相干或極化的傳遞，建立檢測條件。檢測作為t2函數(shù)的各種橫向矢量的FID的變化以及它的初始相及幅度受到t1函數(shù)的調(diào)制。11第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)過程：用固定時(shí)間增量⊿t1依次遞增t1進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)，反復(fù)疊加，因t2時(shí)間檢測的信號S(t2)的振幅或相位受到s(t1)的調(diào)制，則接收的信號不僅與t2有關(guān)，還與t1有關(guān)。每改變一個(gè)t1，記錄S(t2),因此得到分別以時(shí)間變量t1,t2為行列排列數(shù)據(jù)矩陣，即在檢測期獲得一組FID信號，組成二維時(shí)間信號S(t1,t2)。因t1,t2是兩個(gè)獨(dú)立時(shí)間變量，可以分別對它們進(jìn)行傅立葉變換，一次對t2,一次對t1,兩次傅立葉變換的結(jié)果，可以得到兩個(gè)頻率變量函數(shù)S(ω1,ω2)。12第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月13二維譜的表達(dá)方式（a）堆積圖(stackedplot).堆積圖的優(yōu)點(diǎn)是直觀,具有立體感.缺點(diǎn)是難以確定吸收峰的頻率。大峰后面可能隱藏小峰，而且耗時(shí)較長。(b)等高線（Contourplot）等高線圖類似于等高線地圖，這種圖的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得頻率定量數(shù)據(jù)，作圖快。缺點(diǎn)是低強(qiáng)度的峰可能漏畫。目前化學(xué)位移相關(guān)譜廣泛采用等高線。第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月14二維譜峰的命名交叉峰（crosspeak）:出現(xiàn)在ω1≠ω2處，（即非對角線上）。從峰的位置關(guān)系可以判斷哪些峰之間有偶合關(guān)系，從而得到哪些核之間有偶合關(guān)系，交叉峰是二維譜中最有用的部分。對角峰（Autopeak）:位于對角線（ω1＝ω2）上的峰，稱為對角峰。對角峰在F1和F2軸的投影就是其自身的信號。第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月154.4.2二維核磁共振譜的分類（1）J分解譜(Jresolvedspectroscopy)把化學(xué)位移和自旋偶合的作用分辨開來，包括異核和同核J譜。（2）化學(xué)位移相關(guān)譜(chemicalshiftcorrelationspectroscopy)是二維譜的核心，通常所指的二維譜就是化學(xué)位移相關(guān)譜。（3）多量子譜(Jresolvedspectroscopy)用脈沖序列可以檢測出多量子躍遷，得到多量子二維譜。同核偶合異核偶合NOE效應(yīng)譜化學(xué)交換譜第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月有機(jī)波譜解析

|核磁共振波譜

|基本原理橫坐標(biāo)反映

1H同核去偶化學(xué)位移，縱坐標(biāo)則反映了峰的裂分和質(zhì)子間的偶合信息。16第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月17H（1）（δ5.85）有四個(gè)點(diǎn)，反映了其分別與H（2）和H（3）耦合，從圖中可直接讀出耦合常數(shù)分別為J1,2=2Hz和J1,3=10Hz。同樣H（4）（δ4.20）與H（5）（δ1.70）耦合，有三個(gè)點(diǎn)，J4,5=6.5Hz；H（5）則分別與H(4)和H（6）耦合，有9個(gè)點(diǎn)（其中有兩個(gè)部分重合），J4,5=6.5Hz，J5,6=8.0Hz。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月橫坐標(biāo)類似于13C的質(zhì)子寬帶去偶譜，反映了碳的化學(xué)位移；縱坐標(biāo)反映了C原子的裂分情況異核-J分解譜18第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月194.4.3常見二維核磁共振譜的原理及解析（1）化學(xué)位移相關(guān)譜同核化學(xué)位移相關(guān)譜（Homonuclearcorrelation）①通過化學(xué)鍵：COSY,TOCSY,2D-INADEQUATE。②通過空間：NOESY,ROESY（Rotating-frameOverhauserEffectSpectroscopY）。異核化學(xué)位移相關(guān)譜（Heteronuclearcorrelation）①強(qiáng)調(diào)大的偶合常數(shù)：1H-13C–COSY②強(qiáng)調(diào)小的偶合常數(shù)，壓制大的偶合常數(shù)：

COLOC(遠(yuǎn)程1H-13C–COSY)第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月同核化學(xué)位移相關(guān)譜COSY(Correlatedspectroscopy)

所謂的COSY系指同一自旋體系里質(zhì)子之間的偶合相關(guān)。1H-1H-COSY可以1H-1H之間通過成鍵作用的相關(guān)信息，類似于一維譜同核去偶，可提供全部1H-1H之間的關(guān)聯(lián)。因此1H-1H-COSY是歸屬譜線，推導(dǎo)確定結(jié)構(gòu)的有力工具。20第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月COSY譜從左下至右上有一條對角線，將譜圖分為對稱的兩部分。對角線上的峰為對角峰(diagonalpeak)，對角線外的峰為交叉峰(crosspeak)或相關(guān)峰(correlatedpeak)，每個(gè)交叉峰反映兩組峰間的偶合關(guān)系。COSY譜的解析方法很簡單：從任一交叉峰出發(fā)做垂線，與某對角峰及其上方氫譜中的峰組相交，即表明它們是構(gòu)成該交叉峰的一個(gè)峰組；通過該交叉峰做水平線，與另一對角峰相交后，再通過此對角線峰做垂線，會與另一組峰相交，表明兩組信號之間有偶合關(guān)系。因此，在COSY譜中從任一交叉峰即可確定相應(yīng)兩組峰的偶合關(guān)系，不必考慮裂分的峰形。21第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月對角峰5-H與6-H相關(guān)4-H與2-H和3-H相關(guān)2-H與3-H和4-H相關(guān)22第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2-H與4-H和6-H相關(guān)5-H與4-H和6-H相關(guān)23第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月化合物C15H22N2O2的結(jié)構(gòu)如下，請根據(jù)其二維1H-1H-COSY(600MHz,CDCl3)圖譜進(jìn)行信號歸屬。2411222212第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月①識別溶劑峰：化合物1H中共有12組氫的信號峰，其中δ7.26為溶劑CDCl3未被完全氘代的質(zhì)子信號峰。在二維COSY譜中可以看到該溶劑峰不與其它任何質(zhì)子相關(guān)（紅色方框標(biāo)注）。②識別雜質(zhì)峰：δ6.30,5.50,4.95,2.35,2.15的譜線矮小且與其它譜線的峰面積無比例關(guān)系，二維COSY譜中可以看到δ2.49,2.47兩處的質(zhì)子信號未見與其它任何質(zhì)子相關(guān)（綠色方框標(biāo)注），因此可認(rèn)為這些信號是雜質(zhì)峰引起的。③化學(xué)位移分區(qū)：扣除溶劑峰和雜質(zhì)峰后，剩余的7組氫信號的峰面積比從低場至高場分別為1：1：2：2：2：2：12。低場部分（δ7.0-8.0）共有三組質(zhì)子信號峰，應(yīng)該屬于芳環(huán)上的質(zhì)子信號。低場區(qū)三條譜線較難進(jìn)行歸屬，可借助二維1H-1H-COSY進(jìn)行識別。高場部分（δ2.0-5.0）有四組質(zhì)子信號峰，應(yīng)該屬于飽和碳上的質(zhì)子信號。其中δ2.25為單峰，含有12個(gè)質(zhì)子，應(yīng)該是與雜原子相連的甲基（CH3)，可以確定為氮原子上的兩個(gè)甲基的質(zhì)子H(7)信號；δ2.45,2.75處的譜線均裂分為雙重峰，J=18Hz，應(yīng)該是與雜原子相連的亞甲基質(zhì)子（-X-CH2-)，可以確定為與氮原子相連的亞甲基質(zhì)子H（6）信號。由于亞甲基的兩個(gè)質(zhì)子為化學(xué)不等價(jià)，發(fā)生同碳質(zhì)子的耦合裂分，故耦合常數(shù)較大（J=18Hz），表現(xiàn)出兩組dd峰；δ4.50為單峰，含有2個(gè)質(zhì)子，應(yīng)該是與雜原子相連的亞甲基質(zhì)子（-X-CH2-)，可以確定為與氧原子相連的亞甲基質(zhì)子H（5）信號。25第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月④利用二維1H-1H-COSY歸屬信號：由前述分析已知低場部分的三組質(zhì)子信號峰，屬于芳環(huán)上的質(zhì)子信號，從δ7.90處的譜線出發(fā)，向F2軸做垂線，可以發(fā)現(xiàn)其與δ7.00處的多重峰相交，即二者之間有相關(guān)。二維1H-1H-COSY譜中可以看出，δ7.00處的多重峰實(shí)際上是兩種質(zhì)子信號重疊在一起形成的譜線，因此可以確定δ7.90為H（1）的信號，它與相鄰的H(2)存在鄰位耦合；從δ7.45處的譜線出發(fā)，向F1軸做垂線，可以發(fā)現(xiàn)其與δ7.00中的一組質(zhì)子峰相交，可以確定δ7.45為H（3）的信號，它與相鄰的H(2)存在鄰位耦合。H（5）未與其它質(zhì)子有耦合關(guān)系，因此在二維1H-1H-COSY譜中僅有對角線峰。H（6）存在同碳質(zhì)子的耦合關(guān)系，因此在二維1H-1H-COSY譜中只存在自身的相關(guān)峰。26第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月異核位移相關(guān)譜異核相關(guān)譜中最常見的是13C和1H之間的位移相關(guān)譜。它又分為直接相關(guān)譜核遠(yuǎn)程相關(guān)譜，前者是把直接相連的13C和1H關(guān)聯(lián)起來，而后者是將相隔兩只三根化學(xué)鍵的13C和1H關(guān)聯(lián)起來，有時(shí)甚至能跨越季碳、雜原子等，提供的信息比直接相關(guān)譜多，因此對結(jié)構(gòu)解析非常有用。27第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月|核磁共振波譜|氫譜|28在測試技術(shù)上，異核位移相關(guān)譜有兩種方法，一是對非氫核（通常是碳）進(jìn)行采樣，是正相實(shí)驗(yàn)，測得的圖譜稱為“C，HCOSY”或長程“C，HCOSY”、COLOC(遠(yuǎn)程13C-1H化學(xué)位移相關(guān)譜，CorrelationSpectroscopyViaLongRangCoupling)。由于是對非氫核采樣，靈敏度低，需要樣品量較大，測試時(shí)間也較長。第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月另一種方法為反相實(shí)驗(yàn)，即對氫核進(jìn)行采樣，所得圖譜為HMQC(1H檢測的異核多量子相干實(shí)驗(yàn)，1HDetectedHeteronuclearMulipleQuantumCoherence)、HSQC(1H檢測的異核單量子相干實(shí)驗(yàn)，1HDetectedHeteronuclearSingleQuantumCoherence)、或HMBC(1H檢測的異核多鍵相關(guān)實(shí)驗(yàn)，1HDetectedHeteronuclearMulipleBoanCorrelation或LongRangeHeteronuclearMultipleQuantumCoherence)譜。|核磁共振波譜|氫譜|29第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月對HMQC（HSQC）和HMBC圖譜的解析也很簡單：均是從已知1H信號峰出發(fā)連線，找到其相關(guān)的13C信號峰；或者從已知的13C信號峰出發(fā)連線找到相對應(yīng)的1H信號峰。將二者結(jié)合起來不僅能夠解決信號歸屬問題，而且能夠找到碳碳之間的鏈接關(guān)系，有助于確定化合物基本骨架。盡管HMQC(HSQC)和HMBC譜圖給出的信息很清楚，但有時(shí)也會出現(xiàn)一些雜質(zhì)峰或假峰的干擾，特別是在譜線重疊嚴(yán)重時(shí)容易出現(xiàn)。另外，HMBC中常常會因強(qiáng)質(zhì)子峰（如甲基對應(yīng)的碳）出現(xiàn)衛(wèi)星峰，即在主峰兩側(cè)出現(xiàn)對稱的兩個(gè)“交叉峰”。因此在解析二維圖譜的時(shí)候，需要將這些干擾峰忽略，以免影響解析。30第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月31HMQC

(1HDetectedHeteronuclearMulipleQuantumCoherence)1H檢測的異核多量子相干譜HMQC是將1H信號的振幅及相位分別依13C化學(xué)位移及1H間的同核化學(xué)偶合信息調(diào)制，并通過直接檢測調(diào)制后的1H信號，獲得13C-1H化學(xué)位移相關(guān)數(shù)據(jù)。它所提供的信息及譜圖與1H-13CCOSY完全相同。第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月得到的是直接相連的13C與1H之間的偶合關(guān)系，即CH,CH2和CH3的相關(guān)信號，不能得到季碳的結(jié)構(gòu)信息。32第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月33第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月HSQC(1HDetectedHeteronuclearSingleQuantumCoherence)1H檢測的異核單量子相干實(shí)驗(yàn)HSQC與HMQC一樣，反映的是1H和13C以1JCH相偶合，二者的圖譜外形完全相同。HMQC實(shí)驗(yàn)中t1期是雙量子和零量子相干的演化，而HSQC的t1期只涉及單量子相干演化。但HSQC實(shí)驗(yàn)序列中的脈沖數(shù)多于HMQC，同時(shí)單量子的分辨率優(yōu)于多量子，因此HSQC對實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置要求也高，容易得到相位難調(diào)的圖譜。同時(shí)單量子的分辨率優(yōu)于多量子的優(yōu)勢，也使HSQC譜在F1維的分辨率高于HMQC。另一方面，采用梯度選擇的HSQC實(shí)驗(yàn)不僅減少相循環(huán)，提高二維實(shí)驗(yàn)效率，而且可以抑制12C-1H信號導(dǎo)致的t1噪音，有效壓制溶劑峰，增強(qiáng)靈敏度。因此目前二維實(shí)驗(yàn)普遍采用的是HSQC。34第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月359.101216152’3’第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月36HMBC

(multiple-bondCHcorrelation)HMBC是一種測定遠(yuǎn)程1H-13C相關(guān)的十分靈敏的方法，它給出遠(yuǎn)程1H-13C相關(guān)信息。特別是適用于檢測與甲基有遠(yuǎn)程偶合的碳（2JCH,3JCH).其基本原理是：通過1H檢測異核多量子相干調(diào)制，選擇性地增加某些碳信號的靈敏度，是孤立的自旋體系相關(guān)聯(lián)，而組成一個(gè)整體分子。對于質(zhì)子相隔兩個(gè)，三個(gè)鍵（2JCH,3JCH）的碳，提供了有效的相關(guān)信息，抑制了直接偶合的1JCH信號強(qiáng)度是譜圖簡化。該法適用于具有眾多甲基地天然產(chǎn)物，如三萜化合物，甾醇化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月HMBC可高靈敏度地檢測13C-1H遠(yuǎn)程偶合（2JCH,3JCH），因此可得到有關(guān)季碳的結(jié)構(gòu)信息及其被雜原子切斷地