二維核磁共振譜講解課件

二維核磁共振波譜法二維核磁共振(2DNMR)方法是Jeener于1971年首先提出的,是一維譜衍生出來的新實驗方法。引入二維后,不僅可將化學(xué)位移、偶合常數(shù)等參數(shù)展開在二維平面上，減少了譜線的擁擠和重疊,而且通過提供的HH、CH、CC之間的偶合作用以及空間的相互作用，確定它們之間的連接關(guān)系和空間構(gòu)型，有利于復(fù)雜化合物的譜圖解析，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也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)。1二維核磁共振波譜法二維核磁共振(2DNMR)方第一節(jié)基本原理

NMR一維譜的信號是一個頻率的函數(shù)，共振峰分布在一個頻率軸（或磁場）上，可記為S(ω)。二維譜信號是二個獨立頻率（或磁場）變量的函數(shù)，記為S(ω1,ω2),共振信號分布在兩個頻率軸組成的平面上。也就是說2DNMR將化學(xué)位移、偶合常數(shù)等NMR參數(shù)在二維平面上展開，于是在一般一維譜中重迭在一個坐標(biāo)軸上的信號，被分散到由二個獨立的頻率軸構(gòu)成的平面上，使得圖譜解析和尋找核之間的相互作用更為容易。不同的二維NMR方法得到的圖譜不同，二個坐標(biāo)軸所代表的參數(shù)也不同。2第一節(jié)基本原理NMR一維譜的信號是一個頻率的函一、1D-NMR到2D-NMR的技術(shù)變化（一）一維核磁共振譜及脈沖序列基本脈沖序列:3一、1D-NMR到2D-NMR的技術(shù)變化（一）一維核磁共振譜預(yù)備期演化期混合期檢測期t1tmt2d（二）二維核磁共振譜及基本脈沖序列二維譜實驗通常分為4個階段：1、預(yù)備期：預(yù)備期在時間軸上通常是一個較長的時期，使核自旋體系回復(fù)到熱平衡狀態(tài)，基本脈沖序列:4預(yù)備期演化期混合期檢測期t1tmt2d（二）二維核磁共振譜及3、混合期：由一組固定長度的脈沖和延遲組成。在此期間通過相干或極化的傳遞，建立檢測條件?；旌掀谟锌赡懿淮嬖冢皇潜夭豢缮俚模ㄒ暥S譜的種類而定）4、檢測期：在此期間檢測作為t2函數(shù)的各種橫向矢量的FID的變化，它的初始相及幅度受到t1函數(shù)的調(diào)制。與t2軸對應(yīng)的ω2（F2軸），通常是化學(xué)位移，與t1軸對應(yīng)的ω1（F1軸）是什么，取決于二維譜的類型。2、演化期：在t1開始時由一個脈沖或幾個脈沖使體系激發(fā)，使之處于非平衡狀態(tài)。t1=t+nΔt，逐步延長，其對應(yīng)的核磁信號的相位和幅值也就不相同。53、混合期：由一組固定長度的脈沖和延遲組成。在此期間通過相干t1=t+nΔt實驗過程：二維核磁共振譜數(shù)據(jù)矩陣數(shù)據(jù)矩陣對t2FT數(shù)據(jù)矩陣對t1FTF2F16t1=t+nΔt實驗過程：二維核磁共振譜數(shù)據(jù)矩陣數(shù)據(jù)矩陣對t用固定時間增量⊿t1依次遞增t1進行系列實驗，反復(fù)疊加，因t2時間檢測的信號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t1，記錄S(t2),因此得到分別以時間變量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，組成二維時間信號S(t1,t2)。因t1,t2是兩個獨立時間變量，可以分別對它們進行傅立葉變換，一次對t2,一次對t1,兩次傅立葉變換的結(jié)果，可以得到兩個頻率變量函數(shù)S(ω1,ω2)的二維譜。77二、常用2D-NMR圖譜的表現(xiàn)形式1.堆積圖堆積圖的優(yōu)點是直觀,具有立體感.缺點是難以確定吸收峰的頻率。大峰后面可能隱藏小峰，而且耗時較長。8二、常用2D-NMR圖譜的表現(xiàn)形式1.堆積圖堆2.等高線圖等高線圖類似于等高線地圖，這種圖的優(yōu)點是容易獲得頻率定量數(shù)據(jù)，作圖快。缺點是低強度的峰可能漏畫。目前化學(xué)位移相關(guān)譜廣泛采用等高線圖。等高線圖中最中心的圓圈表示峰的位置，圓圈的數(shù)目表示峰的強度。3.投影圖（一維譜）堆積圖在F1或F2方向上的投影，是一維譜形式，可用來準(zhǔn)確確定F1軸或F2軸上各譜峰的化學(xué)位移值。92.等高線圖等高線圖類似于等高線地圖，這種圖的優(yōu)點是容易獲得β-紫羅蘭酮10β-紫羅蘭酮10三、二維譜共振峰的名稱1.對角峰21534它們處在坐標(biāo)F1=F2的對角線上，每組自旋核都有一個對角峰。對角峰在F1或F2上的投影得到常規(guī)的一維偶合譜或去偶譜。

F2F15432111三、二維譜共振峰的名稱1.對角峰215342.交叉峰交叉峰也稱為相關(guān)峰，它們不在對角線上，即坐標(biāo)F1≠F2。交叉峰顯示了具有相同偶合常數(shù)的不同核之間的偶合（交叉）。交叉峰有兩個，分別出現(xiàn)在對角線兩側(cè)，并以對角線對稱。這兩個交叉峰和對角峰可以組成一個正方形，并且由此來推測這兩組核A和X有偶合關(guān)系（或彼此相關(guān)）。21534F2F154321122.交叉峰交叉峰也稱為相關(guān)峰，它們不在對角線上，即坐標(biāo)第二節(jié)二維核磁共振光譜的類型一、二維核磁共振光譜的分類二維譜可分為三類：1）J分解譜J分解譜亦稱J譜或者δ-J譜。它把化學(xué)位移和自旋偶合的作用分辨開來，分別用F2、F1表示，包括異核和同核J譜。2）化學(xué)位移相關(guān)譜化學(xué)位移相關(guān)譜也稱δ-δ譜，它把不同自旋核的共振信號相互關(guān)聯(lián)起來，是二維譜的核心。包括同核化學(xué)位移相關(guān)譜，異核化學(xué)位移相關(guān)譜，NOESY和化學(xué)交換譜等。13第二節(jié)二維核磁共振光譜的類型一、二維核磁共振光譜的分類二3）多量子譜通常所測定的核磁共振譜線為單量子躍遷（Δm=±1）。發(fā)生多量子躍遷時Δm為大于1的整數(shù)。研究多量子躍遷可以幫助解決以下問題：（1）多量子躍遷隨著階數(shù)的增加，躍遷數(shù)目迅速減少，應(yīng)用高階多量子譜使譜得到簡化；（2）利用多量子相關(guān)的特征，選擇性地探測一定階數(shù)的多量子信號，使不同自旋系統(tǒng)得以分開；（3）多量子濾波可以簡化為一維和二維譜，用脈沖序列可以檢測出多量子躍遷，得到多量子躍遷的二維譜。143）多量子譜14二、二維J分解譜二維J分解譜是將不同的NMR信號分解在兩個不同的軸上，使重疊在一起的一維譜的化學(xué)位移δ和偶合常數(shù)J分解在平面兩個坐標(biāo)上，提供了精確的偶合裂分關(guān)系，便于解析。二維J分解譜分為同核和異核J分解譜。（一）氫、氫同核二維J分解譜同核二維J分解譜將1HNMR中重迭密集的譜線多重峰結(jié)構(gòu)展開在一個二維平面上，可將偶合常數(shù)3JHH（或2JHH)與化學(xué)位移分別在F1、F2二個軸上給出，在F1軸上清晰給出峰的多重性，讀取J值。15二、二維J分解譜二維J分解譜是將不同的NMR信號分在同核1H,1H－2DJ分解譜中，被測定的核為1H核。16在同核1H,1H－2DJ分解譜中，被測定的核為1反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二維J分解譜17反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二維J分解譜1718182位的a-H和e-H相互偶合，裂分為雙峰后進一步被3位氫裂分而顯示六重峰。同樣，3-H的a、e質(zhì)子首先裂分為雙峰，再被鄰位2-H分裂為六重峰，和4-H質(zhì)子進一步裂分為十八重峰，但由于有些峰相互重疊，在2DJ分解譜中只顯示9個點。5位甲基沒有受到偶合，因此只在F1=0軸上顯示單峰。化學(xué)等價磁不等價化學(xué)等價磁不等價192位的a-H和e-H相互偶合，裂分為雙峰后進一步被3位氫裂分（二）碳、氫異核二維J分解譜在異核13C,1H－2DJ分解譜中，被測定的核為13C核，分解譜的F2軸為13C化學(xué)位移δC，F(xiàn)1軸為1H與13C的偶合(1JCH)多重峰，為1/2JCH。出峰情況是CH為二重峰，CH2為三重峰，CH3為四重峰，季碳單峰或不出峰。20（二）碳、氫異核二維J分解譜在異核13C,1H－反式丙烯酸酯的13C,1HJ分解2D譜。

F2軸為13C的化學(xué)位移。F1軸為1JCH偶合的多重峰。21反式丙烯酸酯的13C,1HJ分解2CH3---四重峰（5-Me，1,1’–Me,10);CH2---三重峰(2,3,4);CH---雙重峰(7,8)。由于DEPT等測定碳原子級數(shù)的方法能代替異核J譜，且檢測速度快，操作方便，因此異核J譜較少應(yīng)用。235,622CH3---四重峰（5-Me，1,1’–Me,10);三、同核化學(xué)位移相關(guān)譜（一）氫、氫化學(xué)位移相關(guān)譜1H-1H-COSY是1H核和1H核之間的化學(xué)位移相關(guān)譜。在通常的橫軸和縱軸上均設(shè)定為1H的化學(xué)位移值，兩個坐標(biāo)軸上則顯示通常的一維1H譜。（1H-1HCorrelationspectroscopy，1H-1HCOSY）在該譜圖中出現(xiàn)了兩種峰，分別為對角峰及相關(guān)峰。同一種氫核信號將在對角線上相交，出現(xiàn)一個對角峰。在對角線兩側(cè)，相互偶合的兩個/組氫核信號將產(chǎn)生兩個交叉點，出現(xiàn)一對交叉峰（相關(guān)峰），一般反映的是3J偶合。23三、同核化學(xué)位移相關(guān)譜（一）氫、氫化學(xué)位移相關(guān)譜1H-1HCOSY-900基本脈沖序列：241H-1HCOSY-900基本脈沖序列：2421534F2F154321543122521534F2F15416612616612627275H5/H2J偶合677，285H5/H2J偶合677，28（二）碳、碳化學(xué)位移相關(guān)譜這是二維碳骨架直接測定法，是確定碳原子連接順序的實驗，采用一種天然豐度雙量子相干（INADEQUATE）技術(shù)進行測定。碳是組成分子骨架，它更能直接反映化學(xué)鍵的特征與取代情況。但是由于13C天然豐度僅僅為1.1%，出現(xiàn)相連13C-13C偶合的幾率為0.01％，使1JC-C測試非常困難,信號累加時間達兩天，只在迫不得以才做。兩個偶合的13C核能產(chǎn)生雙量子躍遷，躍遷頻率相等，孤立的碳則不能。29（二）碳、碳化學(xué)位移相關(guān)譜這是二維碳骨架直接測定法，是確定碳2DINADEQUATE譜圖有兩種形式，第一種形式，F(xiàn)2軸是13C的化學(xué)位移，F(xiàn)1為雙量子躍遷頻率，水平連線表明一對偶合碳具有相同的雙量子躍遷頻率，可以判斷它們是直接相連的碳。另一種形式，F(xiàn)2軸F1軸都是13C的化學(xué)位移，相互偶合的碳核作為一對雙峰出現(xiàn)在對角線兩側(cè)對稱的位置上。依此類推可以找出化合物中所有13C原子連接順序。302DINADEQUATE譜圖有兩種形式，第一31312143567OHHO6-75-64-51-22-33-41423567F2F1322143567OHHO6-75-64-51-22-33-4113C-13C2DINADEQUATEspectrumofmenthol

F1(δ13C)F2(δ13C)103426185793,43,2422,181516,15,6 76 1,78,9 8,10910

4,8 4,5F2(δ13C)F1(δ13C)3313C-13C2DINADEQUATEspectrum（一）13C檢測的異核化學(xué)位移相關(guān)譜所謂異核化學(xué)位移相關(guān)譜是兩個不同核的頻率通過標(biāo)量偶合建立起來的相關(guān)譜.應(yīng)用最廣泛的是1H-13CCOSY。四、異核化學(xué)位移相關(guān)譜

13C-1HCOSY譜圖中F2為13C化學(xué)位移，F(xiàn)1為1H化學(xué)位移，沒有對角峰，其交叉峰表明C-H相連偶合的信息，季碳不出交叉峰。解析時，可以從一已知的氫核信號，根據(jù)相關(guān)關(guān)系，即可找到與之相連的13C信號，反之亦然?？梢詮淖V圖中得到1JC-H的結(jié)構(gòu)信息。34（一）13C檢測的異核化學(xué)位移相關(guān)譜所謂異核化學(xué)35355’32D13C-1HCOSYspectrum(1JCHcorrelations)2a2e1’2166’5C1,H1aC1,H1eC2,H2aC2,H2eC1’,H1’C4,H4C2’,H2’ C4’,H4’ C3,H34’2’41’3’

1a 1eδ1Ηδ13CF1F2C5,H5 C6’,H6’ C6,H6365’32D13C-1HCOSYspectrumCH3CO7,437CH3CO7,437 常規(guī)的13C檢測的異核直接相關(guān)譜，靈敏度低，樣品的用量較大，測定時間較長。HMQC（異核多量子相關(guān)譜）技術(shù)很好地克服了上述缺點，HMQC實驗是通過多量子相干，檢測1H信號而達到間接檢測13C的一種方法（二）1H檢測的異核多量子相關(guān)譜（HMQC）HMQC(異核多量子相干譜)的優(yōu)點脈沖序列較簡單，參數(shù)設(shè)置容易。反式檢測氫維(f2)分辨率較高，靈敏度較高。缺點碳維(f1)分辨率低.—C1

—C2—C3—C4—H1H2H3H438 常規(guī)的13C檢測的異核直接相關(guān)譜，靈敏度低，樣品的用量較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。圖上F2坐標(biāo)是1H的化學(xué)位移,F1是13C化學(xué)位移，直接相連的13C與1H將在對應(yīng)的13C化學(xué)位移與1H化學(xué)位移的交點處給出相關(guān)信號。不能得到季碳的結(jié)構(gòu)信息。39HMQC是將1H信號的振幅及相位分別依13C化學(xué)位HMQC譜40HMQC譜4041412367894223678942（三）1H檢測的異核單量子相關(guān)譜（HSQC）HSQC(HeteronuclearSingleQuantumCorrelation)與HMQC相似，也是通過1JCH偶合常數(shù)實現(xiàn)碳氫相關(guān)。相干傳遞是通過單量子相干機理。下面是基本的HSQC脈沖序列：1Ht1/2d1t1/213CDec.d2d2d2d2d2=1/41JCHHSQC譜的靈敏度比HMQC高，但HSQC包含較多射頻脈沖，要求實驗參數(shù)精確設(shè)置，否則誤差偏大。圖譜形式和解譜方法與HMQC相同。43（三）1H檢測的異核單量子相關(guān)譜（HSQC）HSQC(He

HMBC是heteronuclear

multipule

bond

correlation

的縮寫，表示異核遠程（多鍵）相關(guān)譜。與HMQC一樣，HMBC的譜圖也是是一種間接檢測實驗，是通過檢測H間接檢測C信號。橫坐標(biāo)F2代表采樣的H

NMR的化學(xué)位移，縱坐標(biāo)F1代表的是間接檢測的C

NMR的化學(xué)位移。相隔2-4個化學(xué)鍵相連的C、H原子就會在譜圖上出現(xiàn)交叉峰，即只要有交叉峰的出現(xiàn)，那么交叉峰所對應(yīng)的H、C原子是通過2-4個化學(xué)鍵相連的（4J相連的交叉峰很少出現(xiàn)）。

（四）1H檢測的異核多量子遠程相關(guān)譜HMBC44HMBC是heteronuclear

multipule

根據(jù)HMBC譜所給出的H、C之間的關(guān)系，結(jié)合HMQC和1H-1HCOSY等譜圖，我們就能夠解決C原子的連接順序問題，這樣我們就能基本上確定有機化合物的骨架結(jié)構(gòu)。HMBC的主要問題在于并不能夠確定相關(guān)峰是二鍵還是三鍵的耦合(四鍵偶合很少出現(xiàn))。HMBC可高靈敏度地檢測13C-1H遠程偶合，因此可得到有關(guān)季碳的結(jié)構(gòu)信息及其被雜原子或季碳切斷的偶合系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)信息。45根據(jù)HMBC譜所給出的H、C之間的關(guān)系，結(jié)合HMQC和1HC2,C3andC4:QuaternaryorprotonatedcarbonsX:O,NHMQC是通過異核多量子相干把1H核和與其直接相連的13C核關(guān)聯(lián)起來，HMBC則是通過異核多量子相干把1H核和遠程偶合的13C核關(guān)聯(lián)了起來。HMBC是突出表現(xiàn)相隔2個至3個鍵的碳氫之間的偶合，交叉峰為單峰。但由于技術(shù)上的原因，有時不能完全去掉直接相連的碳氫之間的偶合1JCH,交叉峰表現(xiàn)為雙峰或三峰，中心對應(yīng)δH，解析圖譜時要特別注意。46C2,C3andC4:Quaternaryorp789654312987623確定H2與C5間隔2-3個鍵1JCH-C=OH7與C6間隔2-3個鍵，在HHCOSY中，H7和H6有相關(guān)峰，則H7與C6間隔2個鍵。H7與C6間隔2個鍵，則與C5間隔3個鍵47789654312987623確定H2與C5間隔2-3個鍵13鍵偶合3鍵偶合若不直接相連，則烯H與苯C（或苯H與烯C)一般不會產(chǎn)生偶合交叉峰，因為間隔至少有4個鍵。Ar-C-CH=CH?483鍵偶合3鍵偶合若不直接相連，則烯H與苯C（或苯H與烯C)一HMQC49HMQC49HMBC50HMBC50五、二維NOE譜（一）二維NOESY二維NOE譜簡稱為NOESY，它反映了有機化合物結(jié)構(gòu)中H核與H核之間空間距離的關(guān)系，而與二者間相距多少根化學(xué)鍵無關(guān)。因此對確定有機化合物結(jié)構(gòu)、構(gòu)型和構(gòu)象以及生物大分