二维核磁共振谱(精简2)

二维核磁共振谱概述什么是二维核磁共振谱？一维核磁共振谱：时域信号（FID信号）FT频域谱（峰强度vs频率）二维核磁共振谱：是有两个时间变量，经两次傅利叶变换得到的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时间变量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。10/24/2023110/24/2023210/24/20233间接探测期直接探测期预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实验前的体系回复到平衡状态。在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期的时间t1是变化的在混合期建立信号检出的条件。以通常方式检出FID信号。10/24/20234二维核磁共振时间轴

预备期→发展期→混合期→检出期预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实验前的体系能回复到平衡状态。发展期（t1）：在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期的时间t1是变化的。混合期（tm）：在这个时期建立信号检出的条件。混合期有可能不存在，它不是必不可少的（视二维谱的种类而定）。检出期（t2）：在检出期内以通常方式检出FID信号。10/24/202351D2D2D谱比1D谱谱峰分辨能力更强可在两维巧妙地设计某些物理量以考察它们的相关性或连接关系2signalsoverlapped2crosspeaksresolved位移相关谱10/24/20236交叉峰或相关峰对角峰或自相关峰交叉峰或相关峰对角峰或自相关峰10/24/20237二维谱的分类J分解谱

JResolvedSpectroscopy,d-J谱同核(homonuclear),异核(heteronuclear)化学位移相关谱

ChemicalShiftCorrelationSpectroscopy,d-d谱同核偶合,异核偶合,NOE和化学交换多量子谱

MultipleQuantumSpectroscopy10/24/20238AcronymsForBasicExperiments

DifferOnlyByTheNatureOfMixing

10/24/20239二维谱的表现方式

堆积图

Stackedtraceplot

等高线图

Contourplot

截面图

Section

投影图

Projection10/24/202310堆积图等高线图等高线图中最中心的圆圈表示峰的位置，圆圈的数目表示峰的强度。把堆积图用平行于F1和F2域的平面进行平切后所得。10/24/202311截面图等高线图投影图从2D图中取出某一个谱峰（F1或F2）所对应相关峰的1D断面图，对检测一些弱小的相关峰很有用。是1D谱形式，相当于宽带质子去偶氢谱，可准确确定各谱峰的化学位移值。10/24/202312

J分解谱1.同核J分解谱

一维谱中谱峰往往严重重叠，造成谱线裂分不能清楚分辨，耦合常数不易读出。在二维J分解谱中，只要化学位移

略有差别，峰组的重叠就有可能避免，从而解决一维谱谱峰重叠的问题。10/24/202313谱信息:(弱偶合体系)≥10时为弱偶合，一级图谱。

w2:全去偶谱→化学位移dH，转动前化学位移与耦合常数同时出现。w1:谱线多重性→偶合常数JHH，峰组的峰数一目了然。若为强偶合体系，其同核J谱的表现形式将比较复杂。同核J分解谱AX体系10/24/202314

A

X

2

1JAX体系J谱

A

X

2

1JAX2体系J谱同核J分解谱10/24/202315同核J分辨谱：AX3体系J谱10/24/202316应用:拓普霉素六元环上的取代基是平伏键或直立键Jaa>Jae

≥Jee1D1H谱裂分不清楚J值不易求出10/24/202317同核J分解谱化学位移

J偶合10/24/202318丙烯酸丁酯的同核J分解谱10/24/2023192.异核J分解谱谱信息:w2:全去偶谱

→化学位移dCw1:谱线裂分

→偶合常数JCH（直接相连的氢原子耦合裂分产生）CH3---四重峰，CH2---三重峰，CH---双重峰。由于DEPT等测定碳原子级数的方法能代替异核J谱，且检测速度快，操作方便，因此异核J谱较少应用。10/24/2023202DC-HJ分解谱CH3---四重峰（5-Me，1,1’–Me,10);CH2---三重峰(2,3,4);CH---双重峰(7,8)。10/24/202321交叉峰或相关峰对角峰或自相关峰交叉峰或相关峰对角峰或自相关峰位移相关谱对角峰（diagonalpeaks,

自相关峰）:对角线上的峰，它们和氢谱的峰组一一对应，不提供耦合信息。交叉峰（crosspeaks，相关峰）：对角线外的峰，反映2个峰组间的耦合关系，主要反映3J偶合关系。F1、F2两维坐标均表示化学位移。10/24/202322同核位移相关谱1.1H-1HCOSY简化多重峰，直观地给出耦合关系。解谱方法：以任一交叉峰为出发点，可以确定相应的2组峰组的耦合关系而不必考虑氢谱中的裂分峰形。交叉峰是沿对角线对称分布的，因而只分析对角线一侧的交叉峰即可。一般反应3J耦合关系，远程耦合较弱，不产生交叉峰。当3J较小时（如两面角接近90o）也可能无交叉峰。

最常用的位移相关谱。

1H-1HCOSY实验相当于做一系列连续选择性去耦实验去求得耦合关系，用以确定质子之间的连接顺序。10/24/202323C=C-O-CH2-CH2-CH2-CH3HHH1234567

1234567475623110/24/202324654321Problem1.Theschematic1HCOSYspectrumof2-hexanoneisgivenbelow.UsingtheCOSYspectrum,assignthe1HNMRresonancesof2-hexanone,i.e.establishwhichresonancebelongstowhichspecificHsiteinthemolecule.3164510/24/202325谷氨酸的COSY90o等高线图F2域及F1域皆为1D-1H-NMR2位H与3位H3位H与4位H先用化学位移判断，后用交叉峰验证。10/24/2023266COSY-45（-COSY）减小COSY脉冲序列中第二个脉冲的宽度，使脉冲角度为度，较多使用45。优点：（1）对角线峰沿对角线的宽度降低，有利于发现强耦合体系之间的相关峰；（2）从COSY-45可判别耦合常数的符号。10/24/202327AMXCOSY-90COSY-45XMA谱中任意一个交叉峰含两个紧靠的矩形（它们共同形成一个交叉峰），通过稍下的矩形中心往稍上的矩形中心连线，可得到一倾斜的箭头。箭头指向左上为正，箭头指向右上为负。2，3-二溴丙酸通常通过偶数键偶合的偶合常数J为负值，通过奇数键偶合的偶合常数J为正值。10/24/202328化合物A的COSY45o谱，对角线峰显著简化，谱峰清晰。由交叉峰所显示的倾斜度识别出只有1、2位存在同碳氢耦合，其余为邻碳氢耦合。10/24/202329HD-COSY谱(F1域宽带质子去耦COSY谱，HomonuclearDecouplingCOSY)，即BroadbandprotondecoupledCOSY)在F1域实现质子宽带去耦，使交叉峰强度增加而提高了F1域的分辨率，但F2域不去耦，仍保留着JHH耦合，因此HD-COSY谱不像COSY90o谱那样是矩形点阵，而是细条状的峰形。HD-COSY谱的F1域和F2域都是化学位移，解析方法与常规COSY谱相同。10/24/2023302，3-二溴丙酸的HD-COSY谱与COSY45o和90o谱比较，HD-COSY谱呈现出F2域峰宽（保留JHH耦合），F1域峰窄(宽带去耦）的细条状谱峰。10/24/202331三环癸烷衍生物的HD-COSY谱F2域峰宽（保留JHH耦合），F1域峰窄(宽带质子去耦），化学位移定标不同造成对角峰反转，交叉峰由于F1域去耦而变窄，使其覆盖面变小，有利于图谱解析，可以清楚地显示出HJ与HI、HH、HD、HC、HA的耦合。10/24/202332异核位移相关谱H-CCOSY(HETCOR)

COSY:COrrelated

SpectroscopY通过JCH建立相关关系谱信息:w1:１H-１H偶合氢谱w2:全去偶碳谱10/24/202333异核位移相关谱C-HCOSY是13C和1H核之间的位移相关谱。它反映了13C和1H核之间的关系。它又分为直接相关谱和远程相关谱，直接相关谱是把直接相连的13C和1H核关联起来，没有对角峰，矩形中出现的峰称皆为相关峰或交叉峰。每个相关峰把直接相连的碳谱谱线和氢谱峰组关联起来。季碳原子因不连氢而没有相关峰。如一碳原子上连有两个化学位移值不等的氢核，则该碳谱谱线对着两个相关峰。因此，这样的碳一定是CH2。H,C-COSY结合氢谱的积分值，每个碳原子的级数（CH3，CH2，CH，C）都能确定。远程相关谱是将相隔两至四根化学键的13C和1H核关联起来，甚至能跨越季碳、杂原子等，交叉峰或相关峰比直接相关谱中多得多，因而对于帮助推测和确定化合物的结构非常有用。10/24/202334异核位移相关谱

---------测试技术上有两种方法

对异核（非氢核）进行采样，这在以前是常用的方法，是正相实验，所测得的图谱称为“C，HCOSY”或长程“C，HCOSY”、COLOC。因是对异核进行采样，故灵敏度低，要想得到较好的信噪比必须加入较多的样品，累加较长的时间。对氢核进行采样，这种方法是目前常用的方法，为反相实验，所得的图谱为HMQC、HSQC或HMBC谱。由于是对氢核采样，故对减少样品用量和缩短累加时间很有效果。HMQC、HSQC反映的是

1JCH耦合，HMBC谱和COLOC则对应于长程耦合nJCH。10/24/202335Problem3The1HNMRspectrumof2,3-dihydrofuran(F)showsresonancesat2.6,4.2,4.9,6.2PPM.GivenbelowisaschematicrepresentationoftheCOSYspectrumof(F).The13Cspectrumof(F)containsresonancesat28.5,68.6,98.4and145.0PPM.ExplainhowyoucouldusetheCOSYandtheC-Hcorrelationspectrumtoassignthe1Hand13Cspectra(i.e.establishwhich13Cand1Hspectrumbelongstowhichspecificsiteinthemolecule.)

12343142

132410/24/2023361H化学位移13C化学位移C，HCOSY谱10/24/20233713C化学位移1H化学位移24610/24/2023382,3-二溴代丙酸F1域宽带去耦C,HCOSY谱(a)与常规C,HCOSY谱(b)比较c,d为平行于F1域取出的CH2和CH的2张投影图，可以看出投影图(c)中CH2和CH之间的3JHH耦合已消除，但本身的偕氢2JHH耦合仍然保留，信号强度和分辨率提高。10/24/202339COLOC谱（远程C-HCOSY）远程相关谱将相隔两至四根化学键的13C和1H核关联起来，甚至能跨越季碳、杂原子等，交叉峰或相关峰比直接相关谱中多得多