第四章二维核磁共振谱

是一种旋转坐标系实验（自旋锁定实验），自旋锁定是把 COSY序列中的第二脉冲以及NOESY序列中最后两个脉冲 （包括混合时间），用一个长射频脉冲取代，把自旋沿着旋转 坐标系的一个锁定，在这种情况下不存在化学位移差，通过发 生标量偶合的磁化转移，导致了全部相关。TOCSY也有称之为 HOHAHA.可以提供自旋系统中偶合关联信息。
4.2.1同核化学位移相关谱
一。COSY(Correlated spectroscopy)

所谓的COSY系指同一自旋体系里质子之 间的偶合相关。1H-1H-COSY可以1H-1H之 间通过成键作用的相关信息，类似于一维 谱同核去偶，可提供全部1H-1H之间的关联。 因此1H-1H-COSY是归属谱线，推导结构及 确定结构的有力工具。
1。COSY－90。的基本脉冲序列包括两个基本脉
冲在此脉冲作用下，根据发展期t1的不同，自旋 体系的各个不同的跃迁之间产生磁化传递，通过 同核偶合建立同种核共振频率间连接图。此图的 二个轴都是1H的δ在ω1＝ω2的对角线上可以找 出一维1H谱相对应谱峰信号。通过交叉峰分别作 垂线及水平线与对角线相交，即可以找到相应偶 合的氢核。因此从一张同核位移相关谱可找出所 有偶合体系，即等于一整套双照射实验的谱图 。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
二维化学位移相关谱包括 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2D-

INADEQUATE。 2）通过空间：NOESY, ROESY。 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
相敏NOESY 与COSY类似，NOESY也适用于相敏 形式。在这种相敏谱上，分辨率高，容 易辨认信号峰，而且谱线比非相敏形式 的谱线狭窄，从而限制了假峰的产生， 有效增加了灵敏度。
phase-sensitive NOESY of strychnine.
N
N
O
O
四。TOCSY
TOCSY脉冲序列：
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). 堆积图的优点是直观,具有立体感.缺点是难 以确定吸收峰的频率。大峰后面可能隐藏 小峰，而且耗时较长。 (2)等高线（Contour plot） 等高线图类似于等高线地图，这种图的优点 是容易获得频率定量数据，作图快。缺点 是低强度的峰可能漏画。目前化学位移相 关谱广泛采用等高线。
2二维谱实验
A.原则上二维谱可以用概念上不同的三种实
验获得,(如图4.1),(1).频率域实验(frequencyfrequency) (2).混合时域(frequency-time)实 验(3). 时域(time-time)实验.它是获得二维谱 的主要方法,以两个独立的时间变量进行一系 列实验,得到S(t1,t2),经过两次傅立叶变换得 到二维谱S(ω1,ω2).通常所指的2D-NMR均是 时间域二维实验
图4.3 堆积图
等高线
4．二维谱峰的命名


（1）交叉峰（cross peak）:出现在 ω1≠ω2处，（即非对角线上）。从峰的位 置关系可以判断哪些峰之间有偶合关系， 从而得到哪些核之间有偶合关系，交叉峰 是二维谱中最有用的部分。 （2）对角峰（Auto peak）:位于对角线 （ω1＝ω2）上的峰，称为对角峰。对角峰 在F1和F2轴的投影。
但是由于13C天然丰度仅仅为1.1%，出现13C13C偶合的几率为0。01％，13C-13C偶合引起的
卫线通常离13C强峰只有20Hz左右，其强度又仅 仅是13C强峰的1/200，这种弱峰往往出现在强 13C峰的腋部，加上旋转边带，质子去偶不完全， 微量杂质的影响等因素，使1JC-C测试非常困难。 利用双量子跃迁的相位特性可以压住强线，突 出卫线求出JC-C,并根据Jc-c确定其相邻的碳。 一个碳原子最多可以有四个碳与之相连，利用 双量子跃迁二维技术测量偶合碳的双量子跃迁 的频率。13C-13C同核偶合构成二核体系 （AX,AB）两个偶合的13C核能产生双量子跃迁， 孤立的碳则不能。
谱图正负峰以不同的颜色表示（下图蓝色圆圈为正
峰，红色为负峰）。也可以用实心表示正峰，空心 表示负峰。 其交叉峰为纯吸收线形，对角线为色散型 从相敏COSY可以直接读出J值。这里需要辨认主动 偶合和被动偶合。所谓的主动偶合就是相关交叉峰 直接的偶合。其余为被动偶合。主动偶合的每一对 峰总是一正一负。被动偶合的交叉峰是相位相同 （同为正或同为负）
18 --> 11 --> 16 --> 15 --> 17 --> 13.
三。NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
核间磁化传递是通过非相干作用传递，这种传递是靠 交叉驰豫和化学交换来进行。即样品间偶极－偶极传递 的。它的基本脉冲是： π/2-t1-π/2-tm-π/2-ACQ NOESY的基本序列在COSY序列的基础上，加一个固 定延迟和第三脉冲，以检测NOE和化学交换的信息。混 合时间tm是NOESY实验的关键参数，tm的选择对检 测化学交换或NOESY效果有很大影响。选择合适的tm, 可在最后一个脉冲，产生最大的交换，或建立最大的 NOE. NOESY的谱图特征类似于COSY谱，一维谱中出现出 现NOE的两个核在二维谱显示交叉峰。NOESY可以在 一张谱图上描绘出分子之间的空间关系。
图4.1 2D-NMR 三种获得方式
B) 二维核磁共振时间分割
二维谱实验中，为确定所需的两个独立的时间变量，要用特
种技术－时间分割。即把整个时间按其物理意义分割成四个 区间。（如图所示） （1）预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期， 使核自旋体系回复对平衡状态，在预备期末加一个或多个射 频脉冲，以产生所需要的单量子或多量子相干。 （2）发展期：在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激 发，此时间系控制磁化强度运动，并根据各种不同的化学环 境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作出标识。 （3）混合期：在此期间通过相干或极化的传递，建立检测 条件。 4）检测期：在此期间检测作为t2函数的各种横向矢量的 FID的变化以及它的初始相及幅度受到t1函数的调制。
A
M
X
与COSY有关的实验自旋回波
COSY(SECSY),双量子相干谱（DQCCOSY）,同核接力相干谱（RCT）.有兴趣的 同学，可以阅读有关的书籍。
二.天然丰度的双量子13C谱 INDEQUATE (13C-13C-COSY)
这是二维碳骨架直接测定法，是确定碳原子连 接顺序的实验，一种双量子相干技术。是一种 13C-13C化学位移相关谱。在质子去偶的13C谱 中，除了13C信号外，还有比它弱200倍的13C13C偶合卫星峰，13C-13C偶合含有丰富的分子 结构和构型的信息。由于碳是组成分子骨架， 它更能直接反映化学键的特征与取代情况。
O
COSY of 2－丁烯酸乙酯
A
O
B
2。COSY-45 。
－t1-45 。 -ACQ. 在COSY-90的基础上，将第二脉冲改变成45 。 许多的天然产物的直接连接跃迁谱峰在对角 线附近，导致谱线相互重叠，不易解析。采 用COSY-45 。由于大大限制了多重峰内间接 跃迁，重点反映多重峰间的直接跃迁，减少 了平行跃迁间的磁化转移强度，即消除了对 角线附近的交叉峰，使对角线附近清晰。
COSY OF PBF
NOESY of PBFCOSYCodeine的NOESY
6,7
3
5
9
10
12 11
Codeine在高场放大的NOESY
11
18 16
14
17 17’
13
13’ 18’
Table of NOEs 8 - 7, 12 7 - 18, 18' 3 - 5, 10 5 - 11, 16, 18' 9 - 10, 17, 17' 10 - 16 11 - 18, 16, 14, 18' 18 - 13, 18' 16 - 14, 17 13 - 14, 17, 17' 13' - 17, 17' 17 - 17‘
hm
ed
cd bc fh
hk
ci
c fe d e f k
i b a h m
ab af
e
H f h
a OH k
b
C
d
OH
i
m
它只有一个双量子跃迁，其频率正比于两个偶
合的13C核的化学位移之和的平均值。所以如果 两个碳具有相同的双量子跃迁频率，即可以判 断，它们是相邻。 在INADEQUATE谱图中F1与F2分别代表双量子 跃迁频率和13C的卫线，依次代表双量子和单量 子跃迁频率。谱图中一个轴是13C的化学位移， 一个为双量子跃迁频率，其频率正比于两个偶 合的13C核的化学位移之和的平均值。因此谱图 中F1=2F2的斜线两侧对称分布着两个相连的13C 原子信号，表示碳偶合对的单量子平均频率与 双量子频率间的关系，水平连线表明一对偶合 碳具有相同的双量子跃迁频率，可以判断它们 是直接相连的碳。依此类推可以找出化合物中 所有13C原子连接顺序。
二维核磁共振谱
Two dimension nuclear magnetic resonance, 2D－NMR
2D－NMR
1971年Jeener 首先提出 2D－NMR 思想:
具有两个时间变量的nmr 1976年 Ernst小组成功实现了2D－NMR实验后，确 定了二维核磁共振的理论基础 20世纪80年代：2D－NMR加速发展 用途： 解析复杂有机分子最有力的工具；溶液中分 子的三维空间结构的测定；分子动态过程的研究： 多维NMR技术：研究生物大分子（蛋白质、核酸等） 最有效的方法