lecture 5---二维谱COSY

Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
非对角线峰表明两种质子之间存在耦合。
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
Correlation Spectroscopy (COSY)--off-diagonal peaks
时间。因此，在进行二维化学位移相关实验前，应根据一维实验的结果合理确定数据
采集范围，以节省实验时间；尤其在进行高分辨二维化学位移相关实验时更为必要， 可在一定实验时间内获得更高的图谱分辨率。
二维核磁原理
二维核磁原理
横轴代表2轴，纵轴代表其它频率1轴。
二维核磁原理
分为三大类:
1.J分辨谱 亦称为J谱，把化学位移和自旋偶合的作用分辨开
来。2. 化学位移相关谱（Chemical shift correlation spectroscopy） 是2DNMR的核心，它表明共振信号的相关性。 有三种位移相关谱：同核，异核，NOE和化学交换等相关 谱。3. 多量子谱（multiple quantum spectroscopy） Δm>1的整
acquisition period.
Correlation Spectroscopy (COSY)
Correlation Spectroscopy (COSY)
Relay-COSY
AMX： A Nuclei is coupled only to M and X nuclei is coupled only to M JAX=0 A nuclei will exchange magnetization only with M; X nuclei will exchange magnetization only with M. cross peak between A and X （mediated by the M nuclei）
COSY of Other Nucleis
化学位移相关图谱中交叉峰信号的强度
在二维化学位移相关图谱中，有时一些预期的交叉峰可能不出现或信
号强度很低。一般情况下，信号强度的准确判断比较困难，但是对以下两 个因素必须特别注意。第一，如果一个自旋核（质子）与其它多个自旋核
同时偶合，在一维图谱中，该自旋核的每个信号峰强度通常较低；在二维
理论上可给出被杂原子或季碳隔离的结构片段上每个质子与其它所有质
子间的交叉峰信号，能够有效的确定连续质子化的结构片段，因此主要 用于肽类和寡糖结构单元的分析鉴定。
Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)
Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)
6b
6a
5b 21b
Phase-Sensitive Spectra
Phase-Sensitive COSY
相敏COSY谱由于在数据处理中消除了通常与回波和反回波
相关的不需要的相扭曲线形和色散成分信号，只给出吸收
型信号，在提高灵敏度的同时，不但能够明显有效地改善 信号密集重叠区交叉峰的分辨率，而且提供了测定重叠区 内各信号化学位移和偶合常数的方法。
混合期(mixing)：在演化期完成之后，可以选择测定已演化的磁化矢量，
混合期有可能不存在，它不是必不可少的。
检测期(acquisition)（t2）：在检测期内以通常方式检出FID信息。 与t2轴对应的2 是通常的频率轴，与t1轴对应的1是什么，则决定于在 演化期是何种过程。
二维核磁原理
evolution
X－X COSY X－X INADEQUATE
1H－1H
NOE差谱 一维、二维NOESY、ROESY
常见二维核磁的功能
二维核磁原理
2D NMR is a domain of FT and pulsed spectroscopy
+
1D + 1D = 2D
90ºpulse
2D detect signals twice (before/after coupling)
常见二维核磁的功能
1H－1H
1H－1H 1H－X 1H－X
CO百度文库Y
TOCSY
2键或3键质子耦合
具有连续的键合联系的质子耦合
HMQC，HSQC
HMBC
通过质子观察1键异核耦合
通过质子观察2或3键异核耦合，多用于13C 天然丰度大于20％的杂核之间的1键耦合 低天然丰度的杂核之间的1键耦合 空间上接近质子之间的耦合
Correlation Spectroscopy (COSY)---What do we want
目标：揭示自旋－自旋耦合
AX自旋耦合体系
Correlation Spectroscopy (COSY)
揭示自旋－自旋耦合
Correlation Spectroscopy (COSY)---How It works
Phase-Sensitive COSY
Double Quantum Filtered COSY( DQF-COSY)
外观与1H-1HCOSY谱基本相同。但有优点如下：
1. 抑制了溶剂峰的强峰；
2. 交叉峰和对角线峰均为吸收峰型，峰型有了极大的改善； 3. 分辨率更高。
The third pulse converts part of the multiplequantum coherence into observable singlequantum coherence, which is detected during the
二维核磁
超复杂的一维核磁的解读－－－二维核磁
1H
NMR Spectrum of Ubiquitin
二维核磁原理
Father of 2D NMR: Jeener, Belgium Main Developers: RR Ernst， (Switzerland), R Freeman (UK, Oxford)
Correlation Spectroscopy (COSY)
X分量的强度
A(t1) = Ao * cos(wo * t1 )
A(t1) t1 t1 wo f2 (t2)
频率f2 来自于对t2的傅立叶变换
多个不同的t1形成一个类似FID的规律 频率f1 来自于对t1的傅立叶变换
Correlation Spectroscopy (COSY)---See it?
t1
evolution t1
evolution t1
The ‘basic’ 2D spectrum would involve repeating a multiple pulse 1D
sequence with a systematic variation of the delay time t1, and then plotting everything stacked.
何调控，比如来源于自旋核之间的偶合相互作用，以“交叉峰”的形式
出现在对角线的两侧。
Correlation Spectroscopy (COSY)---Contour Plot
cross-peak
contour plot
谱图特征是对角线上的峰对应一 维1H谱，对角线外的交叉峰在F1 和F2域的δ值对应相偶合核的化学 位移，提供通过三键偶合的1H-H 相关信息。每个交叉峰做平行于 F1和F2轴的纵线和水平线，得到 两个相互偶合核的化学位移。通 过交叉峰可以建立各相互偶合1H 的关联。
二维化学位移相关实验中的分辨率
由于在二维化学位移相关实验中，只需要观察自旋体系中自旋核之间的偶合关
系，从而建立它们之间的连接关系，通常并不需要对每个信号的细微结果进行分析。
尽管高分辨的二维化学位移实验能够给出偶合的多重峰的精细结构，但是需要很长的 实验时间，同时得到的精细信息可以通过简单的一维实验得到。因此在二维化学位移 相关实验中，并不需要很高的分辨率。 在二维化学位移相关实验中，最常见的一种不必要的实验时间浪费是在全谱范 围进行化学位移相关测定，因为在很多情况下，图谱的较低磁场区域的信号较少或无 信号，比如甾体和三萜化合物，大多数质子偶合出现在0-5 ppm之间；如果在0-10 ppm范围进行二维化学位移相关实验测定，将有大量的实验时间花费在不可能存在相 关信号的5-10 ppm范围的数据采集上；同样，对于一些芳香化合物，偶合相关通常出 现在6-9 ppm之间，因此，高磁场区域进行数据采集得不到任何信息，只是浪费实验
Same as 1D experiment
Transfers between coupled spins
二维核磁原理
准备期(preparation)：主要任务使核处于热平衡状态或者在一次采样之 后使自旋恢复到平衡状态。 演化期(evolution)：准备期建立起来的平衡态破坏之后核自旋在旋转坐
标XY平面发生进动。进动的过程一般称为演化。t1是变化的。
Relay-COSY
除能够提供常规COSY 谱的偕位和邻位质子偶合相关交叉峰信号外，还能 给出间位或四键质子间的交叉峰信号，与常规COSY谱联合比较分析可以
得到更多的结构信息。
Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)
Homonuclear proton correlation within the same spin system.
数，用脉冲序列可检出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维
谱。
Correlation Spectroscopy (COSY)
The first pulse creates transverse magnetization components which evolve chemical shift and homonuclear J-coupling during the evolution period t1. The second pulse mixes the magnetization components among all the transitions that belong to the same coupled spin systems.
t1 t2
time - time
f2
t1
time - frequency
frequency - frequency
f2 f1
Correlation Spectroscopy (COSY)---See it?
由一个频率轴（化学位移）确定的一维图谱已经转换成了二维图谱，其 中两个频率轴1和2均与化学位移相对应，不同质子在它们各自的进动 频率处（，）出现信号峰。不难想象，在频率域中二维图谱的信号峰 出现在正方形的对角线（，）上，化学位移较大的信号分布在二维图 谱对角线的左下方，化学位移较小的信号分布在右上方。信号大小的任
化学位移相关实验中，由于混合脉冲使自旋核的磁化矢量在与其偶合的其 它自旋核的过度能态中重新分布，致使与具有复杂结构的多重峰相关的交
叉峰信号强度显著降低。因此，这种自旋体系中虽然存在大的偶合，但不
一定能够得到强的交叉峰信号。但是在实验中可以通过选择缩短数据采集 时间，突出大偶合交叉峰信号强度。如果知道准确的偶合常数，也可以通 过特殊的滤波技术，得到丢失的交叉峰信号。第二，如果与1/JAX比较，横 向迟豫时间非常短，使磁化转移无法形成，从而降低交叉峰信号强度。