二维核磁共振谱

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一、13C检测的异核化学位移相关谱
COSY谱图中F2为13C化学位移,F1为 1H化学位移,没有对角峰,其交叉峰表明C-H相 连偶合的信息,季碳不出交叉峰。解析时,可以 从一已知的氢核信号,根据相关关系,即可找到 与之相连的13C信号,反之亦然。可以从谱图中 得到1JC-H的结构信息。
37
13C- 1H
38
2D 13C-1H COSY spectrum (1JCH correlations )
1’ 4 5’ 3 2’ 6 6’ 4’ 5 1 2
3’
13C
2a 2e C2,H2a C2,H2e
Baidu Nhomakorabea
1a
C5,H5 C2’,H2’ C4,H4 C4’,H4’ C3,H3 C6’,H6’ C6,H6
C1,H1a
180
CPD 90 t1
90
2D INADEQUATE谱图有两种形式,第一种形 式,F2轴是13C的化学位移,F1为双量子跃迁频率, 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。另一种形 式,F2轴F1轴都是13C的化学位移,相互偶合的碳 核作为一对双峰出现在对角线两侧对称的位臵上。 依此类推可以找出化合物中所有13C原子连接顺 序。
14
在同核1H,1H -2D J分解谱中,被测定的核为 1H核。
15
3
2
5
4
6
F1
-10
O H
3
C C
2
1
5
6
0
J (H )
Z
C CH 3
4
O H
CH 2
CH 3
10
δ
H
6
4
2
F2
反式丙烯酸乙酯的1H-1H同核二维J分解谱
16
1/2JHH
17
18
2位的a-H和e-H相互偶合, 裂分为双峰后进一步被3位 氢裂分而显示六重峰。同 样,3-H的a、e质子首先裂 分为双峰,再被邻位2-H和 4-H质子进一步裂分为十二 重峰,但由于有些峰相互 重叠,在2DJ分解谱中只 显示10个点。5位甲基没有 受到偶合,因此只在F1=0 轴上显示单峰。
1
第一节
基本原理
NMR一维谱的信号是一个频率的函数,共振 峰分布在一个频率轴(或磁场)上,可记为S(ω)。 二维谱信号是二个独立频率(或磁场)变量的函 数,记为S(ω1,ω2),共振信号分布在两个频率轴组成的 平面上。也就是说2D NMR将化学位移、偶合常数 等NMR参数在二维平面上展开,于是在一般一维谱 中重迭在一个坐标轴上的信号,被分散到由二个独 立的频率轴构成的平面上,使得图谱解析和寻找核 之间的相互作用更为容易。不同的二维NMR方法得 到的图谱不同,二个坐标轴所代表的参数也不同。
4 6
1/2JCH F1
(HZ) -100 O H 3 C CH 3 4 2 C C 1 O H CH 2 5 CH 3 6 0
100
δ C
150
100
50
F2
反式丙烯酸酯的13C,1H J分解2D谱。 F2轴为13C的化学位移。F1轴为1JCH偶合的多重峰。
21
10 7
5,6 2 3
9 8
1 6 5 4
H1 H2 H3 H4
—C1 —C2 —C3—C4 —
HMQC(异核多量子相干谱)的优点脉冲序列较 简单,参数设臵容易。反式检测氢维(f2)分辨 率较高,灵敏度较高。缺点碳维(f1)分辨率低.
41
90 d2
1H:
180 d2 180
90 d3
90 d2 90 90 t1 / 2
180 t1 / 2 d 2 90
二维核磁共振波谱法
二维核磁共振(2D NMR)方法是Jeener 于1971 年首先提出的,是一维谱衍生出来的新实验方法。 引入二维后, 不仅可将化学位移、偶合常数等 参数展开在二维平面上,减少了谱线的拥挤和 重叠, 而且通过提供的HH、CH、CC之间的偶合 作用以及空间的相互作用,确定它们之间的连 接关系和空间构型,有利于复杂化合物的谱图 解析,特别是应用于复杂的天然产物和生物大 分子的结构鉴定。2DNMR也是目前适用于研究 溶液中生物大分子构象的唯一技术。
5
4
3
2
1
F2
25
1
6
26
O HO 6 7 8 5 4 1 N H 3
H8 H7 H5
2 COOH
H3
H3
H7 H5
H8
27
-CH3
-CH -CH2 -CH2 -CH2
ArH
28
5,11 6 8 14 7 13 12
29
5H 5/H
2J偶合
30
二、碳、碳化学位移相关谱 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,采用一种天然丰度双量子相干 (INADEQUATE)技术进行测定。
F1
1e
C1,H1e
1’
1
C1’,H1’
F2
39
40
二、1H检测的异核多量子相关谱(HMQC) 常规的 13C检测的异核直接相关谱,灵敏 度低,样品的用量较大,测定时间较长。 HMQC (异核多量子相关谱)技术很好地克服 了上述缺点,HMQC实验是通过多量子相干, 检测1H信号而达到间接检测13C的一种方法
d2=1/2 1JCH
GARP
13C:
BIRD
Basic HMQC
HMQC是将1H信号的振幅及相位分别依13C化 学位移及1H间的同核化学偶合信息调制,并通 过直接检测调制后的1H信号,获得13C-1H化学 位移相关数据。它所提供的信息及谱图与1H13C COSY完全相同。图上F2坐标是1H的化学位 移, F1 是13C化学位移,直接相连的13C与1H将在 对应的13C化学位移与1H化学位移的交点处给出 相关信号。不能得到季碳的结构信息。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
F1
5
4
3
2
1
F2
12
四、二维谱的分类 二维谱可分为三类: • 1)J 分解谱 J 分解谱亦称J谱或者δ-J谱。它把化学位移和自 旋偶合的作用分辨开来,分别用F2、F1表示,包括 异核和同核J谱。 • 2)化学位移相关谱 化学位移相关谱也称δ-δ谱,它把不同自旋核的 共振信号相互关联起来,是二维谱的核心。包括同 核化学位移相关谱,异核化学位移相关谱, NOESY和化学交换谱。 • 3)多量子谱 用脉冲序列可以检测出多量子跃迁,得到多量子 二维谱 。
5
实验过程:
t1=t+nΔt
数据矩阵
数据矩阵对t2FT F1
数 据 矩 阵 对 t1FT
二维核磁共振谱
F2
6
用固定时间增量⊿t1依次递增t1进行系列实验, 反复叠加,因t2时间检测的信号S(t2)的振幅或相 位受到s(t1)的调制,则接收的信号不仅与t2有关, 还与t1有关。每改变一个t1,记录S(t2), 因此得到 分别以时间变量t1, t2为行列排列数据矩阵,即在 检测期获得一组FID信号,组成二维时间信号 S(t1,t2)。因t1,t2是两个独立时间变量,可以分别 对它们进行傅立叶变换,一次对t2,一次对t1,两次 傅立叶变换的结果,可以得到两个频率变量函数 S(ω1,ω2)的二维谱。
O
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。
CH3 ---四重峰(5-Me,1,1’ –Me, 10); CH2---三重峰(2,3,4); CH ---双重峰(7,8) 。
22
第三节
同核化学位移相关谱
一、氢、氢化学位移相关谱
(1H- 1H Correlation spectroscopy,1H- 1H COSY)
32
+2 +1 0 -1 -2
33
1
4
2
OH 3 5 4
3
5
6
7 6-7
7 6 5-6
2 1 HO
F1
4-5 2-3 3-4 1-2
F2
34
5,10 8,9 8,10 6,12 5,12 7,11
10,11 6,7
35
13C-13C
2D INADEQUATE spectrum of menthol F1 (13C) F2 (13C)
19
二、碳、氢异核二维J分解谱 在异核13C,1H -2D J分解谱中,被测定的核为 13C核,分解谱的F 轴为13C化学位移δ ,F 轴为1H 2 C 1 与13C的偶合(1JCH)多重峰,为1/2JCH。
出峰情况是CH为二重峰,CH2为三重峰,CH3为 四重峰,季碳单峰或不出峰。
20
1
3
2
5
2
一、1D-NMR到2D-NMR的技术变化 (一)一维核磁共振谱及脉冲序列 基本脉冲序列:
3
(二)二维核磁共振谱及基本脉冲序列 基本脉冲序列:
二维谱实验通常分为4个阶段:
d t1
演化期
tm
t2
检测期
1、预备期:预备期在时间轴上通常是一个较长 的时期,使核自旋体系回复到热平衡状态,
4
预备期
混合期
2、演化期: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。 t1=t+nΔt,逐步延长,其对应的核磁信号的相 位和幅值也就不相同。 3、混合期:由一组固定长度的脉冲和延迟组成。 在此期间通过相干或极化的传递,建立检测条件。 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) 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,它的初始相及幅度受到t1函数 的调制。 与t2轴对应的ω2(F2轴),通常是化学位移, 与t1轴对应的ω1(F1 轴)是什么,取决于二维谱 的类型。
9
β-紫罗兰酮
10
三、二维谱共振峰的名称 1.对角峰 它们处在坐标 F1=F2的对角线上。 对角峰在F1或F2上 的投影得到常规的 一维偶合谱或去偶 谱。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
1 2 3 4
5
F1
5
4
3
2
1
F2
11
2.交叉峰 交叉峰也称为相关峰,它们不在对角线上, 即坐标F1≠F2。交叉峰显示了具有相同偶合常 数的不同核之间的偶合(交叉)。 1 5 交叉峰有两组,分别出 2 3 4 现在对角线两侧,并以 对角线对称。这两组对 角峰和交叉峰可以组成 一个正方形,并且由此 来推测这两组核A和X 有偶合关系。
23
1H- 1H
COSY-900基本脉冲序列:
一般说来,在解析1H-1H COSY谱时,应 首先选择一个容易识别,有确切归属的质子,以 该质子为起点,通过确定各个质子间的偶合关系, 指定分子中全部或大部分质子的归属,这就是我 们通常所说的“从头开始”法。
24
1 2 3 4
5
F1
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
1H-1H-COSY是1H核和1H核之间的化学位 移相关谱。在通常的横轴和纵轴上均设定为1H 的化学位移值,两个坐标轴上则显示通常的 一维1H谱。 在该谱图中出现了两种峰,分别为对角峰及 相关峰。同一氢核信号将在对角线上相交, 相互偶合的两个/组氢核信号将在相关峰上 相交,一般反映的是 3J 偶合。
4
2
F1 (13C)
3,4
1 3,2 1 6,1 6 1,7 8,9 8,10 2 6
8
5 5,6 7 9 10
2,1
4,8 4,5
F2 (13C)
3 4
1
857 9
10
36
第三节 异核化学位移相关谱 所谓异核化学位移相关谱是两个不同 核的频率通过标量偶合建立起来的相关 谱.应用最广泛的是1H-13C COSY。
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。但是由于13C天然丰 度仅仅为1.1%,出现相连13C-13C偶合的 几率为0.01%,使1JC-C测试非常困难,信 号累加时间达两天,只在迫不得以才做。 两个偶合的13C核能产生双量子跃迁,跃迁 频率相等,孤立的碳则不能。
31
1H:
90
13C:
7
二、常用2D-NMR图谱的表现形式 1.堆积图 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。
8
2.等高线图 等高线图中最中心的圆圈表示峰的位臵, 圆圈的数目表示峰的强度。
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 广泛采用等高线图。 3. 投影图(一维谱) 堆积图在F1或F2方向上的投影,是一维谱形 式,可用来准确确定F1轴或F2轴上各谱峰的 化学位移值。
42
HMQC谱
43
O
A
O
B
44
9 7 6 8
O
5 1 2 3 4 6 7 8 9
13
第二节 二维J分解谱
二维J分解谱是将不同的NMR信号分解在两 个不同的轴上,使重叠在一起的一维谱的化学 位移δ和偶合常数J分解在平面两个坐标上,提 供了精确的偶合裂分关系,便于解析。二维J分 解谱分为同核和异核J分解谱。 一、氢、氢同核二维J分解谱 同核二维J分解谱将1HNMR中重迭密集的谱线 多重峰结构展开在一个二维平面上,可将偶合常 数3JHH(或2JHH)与化学位移分别在F1、F2二个轴 上给出。
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