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1、二维核磁共振谱Two dimension nuclear magnetic resonance, 2DNMR傅南雁2DNMR1971年Jeener 首先提出 2DNMR 思想:具有两个时间变量的nmr1976年 Ernst小组成功实现了2DNMR实验后，确 定了二维核磁共振的理论基础20世纪80年代：2DNMR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 ）最有效的方法二维核磁共振谱的特点将化学位移、偶合常数等核磁共振参数展开 在二维平面上，这样在一维谱中重叠在一个 频率坐标轴上的信号分别在两
2、个独立的频率 坐标轴上展开，减少了谱线的拥挤和重叠， 提供了自旋核之间相互作用的新信息,获得 更多的信息 相干转移谱和极化转移谱基于耦合的相关转移谱：核自旋间的J耦合（ 通过原子核间化学键电子的间接作用而发生 的耦合，又称间接耦合），与横向磁化强度 相联系基于动力学过程的极化转移谱：D耦合（不 需要经过介质的空间相互作用，又称直接耦 合或偶极偶极耦合），与纵向磁化强度相联 系二维核磁共振实验一维谱：一个脉冲频率（一个频率）的函数，一个变量，二维谱：两个独立的变量，nmr信号受这两个变量的影响两个时间变量t1 t2_函数S（t1 ,t2）两次Fourier变换以两个频率为函数的2D-nmr谱二维
3、NMR实验：通过特殊的脉冲序列来获得自旋核之间各种 信息的。二维NMR实验的脉冲序列：一般由四个区域组成：预备期 D1（preparation）,演化期t1(evolution),混合期tm和检测期t2二维NMR实验的关键：是引入了第二个时间变量演化期t1二维谱学原理：省略二维谱的表示方式堆积图等高线图断面图投影图堆积图和等高线图（a）堆积图（b）等高线图等高线图的习惯表示横坐标F2维对应真实采样的t2维纵坐标F1维对应间接采样的t1维二维实验的脉冲序列二维实验的脉冲序列预备期（D1） 使自旋体系恢复Boltzmann分布，而处于初始热平衡状态。理论 上应取D15T1（T1为纵向弛豫时间），但
4、为节省时间，实验中一般取D1 =(2 3)T1。演化期（t1） 在预备期末，施加一个或多个90脉冲，使系统建立共振非平衡状 态。演化时间t1是以某固定增量t1为单位，逐步延迟t1。每增加一个t1，其对应 的核磁信号的相位和幅值不同。因此，由t1逐步延迟增量t1可得到二维实验中的 另一维信号，即F1域的时间函数。混合期（m） 由一组固定长度的脉冲和延迟组成。在混合期自旋核间通过相干 转移，使t1期间存在的信息直接影响检测期信号的相位和幅值。根据二维实验所 提供的信息不同，也可以不设混合期。检测期（t2） 在检测期t2期间采集的FID信号是F2域的时间函数，所对应的轴通 常是一维核磁共振谱中的频率
5、轴，即表示化学位移的轴。但检测期t2期间采集的 FID信号都是演化期t1的函数，核进动的磁化矢量具有不同的化学位移和自旋偶 合常数，其FID信号是这些因素的相位调制的结果。因此，通过控制时间长度可 使某期间仅表现化学位移的相位调制，而某期间又仅表现自旋耦合的相位调制， 通过施加不同的调制就产生了各种不同的二维核磁共振谱。二维实验的脉冲序列二维实验中的参数设置参数表实验参数的设定F2维中的参数设定参照一维方法进行，采样点数少于一维的，因此二维 实验的数字分辨率比一维实验低得多F1维的采样数要少于F2维，这是基于实验时间的考虑二维实验时间 =（等待时间+脉冲序列作用时间+F2维采样时间）x F1维
6、 采样点数 x 累加次数F2维采样时间 = F2维采样点数 /（2 x 谱宽），但等待时间远远大于F2 维采样时间二维谱上的精细结构的辨认主要靠F2维的分辨F1维由于不进行真实采样，没有接收机增益的参数F2维采用正交的检测方式，F1维有正交复数检测和单通道实数检测两种 方式，应与Fourier变换方式相对应处理参数的设定由于F1维采样点的增加从测谱时间上考虑有困难，因此采用 零充填的方法使变换点大于采样点，提高数字分辨率，但是 不能提高谱峰的分辨率，通常信号会出现谱峰拖长的现象利用窗函数进行变迹处理：相移的正弦钟函数、高斯函数或 平方正弦钟函数利用正弦钟函数对截尾严重的FID进行修饰，可以消除
7、由于 截尾时的高频截断造成的震荡尾波F1维的间接采样方式有实数型和复数型两种，F1维的 Fourier变换方式应与采样方式相适应二维Fourier变换应先变换t2维然后再变换t1维，顺序不可颠 倒显示方式分为绝对值显示和相敏显示两种，绝对值显示的峰 有好的信噪比，相敏显示有高的分辨率二维谱中的基线调整十分重要二维核磁共振谱的基本理论同核二维谱实验异核二维谱实验例题与练习常用的5种二维同核实验COSYDQF-COSYTOESYNOESYROESYCOSY实验COSY实验是最简单的二维实验，用途最为广泛， 脉冲序列由两个90o脉冲组成脉冲序列：90o-t1- 90o-t2两个时域长度由各维的采样点
8、数和谱宽决定采样点间隔在谱宽确定以后依照Nyquist采样定律确 定t1维中，采样间隔表示为t1，又称t1增量，也受 Nyquist采样定律制约，由F1维的谱宽决定杂峰与杂峰的消除轴峰：沿F1维出现在参考频率为零处，与演化期间因纵向弛 豫而产生的纵向磁化强度有关。因为演化期的纵向弛豫不可 避免，因此轴峰必然存在t1噪声峰：沿F1维出现的杂峰，可由许多复杂因素引起，例 如宏观退磁场效应和饱和效应等镜像峰：关于中心频率对称的峰，二维镜像峰是复数Fourier 变换所固有的消除或降低其强度的方法：相位循环（例如，COSY实验的 完整相位循环至少包括4次实验，因此累加次数就是4的倍数 ）DQF-COS
9、Y实验脉冲序列采用三个90o脉冲： 90o-t1- 90o - 90o t2目的是为了降低对角峰的强度，从而使位于 对角峰附近的交叉峰较易辨认TOCSY（全相关谱）实验TOCSY可以将每一个耦合网络用一个方格网 连接起来脉冲序列为一个90o脉冲加上一串自旋锁定功 能的组合脉冲： 90o-t1- 自旋锁定-t2旋转坐标系实验（有自旋锁定过程，如 TOCSY和ROESY）和实验室坐标系实验（ 无自旋锁定过程，如COSY、DQF-COSY和 NOESY）NOESY实验NOESY实验是探测核间空间距离的实验，依 据的是核之间与距离6次方呈反比的 Overhauser作用脉冲序列为三个90o脉冲：90o
10、-t1- 90o tm- 90o t2混合时间tm应该根据核的弛豫时间而定J干扰峰的消除ROESY（旋转坐标系中的 NOESY）实验脉冲序列： 90o-t1- 自旋锁定-t2脉冲序列与TOCSY中所示的序列完全相同， 但是用于自旋锁定的组合脉冲是不相同的， 锁定功率和锁定时间也有较大的区别ROESY也不可避免地受到J耦合的干扰，而 且难以用一般的方法予以消除异核二维NMR谱简介异核二维NMR谱主要指的是检测1H而同时间 接观测13C、15N等核的逆检测二维相关谱记录不灵敏核FID的HECSY实验已被淘汰直接观测灵敏核的FID，通过核间耦合间接地 观测不灵敏核的化学位移异核实验目前遇到最多的是1
11、3C-1H耦合系统 ，此外15N-1H，29Si-1H系统也得到了广泛的 应用常用的3种二维异核实验HMQCHMBCHSQCHMQC（异核多量子相关谱）实验HMQC实验是通过检测1H信号而达到间接检测13C或15N信号 的一种方法是成功率最高的异核相关实验，正逐步取代一维的不灵敏核 检测1H-13C HMQC实验检测的就是1H谱中的13C的卫星峰当样品为天然丰度时，与12C或14N相连的1H主峰需要在实验 中用合适的方法滤去在4脉冲HMQC实验中，滤去1H主峰是通过相位循环完成的 ，一般效率很高当样品浓度极低时，需要借助BIRD序列增强滤波功能HMQC脉冲序列双线性旋转去耦（bilinear
12、rotation decoupling, BIRD ）HMBC（异核多重键相关谱）实验HMQC的严重缺陷：无法判定季碳的化学位移，需要通过长 程耦合来辨认归属HMBC实验的脉冲序列是以HMQC实验为基础，本质上说是 借助较小耦合常数完成的HMQC实验由于长程耦合常数之间的差值与耦合常数本身之比很大，旋 进过程中带来的误差就很大，给调整相位带来了很大的困难 ，因此一般显示为绝对值谱与HMQC实验相比，HMBC实验的信噪比要低很多，沿F1走 向的t1噪声峰特别强（可通过数学的方法消除）HMBC谱中一个氢峰可以和多个碳峰相关，主要用于解决四 级碳信号的问题HMBC的脉冲序列HSQC（异核单量子相关谱
13、）实验在外形上与HMQC完全相同各项参数要求颇高，当参数不是很完美时， 很容易形成相位难调的情况在F1维的分辨率要比HMQC高，在三维NMR 中得到比HMQC实验广得多的应用HSQC的脉冲序列二维核磁共振谱的解析（一）某化合物的分子式为C6H10O，请根据下列各谱（图4-习2）推断结构1234561234561112223334 44 444555666二维核磁共振谱的解析（二）某化合物的分子式为C4H8NO2Cl，请根据下列各谱（图4-习3）推断结构1111222233334444二维核磁共振谱的解析（三）某化合物分子式为C6H12O，根据氢谱和H,HCOSY谱（图4-习4）推断结构71122334455667二维核磁共振谱的解析（四）某酸类化合物的分子式为C7H13NO3，根据H,HCOSY和C,HCOSY谱（图4-习5） 推断可能的结构（溶剂：CD3OD）7122334 5674776 5 34233567
