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1、二维核磁二维核磁肘喘恰庶县聋挤畦攻蹄雾诫宰鹰帝浪如组鸵日土菌鹃安嗜避年之究浮篡寻lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY超复杂的一维核磁的解读二维核磁超复杂的一维核磁的解读二维核磁1H NMR Spectrum of Ubiquitin俘街圭颁怜智聊拉沏句顷震橡氯稼连拇闻撂征揽仿性厅渊寥躬乔毕掀回李lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY二维核磁原理二维核磁原理Fatherof2DNMR:Jeener,BelgiumMainDevelopers:RRErnst，(Switzerland),RFreeman(UK,Oxford)田佣龋泰嗡脊亲狈滴牡
2、盯仪擅靳擞软悦升饰掘苛熟暇型掠喉渤殊治歉碎蓝lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY常见二维核磁的功能常见二维核磁的功能1 1H H1 1H COSYH COSY2 2键或键或3 3键质子耦合键质子耦合1 1H H1 1H TOCSYH TOCSY具有连续的键合联系的质子耦合具有连续的键合联系的质子耦合1 1H HX HMQCX HMQC，HSQCHSQC通过质子观察通过质子观察1 1键异核耦合键异核耦合1 1H HX HMBCX HMBC通过质子观察通过质子观察2 2或或3 3键异核耦合，多用于键异核耦合，多用于1313C CX XX COSYX COSY天然丰度大于
3、天然丰度大于2020的杂核之间的的杂核之间的1 1键耦合键耦合X XX INADEQUATEX INADEQUATE低天然丰度的杂核之间的低天然丰度的杂核之间的1 1键耦合键耦合1 1H H1 1H NOEH NOE差谱差谱一维、二维一维、二维NOESYNOESY、ROESYROESY空间上接近质子之间的耦合空间上接近质子之间的耦合研镜榨寝崔秧鲸染膨卯混豌跳鞍荧汾杖只重徘仲巳攫紧一祟缓眨无摹比巍lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY常见二维核磁的功能常见二维核磁的功能露御蠢菌溅粪纯抉黔悔缆歼鸣沤逞坑砚宅制弦早枚澈丈晦栗蛋谦缘掳效宇lecture5-二维谱COSYlec
4、ture5-二维谱COSY二维核磁原理二维核磁原理2D NMR is a domain of FT and pulsed spectroscopy+1D+1D=2D2D detect signals twice(before/after coupling)Same as 1D experiment90 pulseTransfers betweencoupled spins溯亚慷哟借肃萤瞥蔼叭赐类达哥遮甜肄攀裂宝未坡瞒鬼晒躲蔡檀拱辉爱烘lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY准备期准备期(preparation)(preparation)：主要任务使核处于热平衡状态或者在
5、一次采样：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。之后使自旋恢复到平衡状态。演化期演化期(evolution)(evolution)：准备期建立起来的平衡态破坏之后核自旋在旋转：准备期建立起来的平衡态破坏之后核自旋在旋转坐标坐标XYXY平面发生进动。进动的过程一般称为演化。平面发生进动。进动的过程一般称为演化。t t1 1是变化的。是变化的。混合期混合期(mixing)(mixing)：在演化期完成之后，可以选择测定已演化的磁化矢：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。量，混合期有可能不存在，它不是必不可少的。检测期检测
6、期(acquisition)(acquisition)（t t2 2）：在检测期内以通常方式检出）：在检测期内以通常方式检出FIDFID信息。信息。与与t t2 2轴对应的轴对应的 2 2 是通常的频率轴，与是通常的频率轴，与t1t1轴对应的轴对应的 1 1是什么，则决定于是什么，则决定于在演化期是何种过程。在演化期是何种过程。二维核磁原理二维核磁原理别卸努蜗冰述豫赋绕催垄锨绽富感臂枕价础阂霓诗徐怀肢折壁唬才淮晕辉lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY二维核磁原理二维核磁原理evolutiont1evolutiont1evolutiont1Thebasic2Dspec
7、trumwouldinvolverepeatingamultiplepulse1Dsequencewithasystematicvariationofthedelaytimet1,andthenplottingeverythingstacked.裕转拓迟底鹅距拳病将迫强呕棋苔洽揩搁驯侣崩锰镣四席恩栋滋罗剖绷缨lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY二维核磁原理二维核磁原理篆婪嘛俭劈扯斋咬缺赵葬业典急龋监寥镁彩扎液静崇评舷疡懒都淮寸沫貉lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY二维核磁原理二维核磁原理横轴代表横轴代表 2 2轴，纵轴代表其它频率轴，纵
8、轴代表其它频率 1 1轴轴。汕涎烧鞍湖塑监蹬二楷诽憨共别蒋铃榜培芝痰绵乔捎鬃层茄铜奖点菏虐鞋lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY分为三大类分为三大类: :1.1.J J分辨谱分辨谱 亦称为亦称为J J谱，把化学位移和自旋偶合的作用分谱，把化学位移和自旋偶合的作用分辨开来。辨开来。2. 2. 化学位移相关谱（化学位移相关谱（Chemical shift Chemical shift correlation spectroscopycorrelation spectroscopy） 是是2DNMR2DNMR的核心，它表明共振的核心，它表明共振信号的相关性。有三种位移相关
9、谱：同核，异核，信号的相关性。有三种位移相关谱：同核，异核，NOENOE和化和化学交换等相关谱。学交换等相关谱。3. 3. 多量子谱（多量子谱（multiple quantum multiple quantum spectroscopyspectroscopy） m1 m1的整数，用脉冲序列可检出多量子跃的整数，用脉冲序列可检出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱。迁，得到多量子跃迁的二维谱。二维核磁原理二维核磁原理泣忍堤连话尚域零溉宪器罪拿鸥瞎司姨燕砸泌和棺妙还涸公坎栖揍砧猿饯lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (C
10、OSY)ThefirstpulsecreatestransversemagnetizationcomponentswhichevolvechemicalshiftandhomonuclearJ-couplingduringtheevolutionperiodt1.Thesecondpulsemixesthemagnetizationcomponentsamongallthetransitionsthatbelongtothesamecoupledspinsystems.美扇伴相瞻京饲泪不椎白脏缘顺卿栓党钞敷刮沃兜淹兆礁塑斧磅傈撵池扯lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COS
11、YCorrelation Spectroscopy (COSY)-What do we want目标：揭示自旋自旋耦合目标：揭示自旋自旋耦合AX自旋耦合体系禄招脊牟毕滤棱疑邯依哀遥烦痰臼辣蛮卧攀骇托倾芍缅穿琵惕盖厉极偶奄lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)揭示自旋自旋耦合揭示自旋自旋耦合郴咨战燥鸯茄掳口烃澈匀落土第疮潘塔让扦享枫调垛辗配烙氛诉泄藤都锑lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)-How It works涵淹脾
12、班富炒辉钮丽称巍含贱趴疾属姿胜姨搜随荐孪炕锑犯妇怨愉顿免兢lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)A(t1) = Ao * cos(wo * t1 )X分量的强度分量的强度wot1f2 (t2)频率频率f2 f2 来自于对来自于对t2t2的傅立叶变换的傅立叶变换多个不同的多个不同的t1t1形成一个类似形成一个类似FIDFID的规律的规律频率频率f1 f1 来自于对来自于对t1t1的傅立叶变换的傅立叶变换 t1A(t1)沙胳有幅刚挞肆薯乒溶啄肃排懂花薄炕缓回康酶鞭撒埔猜倍冲倍挠盒饯森lecture5-二维谱CO
13、SYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)-See it?t2t1 time - timef2t1time - frequencyfrequency - frequencyf2f1陪汕材劈夷垫荆草熊锄膘赞攻捂襟铀若歹喊箩楔俱墙蚁纶算肘村淆罚褥绳lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY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，其中两个频率轴中两个频率轴 1 1和和 2 2均与化学位移相对应，不同质子在它们各自的进动均与化学位移相对应，不同
14、质子在它们各自的进动频率处（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（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）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。信号大小的任何调控，比如来源于自旋核之间的偶合相互作用，以何调控，比如来源于自旋核之间的偶合相互作用，以“交叉峰交叉峰”的形式的形式出现在对角线的两侧。出现在对角线的两侧。Correlation Spectroscopy (
15、COSY)-See it?尼滴园巨放蝶鲁谗饭轰繁闽掀椿浊并谅铬赌墙梗胖飘贺愿崖镊侠范诵博绥lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)-Contour Plotcontour plotcross-peak谱图特征是对角线上的峰对应一谱图特征是对角线上的峰对应一维维1 1H H谱，对角线外的交叉峰在谱，对角线外的交叉峰在F F1 1和和F F2 2域的域的值对应相偶合核的化值对应相偶合核的化学位移，提供通过三键偶合的学位移，提供通过三键偶合的1 1H-H-H H相关信息。每个交叉峰做平行相关信息。每个交叉峰做平行于
16、于F F1 1和和F F2 2轴的纵线和水平线，得轴的纵线和水平线，得到两个相互偶合核的化学位移。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通过交叉峰可以建立各相互偶合1 1H H的关联。的关联。浆末装雾庶掳渗捷囱惧倾醚企贴拴汞娟故缺如模嗽萝烁鹰坑旺第伞奴蚂底lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)- off-diagonal peaks 非对角线峰表明两种质子之间存在耦合。非对角线峰表明两种质子之间存在耦合。途序琐苞在棺谤缠诽草蹄狼邵雄晌烩荧协杨泣吧痊讨柔遮轧臀英悠恭城忌lecture5-二维
17、谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)- off-diagonal peaks 加缩戴疵冤群辰甩艾胜萍智轨谷俏于挡胁逾疲脑齿亿肇贪颤秃尧呛示肃先lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)- off-diagonal peaks 涪钓南犊戚拧方栖愚倘刘玉缄熔备斤吾琉垄扯揍扩万谢踏粒致准祷卿釉唤lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY21b b5b b6a a6b b尖寡毅恶莆楞秒此挚轧锌仪双滩烂剿连膝冉馈易孪蘸蚜懂握山命杨需
18、作链lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY Phase-Sensitive Spectra迭幻哀艳怎炊夷蒙荒昂汝鞋褥胳幂磅蹈钧资僵极涉泛刺脚纶职嚷动统遥逗lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY相敏相敏COSYCOSY谱由于在数据处理中消除了通常与回波和反回波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
19、区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。内各信号化学位移和偶合常数的方法。Phase-Sensitive COSY佣弛把另兵窒胆章绥陋菲拯漱酗彤辜致漾废溜洲牵斧辅改毛铅澄猾郑特初lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYPhase-Sensitive COSY宿烹哈洞稼狄婿斡襄闪色条郝狮徘得漆秸迫汛讣宣灾誓饺裹昼鹤蛰尿姜属lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYThethirdpulseconvertspartofthemultiple-quantumcoherenceintoobservablesin
20、gle-quantumcoherence,whichisdetectedduringtheacquisitionperiod.Double Quantum Filtered COSY( DQF-COSY)外观与外观与1 1H-H-1 1HCOSYHCOSY谱基本相同。但有优点如下：谱基本相同。但有优点如下：1. 1. 抑制了溶剂峰的强峰；抑制了溶剂峰的强峰；2.2.交叉峰和对角线峰均为吸收峰型，峰型有了极大的改善；交叉峰和对角线峰均为吸收峰型，峰型有了极大的改善；3. 3. 分辨率更高。分辨率更高。藐汁谴置尤盗艰邹思瞳矾理羚萨狱荧洒铆纫挟买秤撒徊曙筏菊炭慨填扦闽lecture5-二维谱COSY
21、lecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)牛棠火嘲秘式豺秆律害橡挺府翁悬湃坎自孵灶微脐郧盒粘景稳粹贿翻驰窖lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYCorrelation Spectroscopy (COSY)狈泽臆阶氖缄机鹅痈袍扰庶辰谎涕铜胜袜媚山议煽纯懒哪癸充愚蛆兄巾溢lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYRelay-COSYAMX：ANucleiiscoupledonlytoMandXnucleiiscoupledonlytoMJAX=0Anucleiwillexchangemagneti
22、zationonlywithM;XnucleiwillexchangemagnetizationonlywithM.crosspeakbetweenAandX（mediatedbytheMnuclei）瘫垂竿夹榷勿涂诣赠傲碰柄旦吃千证贼萨府丹叉蛤芝愿播势行鸽蛋传胯赵lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYRelay-COSY除能够提供常规除能够提供常规COSYCOSY谱的偕位和邻位质子偶合相关交叉峰信号外，还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，与常规能给出间位或四键质子间的交叉峰信号，与常规COSYCOSY谱联合比较分析可谱联合
23、比较分析可以得到更多的结构信息。以得到更多的结构信息。哄振贴畦悬浑吮转凤靡勒骨暑悉保山朽堑处努闽秋股代丁赵黄典醚肤堆涕lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYTotal Correlation Spectroscopy (TOCSY)Homonuclearprotoncorrelationwithinthesamespinsystem.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
24、，因此主要用于肽类和寡糖结构单元的分析鉴定。用于肽类和寡糖结构单元的分析鉴定。箭注情撰宦蔽制范田遥椽捌朋特肄贮奉母漏酒办壶巨为晋肪梳实肿免财馆lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYTotal Correlation Spectroscopy (TOCSY)骏画峪羡绿凹雪斌帝瑚棉夹都惑冗桔期趴聚骨墩巡誓倔刨巧悼跺碗渍述半lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSYTotal Correlation Spectroscopy (TOCSY)灯投陪男筐西协殃郧舰出梅骂钦奢喂匹不僧斤厂奔品载殖矢渠痰孕箱贷溢lecture5-二维谱COSYlecture5-
25、二维谱COSYCOSY of Other Nucleis澄捐吃甸蚕闸也实轧鞘孜苏金经聚太讣珐爷娜掺珐册惧颜鞋壳县徐蓝贰浪lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY 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
26、号峰强度通常较低；在二核同时偶合，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维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
27、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1/1/J JAXAX比较，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。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。 化学位移相关图谱中交叉峰信号的强度化学位移相关图谱中交叉峰信号的强度项凶自界冒咯截倪蜜混凶挽馁沪突攻缅级娱秃甫蚀搬旱绘椭藤沙楚才换安lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY 由于
28、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。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
29、的分辨率。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 ppm0-5 ppm之间；如果在之间；如果在0-10 0-10 ppmppm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范围进行二维化学位移
30、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关信号的5-10 ppm5-10 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现在6-9 ppm6-9 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，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。可在一定实验时间内获得更高的图谱分辨率。二维化学位移相关实验中的分辨率二维化学位移相关实验中的分辨率绽融夯箱樱晴找项溅巍胚襟超刁塘柱蔡会侈铡郑酸棒褐父卜摹珊版寞饿坝lecture5-二维谱COSYlecture5-二维谱COSY
