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二维核磁二维核磁lecture5二维谱COSY课件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 Ubiquitinlecture5二维谱COSY课件二维核磁原理二维核磁原理Father of 2D NMR: Jeener, BelgiumMain Developers: RR Ernst，， (Switzerland), R Freeman (UK, Oxford)lecture5二维谱COSY课件常见二维核磁的功能常见二维核磁的功能1 1H H－－1 1H COSYH COSY2 2键或键或3 3键质子耦合键质子耦合1 1H H－－1 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 H－－X 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 H－－X 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 X－－X COSYX COSY天然丰度大于天然丰度大于2020％的杂核之间的％的杂核之间的1 1键耦合键耦合X X－－X 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 H－－1 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lecture5二维谱COSY课件常见二维核磁的功能常见二维核磁的功能lecture5二维谱COSY课件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 experiment90º pulseTransfers betweencoupled spinslecture5二维谱COSY课件准备期准备期(preparation)(preparation)：主要任务使核处于热平衡状态或者在一次采样：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lecture5二维谱COSY课件二维核磁原理二维核磁原理evolutiont1evolutiont1evolutiont1The ‘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.lecture5二维谱COSY课件二维核磁原理二维核磁原理lecture5二维谱COSY课件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，纵轴代表其它频率 1 1轴轴。

lecture5二维谱COSY课件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）） ΔmΔm>1>1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lecture5二维谱COSY课件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. lecture5二维谱COSY课件Correlation 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lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)揭示自旋－自旋耦合揭示自旋－自旋耦合lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)---How It workslecture5二维谱COSY课件Correlation 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)lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)---See it?t2t1 time - timef2t1time - frequencyfrequency - frequencyf2f1lecture5二维谱COSY课件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 (COSY)---See it?lecture5二维谱COSY课件Correlation 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δδ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lecture5二维谱COSY课件Correlation 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lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)--- off-diagonal peaks lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)--- off-diagonal peaks lecture5二维谱COSY课件21b b5b b6a a6b blecture5二维谱COSY课件 Phase-Sensitive Spectralecture5二维谱COSY课件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 COSYlecture5二维谱COSY课件Phase-Sensitive COSYlecture5二维谱COSY课件The third pulse converts part of the multiple-quantum coherence into observable single-quantum coherence, which is detected during the acquisition period.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lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)lecture5二维谱COSY课件Correlation Spectroscopy (COSY)lecture5二维谱COSY课件Relay-COSYAMX：： A Nuclei is coupled only to M and               X nuclei is coupled only to M              JAX=0A 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））lecture5二维谱COSY课件Relay-COSY除能够提供常规除能够提供常规COSY COSY 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lecture5二维谱COSY课件Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)Homonuclear proton correlation within the same spin system.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，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lecture5二维谱COSY课件Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)lecture5二维谱COSY课件Total Correlation Spectroscopy (TOCSY)lecture5二维谱COSY课件COSY of Other Nucleislecture5二维谱COSY课件 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lecture5二维谱COSY课件 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lecture5二维谱COSY课件。