天游线路检测中心 COSY/TOCSY分析│通过2D NMR理解自旋相关性

在本专栏中，我们将介绍代表性的 2D NMR 方法 COSY 和 TOCSY 的基本原理和分析方法。毗邻 COSY¹我们将通过具体示例介绍H、使用TOCSY的自旋网络分析和使用1D/2D TOCSY的糖分析之间相关性的确认。此外，我们将以易于理解的方式总结每种方法的特点和用法。

舒适是什么

舒适(CO关系S光谱仪Y) 相邻¹这是使用二维 NMR 可视化 H 之间耦合的基本方法。以前，¹H之间使用同去耦相邻¹过去我们需要逐一寻找H原子，但随着COSY的出现，我们可以同时分析宽频带内的多重键相关性，从而极大地提高了结构分析的效率。目前，¹H-¹H 它被广泛用作确认相关性的介绍性 2D NMR 测量方法。

图1显示“肉桂酸顺式-3-己烯基酯''1至6¹H 的区域中的 COSY 光谱。
如上图，两个轴上的相关信号和1D¹连接H谱时，观察到1-2、2-3、3-4、4-5和5-6 5个相关性，从结果来看，1到6¹可以推断H具有彼此相邻的结构。
而且，在 COSY 中，它们是相邻的¹从H之间的耦合信息，我们可以间接了解碳原子之间的联系，而这个信息对于确定子结构非常重要。

但是像图 2 中那样复杂的 COSY 光谱又如何呢？
如果您查看绿色圆圈区域，您会发现信号重叠，并且不容易看出相关性。这使得我们不太可能继续推进结构确定。

如图2¹H 信号在狭窄的范围内密集出现 对于多糖和环状化合物，仅使用 COSY 谱信息进行结构分析可能会陷入死胡同。

COSY 无法执行充分分析时的一种解决方案TOCSY
我将在下一章解释 TOCSY。

TOCSY 是什么

TOCSY(至总计C关系S光谱仪Y) 都属于同一个自旋网络¹这是一种可以使用二维 NMR 一次性可视化 H 的方法。由于自旋耦合以链的形式传播，因此不仅可以获得相邻点之间的相关性，而且可以获得整个自旋系统的相关性，从而可以有效地分析复杂的有机分子、糖和氨基酸。 TOCSY 也称为 HOHAHA（HO 单核 HArtmann-HAhn 光谱法），基本上指的是相同的测量方法。

例如，假设存在如图 3 所示的原子连接。
H_A·H_B·H_C·H_D都相邻¹H通过自旋键相互连接，这种连接称为自旋系统（自旋网络）。
自旋系统通过未添加H的季碳或氧键合¹H 无法传播并被中断。
TOCSY 是一个允许核自旋在同一自旋系统中的系统（例如¹H_A - ¹H_D)的相关性。
TOCSY，H_A的磁化强度至 HB 和 H_BH_C移至H_C进一步为H_D换句话说，磁化强度在自旋系统内移动并连接。
这种磁化传递称为“继电器”，TOCSY 将观察由该继电器引起的相关信号。

图4是COSY和TOCSY的脉冲序列。在 COSY 中，使用两个 90° 脉冲，而在 TOCSY 中，第二个脉冲是自旋锁脉冲。施加该自旋锁脉冲的时间称为“混合时间”，是 TOCSY 中的一个重要参数。通过增加混合时间，可以观察到进一步中继的相关信号。

TOCSY 混合时间和相关信号

图5是具有两个独立自旋网络的化合物的TOCSY谱的示意图。每个自旋网络以黄色和绿色显示。因此在 TOCSY 中，
全部属于每个自旋网络¹H 的相关性。
此时，如果存在远离密集信号区域的信号，例如两个轴的一维谱中的信号“A”和“a”，则很容易将它们单独分类并确认每个自旋网络，例如按黄色和绿色分类的网络。

接下来，我们看看改变混合时间时A的相关信号的变化。
图6为图5TOCSY示意图中A的相关性放大图。
混合时间短¹H_A的磁化强度接下来是¹H_B¹H_B出现。
如果进一步增加混合时间，磁化强度将会¹H_C，出现相关信号C。
此外，如果进一步增加混合时间，磁化强度将会¹H_D，检测到相关信号D，结果¹H_A - ¹H_B - ¹H_C - ¹H_D

混合时间越长，磁化强度传播得越远，因此，如果混合时间足够长，则可以移动同一自旋系统中存在的所有自旋的磁化强度¹所有可以移动到H并存在于同一自旋系统中的东西¹H
此外，通过比较不同混合时间的光谱，¹您还可以知道 H 的连接顺序。

使用 2D TOCSY 进行蔗糖分析的示例

在这里，我们将介绍使用 2D TOCSY 进行蔗糖分析的示例。蔗糖是由葡萄糖和果糖通过糖苷键连接而成的二糖。共有22种蔗糖¹H，但由于样品溶解在重水中，羟基（-OH）¹由于氘交换而没有观察到H。因此，这里有8个羟基¹14 件，H 除外¹H 被观察到。

首先，蔗糖的COSY谱如图7所示。
红框包围的部分放大如图8所示。

首先，在图 7 中，您可以相对轻松地找到六个相关信号。
但是，很难读取化学位移接近的区域中出现的信号之间的相关性（如图 8 中的红色圆圈所示），许多人的分析工作都陷入了困境。
那么，我将尝试使用 TOCSY 方法。

图 9 将混合时间设置为 20 ms 和 150 ms 时测量的 TOCSY 谱

图 9 显示了混合时间分别设置为 20 ms 和 150 ms 时测量的 TOCSY 谱。
首先，葡萄糖的第一个位置出现在远离其他信号的化学位移处¹H
如之前图6所示，查看改变混合时间时相关信号的变化，第一名¹让我们检查一下来自 H 的中继。
您还可以看到，随着混合时间的增加，会出现更多相关信号。
此外，通过将信号与切片数据进行比较，而不是用二维频谱来查看信号重叠的区域，更容易理解信号重叠的区域，所以这是#1¹H 相关信号。

图10顶部是正常的¹H 谱。在其下方，排列了混合时间从 20 ms 到 200 ms 不等的切片数据。
左边的交通灯是 1 号¹H 并将其视为继电器的起点。
混合时间为20毫秒，紧随其后第二名¹只出现与H的相关性，并且只能看到1和2之间的联系。
随着混合时间的增加，相关信号陆续出现，最后可以确认葡萄糖部分的第1位和第6位之间的联系。
舒适度第五名¹很难清楚地读取 H 的相关伙伴，但通过 TOCSY，我们能够获得该信息。

接下来是果糖的 3' 位置¹H
与蔗糖位点的测量类似，混合时间变化时的 TOCSY 谱如图 11 所示。

图 11 将混合时间设置为 20 ms 和 150 ms 时测量的 TOCSY 谱

与之前类似，信号出现在信号不拥挤的位置（这次是在果糖的3'位置）¹重点H)的X轴方向切片数据。

图12顶部是正常的¹H谱，下面是改变混合时间时的切片数据。
与之前相同，3'位置¹如果以H为接力起点，增加混合时间，结果将在4'、5'、6'位置¹出现与H的相关性，并且还证实了果糖部分之间的连接。

这样，使用TOCSY，就可以单独提取包含多个自旋网络的化合物的自旋网络。此外，通过改变混合时间，起始点¹您还可以检查距 H 的距离。即使 COSY 谱变得复杂，TOCSY 也可以极大地帮助确定分子结构。

使用 1D TOCSY 进行葡萄糖分析的示例

1D TOCSY 是 2D TOCSY 的一维版本，基本原理相同。
虽然 2D TOCSY 用于理解整个分子的自旋网络，1D TOCSY 是特定的¹当您只想检查 H 所属的自旋系统时，此方法更有效。1D TOCSY 选择性激发¹我们将观察H处的磁化转移，即继电器的状态。通过逐步增加混合时间，我们可以跟踪磁化中继沿自旋网络的传播过程。对于选择性激发，化学位移足够远离其他信号¹H一维测量相对于二维测量的另一个优点是它具有更高的数字分辨率，并且更容易避免信号重叠。

现在，我们以葡萄糖分析为例。

葡萄糖在水溶液中以α型和β型端基异构体存在。因此，¹H谱，如图13所示，是α-葡萄糖和β-葡萄糖的混合谱。选择性激发¹对于H，就糖而言，第一个异头¹具有比其他磁场更低的磁场，例如 H¹选择 α-葡萄糖位置 1 处的 H异头¹H1D TOCSY 的结果。

通过将混合时间从 20 ms 更改为 200 ms，α-葡萄糖的第一个异头¹H 作为中继起点的自旋网络。
混合时间：200ms的底部光谱是从α-葡萄糖和β-葡萄糖的混合光谱中提取的α-葡萄糖的自旋网络。
此外，如前所述，一维 TOCSY 比二维切片数据具有更好的数字分辨率。
这样，一维 TOCSY 可以更有效地从拥挤的光谱中提取和确认通过自旋耦合连接的物体。
我们建议根据用途使用 1D TOCSY 或 2D TOCSY。

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