第四章二维核磁共振谱
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二维核磁共振谱综述
1．什么是二维谱 二维核磁共振(2D NMR)方法是有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,减少了谱线的拥 挤和重叠,提高了核之间相互关系的新信息.因而增加了结构信息, 有利于复杂谱图的解析.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是目前适用于研究溶液中生物大分子构象 的唯一技术.一维谱的信号是一个频率的函数,记为S(ω),共振峰分 别在一条频率轴上.而二维谱是两个独立频率变量的信号函数,记 为S(ω1,ω2),共振峰分布在由两个频率轴组成的平面上.2D-NMR 的b最大特点是将化学位移,偶合常数等参数字二维平面上展开,于 是在一般一维谱中重叠在一个频率轴上的信号,被分散到两个独立 的频率轴构成的二维平面上.,同时检测出共振核之间的相互作用.
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). • 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。 • (2)等高线（Contour plot） 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。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). • 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。 • (2)等高线（Contour plot） 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。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
2D核磁共振谱
SI
1024
MC2
TPPI
SF
500.1300144 MHz
WDW
SINE
SSB
2
LB
0.00 Hz
GB
0
精品课件
精品课件
2 NH
3 NH
NOESY用于多 肽序列 的归属
H1
1 12 3
H
CH2O
CH2O
CH2 O
H2N C C N C C N C C OH
H
HH
HH
H
精品课件
2
GPNAM1
sine.100
GPNAM2
sine.100
GPNAM3
sine.100
GPX1
0.00 %
GPX2
0.00 %
GPX3
0.00 %
GPY1
0.00 %
GPY2
0.00 %
GPY3
0.00 %
GPZ1
50.00 %
GPZ2
30.00 %
GPZ3
40.10 %
P16
1000.00 usec
vX
F2
精品课件
δ
vA
对角峰
F1
vA
vA
δ
交叉峰
谷氨酸的H, H-COSY 谱（500MHZ）
1
HO OC
C H (2 )
2
CH
NH 2
3
CH 2
4
4
CH 2
5
COO H
C H 2(4 )
C H 2(3 )
C H 2(3 ) C H 2(4 )
C H (2 )
ppm
2 .2 0
核磁二维谱图
第1页/共19页
4.5.1二维共振谱的形成
• 信号函数s(w1,w2)两个独立的变量都必须是频率。如果其中一个变量是时间， 温度，浓度等，则不属于二维核磁。
预备期
发展期
混合期
检出期
回复平 衡态
1个或 几个脉 冲使体 系激发
建立信 号检出 条件
第2页/共19页
检出 FID信 号
二维核磁的分类
• 1）J分解谱 • －J谱：化学位移和自旋耦合作用分辨开，异核J谱和同核J谱 • 2）化学位移相关谱：－谱，同核偶合，异核偶合，NOE和交换偶合。 • 3）多量子谱 • 二维核磁的表现形式：堆积图，等高线图
7
6
3
4
OH
23
5
4
1
第6页/共19页
6 78 9
第7页/共19页
9
8 7
6O
6
8
5
7
9
1 2
3 4
OH
3
2
9 8
7 6
6
8
O
5
7
9
1 2
3 4
OH
3
2
第8页/共19页
2
3
6
78 9
9
8
7
6
8
O
5
7
9
6 3 12
1 2
3 4
OH
4
5 第9页/共19页
小蠹烯醇1H NMR
第10页/共19页
小蠹烯醇13C NMR
第11页/共19页
小蠹烯醇1H-1H COSY
第12页/共19页
小蠹烯醇双量子滤波1H-1H COSY(DQF-COSY)
第13页/共19页
4.5.1二维共振谱的形成
• 信号函数s(w1,w2)两个独立的变量都必须是频率。如果其中一个变量是时间， 温度，浓度等，则不属于二维核磁。
预备期
发展期
混合期
检出期
回复平 衡态
1个或 几个脉 冲使体 系激发
建立信 号检出 条件
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检出 FID信 号
二维核磁的分类
• 1）J分解谱 • －J谱：化学位移和自旋耦合作用分辨开，异核J谱和同核J谱 • 2）化学位移相关谱：－谱，同核偶合，异核偶合，NOE和交换偶合。 • 3）多量子谱 • 二维核磁的表现形式：堆积图，等高线图
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OH
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4
1
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6 78 9
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9
8 7
6O
6
8
5
7
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1 2
3 4
OH
3
2
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7 6
6
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5
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OH
3
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6
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O
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1 2
3 4
OH
4
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小蠹烯醇1H NMR
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小蠹烯醇13C NMR
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小蠹烯醇1H-1H COSY
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小蠹烯醇双量子滤波1H-1H COSY(DQF-COSY)
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第四章 核磁共振-氢谱
4.1.3 核的回旋和核的共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场HO中，由于核自身的旋 转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用 下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称 为Larmor进动。
自旋量子数( I ) 1/2 没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的 在外磁场H0中，它的取向分为两种(2I+1=2) 一种和磁场方向相反，能量较高 (E=μH0) 一种和磁场方向平行，能量较低 ( E= 0)
前言 过去50年，波谱学已全然改变了化学家、生物学家和生 物医学家的日常工作，波谱技术成为探究大自然中分子内部 秘密的最可靠、最有效的手段。NMR是其中应用最广泛研 究分子性质的最通用的技术：从分子的三维结构到分子动力 学、化学平衡、化学反应性和超分子集体、有机化学的各个 领域。 1945年 Purcell（哈佛大学） 和 Bloch（斯坦福大学） 发现核磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖。 1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关 系。 1953年 美国Varian公司试制了第一台NMR仪器。
4.2.4 核磁共振图谱
CHCl3
低场
向左
（δ 增大）
磁场强度
向右
（δ 减小）
高场
图3-5 乙醚的氢核磁共振谱
4.3. 氢的化学位移
4.3.1 化学位移
在一固定外加磁场(H0)中，有机物的1H核磁共 振谱应该只有一个峰，即在:
= E / h = · ( 1/2)· H0
分子中各种质子（原子核）由于所处的化学环 境不同，而在不同的共振磁场下显示吸收峰的 现象，称为化学位移，表示：δ/ppm。
核磁共振的条件:
ΔE = h v迴= h v射= hH0/2π 或 v射= v迴= H0/2π
二维核磁共振波谱
2020/1/1
2D NMR谱图
2020/1/1
脉冲序列
在x轴施加不同脉冲角度的射频宏观磁化强度矢量M的 变化情况。
2020/1/1
自旋回波的脉冲序列
90 x
180 x
DE
DE
AQT
自旋回波的脉冲序列为90x°—DE—180x°—DE— AQT，DE表示某一固定的时间间隔（delay）；AQT表示 测定信号的采样时间 。
结束
2020/1/1
2020/1/1
1D NMR的脉冲序列和原理示意图
2020/1/1
傅 里 叶 变 换
2020/1/1
2D NMR
通过记录一系列的1D NMR 谱图获得的，每个1D NMR实验的差别仅在于在脉冲序列引入时间增量Δt （t1= t +Δt）。
2020/1/1
11.5.2 2D NMR相关谱
1.1H-1H 相关谱 (1～4)
11.5.1 概述
（1）二维核磁共振波谱：二个时间变量，二次傅里叶变 换，二个独立的频率信号，横坐标和纵坐标均为频率信 号，而第三维则为强度信号。 （2）两坐标代表的化学位移具有相关性，表明所有质子 发生自旋-自旋偶合的信息。 （3）可以是 1H-1H ， 1H-13C相关谱；可提供邻近偶合、 远程偶合信息。 （4）不出现一维谱图m6.8～8.6）
2020/1/1
2D NMR 相关谱
间二硝基苯 1H-1H 相关谱
2020/1/1
1H-13C相关谱
2020/1/1
薄荷醇
1H-13C相 关谱
2020/1/1
内容选择
11.1 核磁共振原理 11.2 核磁共振波谱仪 11.3 1H核磁共振波谱 11.4 13C核磁共振波谱 11.5 二维核磁共振波谱 第十二章
2D NMR谱图
2020/1/1
脉冲序列
在x轴施加不同脉冲角度的射频宏观磁化强度矢量M的 变化情况。
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自旋回波的脉冲序列
90 x
180 x
DE
DE
AQT
自旋回波的脉冲序列为90x°—DE—180x°—DE— AQT，DE表示某一固定的时间间隔（delay）；AQT表示 测定信号的采样时间 。
结束
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2020/1/1
1D NMR的脉冲序列和原理示意图
2020/1/1
傅 里 叶 变 换
2020/1/1
2D NMR
通过记录一系列的1D NMR 谱图获得的，每个1D NMR实验的差别仅在于在脉冲序列引入时间增量Δt （t1= t +Δt）。
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11.5.2 2D NMR相关谱
1.1H-1H 相关谱 (1～4)
11.5.1 概述
（1）二维核磁共振波谱：二个时间变量，二次傅里叶变 换，二个独立的频率信号，横坐标和纵坐标均为频率信 号，而第三维则为强度信号。 （2）两坐标代表的化学位移具有相关性，表明所有质子 发生自旋-自旋偶合的信息。 （3）可以是 1H-1H ， 1H-13C相关谱；可提供邻近偶合、 远程偶合信息。 （4）不出现一维谱图m6.8～8.6）
2020/1/1
2D NMR 相关谱
间二硝基苯 1H-1H 相关谱
2020/1/1
1H-13C相关谱
2020/1/1
薄荷醇
1H-13C相 关谱
2020/1/1
内容选择
11.1 核磁共振原理 11.2 核磁共振波谱仪 11.3 1H核磁共振波谱 11.4 13C核磁共振波谱 11.5 二维核磁共振波谱 第十二章
波谱分析课件第4章 核磁共振碳谱
去偶的目的：提高灵敏度、简化谱图。 一般指质子去偶。
8
常用的去偶方法有：
➢质子宽带去偶法(Proton Broad Band Decoupling)
➢偏共振去偶法(Off-Resonance Decouping) ➢门控去偶法(Gated Decoupling) ➢反转门控去偶法(Inverted Gated Decoupling) ➢选择质子去偶 ➢INEPT谱和DEPT谱
C-O C-Cl
C-Br
40 - 80 35 - 80 25 - 65
Unsaturated carbon - sp2
C=O
C=O
C=C
C C Alkyne carbons - sp
Aromatic ring carbons
Acids Amides Esters Anhydrides Aldehydes Ketones
65 - 90 100 - 150 110 - 175
155 - 185 185 - 220
200
150
100
50
0
Correlation chart for 13C Chemical Shifts (ppm)
22
4.5 核磁共振碳谱解析
23
24
25
CYCLOHEXENE
CYCLOHEXANONE
10
偏共振去耦(Off-resonance decoupling)
偏共振去耦的目的：降低1J，改善因耦合产生 的谱线重叠而又保留了耦合信息，确定碳原子 级数。
使用偏离1H核磁共振的中心频率0.5~1000Hz的 射频 作为质子去偶频率。
11
未去耦
1H
(CH) (CH2) (CH3)
8
常用的去偶方法有：
➢质子宽带去偶法(Proton Broad Band Decoupling)
➢偏共振去偶法(Off-Resonance Decouping) ➢门控去偶法(Gated Decoupling) ➢反转门控去偶法(Inverted Gated Decoupling) ➢选择质子去偶 ➢INEPT谱和DEPT谱
C-O C-Cl
C-Br
40 - 80 35 - 80 25 - 65
Unsaturated carbon - sp2
C=O
C=O
C=C
C C Alkyne carbons - sp
Aromatic ring carbons
Acids Amides Esters Anhydrides Aldehydes Ketones
65 - 90 100 - 150 110 - 175
155 - 185 185 - 220
200
150
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0
Correlation chart for 13C Chemical Shifts (ppm)
22
4.5 核磁共振碳谱解析
23
24
25
CYCLOHEXENE
CYCLOHEXANONE
10
偏共振去耦(Off-resonance decoupling)
偏共振去耦的目的：降低1J，改善因耦合产生 的谱线重叠而又保留了耦合信息，确定碳原子 级数。
使用偏离1H核磁共振的中心频率0.5~1000Hz的 射频 作为质子去偶频率。
11
未去耦
1H
(CH) (CH2) (CH3)
第4章 碳核磁共振波谱和二维NMR谱(3)
2) 二维核磁共振的实验方法
各种脉冲序列的应用。
2
3) 2D-NMR谱的表示方法
a) 堆积图——绘制费时，少 b) 等高线图——应用广泛
4) 2D-NMR的分类
a) 2D-J分解谱（δ-J谱），把δ和J值在两个频率轴展开，包括同核J-分解 谱和异核J-分解谱
b) 二维相关谱，包括同核（1H-1H）和异核（1H-13C）化学位移相关谱， 在此基础上又发展了二维NOE谱、总相关谱等；应用最普遍。
19
Brucine的HSQC（高场部分）
20
f) 1H检测的异核多键化学位移相关谱（HMBC）
➢与COLCO相应 ➢不是用13C检测，而是用1H检测C-H COSY谱 ➢一键相关性显示其大的1JCH值，给出两个交叉峰 ➢充分利用1H较高的灵敏性，样品量少，灵敏度高 ➢水平方向为1H的化学位移，垂直方向为13C的化学位移，垂 直方向的分辨率较低 ➢分为两种，一种包括所有nJCH（n=1, 2, 3），另一种压制了 1JCH信号，突显2JCH和3JCH信息。
7
CHO
1
6
2
5 4
3 OCH3
OH
18
香草醛的COLOC谱（圆圈内为1JCH耦合）
e) 1H检测的异核多（单）量子相关谱（HMQC/HSQC）
➢与C-H COSY相应 ➢不是用13C检测，而是用1H检测C-H COSY谱 ➢充分利用1H较高的灵敏性，灵敏度高 ➢水平方向为1H的化学位移，垂直方向为13C的化学位移，垂 直方向的分辨率较低
28
δ-VE 的 2D-INADEQUATE谱
29
甾族C30H54碳骨架结构
30
4.4.5 2D NMR实例
31
化合物C5H8O5，根据如下谱图确定结构，并说明依据。
各种脉冲序列的应用。
2
3) 2D-NMR谱的表示方法
a) 堆积图——绘制费时，少 b) 等高线图——应用广泛
4) 2D-NMR的分类
a) 2D-J分解谱（δ-J谱），把δ和J值在两个频率轴展开，包括同核J-分解 谱和异核J-分解谱
b) 二维相关谱，包括同核（1H-1H）和异核（1H-13C）化学位移相关谱， 在此基础上又发展了二维NOE谱、总相关谱等；应用最普遍。
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Brucine的HSQC（高场部分）
20
f) 1H检测的异核多键化学位移相关谱（HMBC）
➢与COLCO相应 ➢不是用13C检测，而是用1H检测C-H COSY谱 ➢一键相关性显示其大的1JCH值，给出两个交叉峰 ➢充分利用1H较高的灵敏性，样品量少，灵敏度高 ➢水平方向为1H的化学位移，垂直方向为13C的化学位移，垂 直方向的分辨率较低 ➢分为两种，一种包括所有nJCH（n=1, 2, 3），另一种压制了 1JCH信号，突显2JCH和3JCH信息。
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CHO
1
6
2
5 4
3 OCH3
OH
18
香草醛的COLOC谱（圆圈内为1JCH耦合）
e) 1H检测的异核多（单）量子相关谱（HMQC/HSQC）
➢与C-H COSY相应 ➢不是用13C检测，而是用1H检测C-H COSY谱 ➢充分利用1H较高的灵敏性，灵敏度高 ➢水平方向为1H的化学位移，垂直方向为13C的化学位移，垂 直方向的分辨率较低
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δ-VE 的 2D-INADEQUATE谱
29
甾族C30H54碳骨架结构
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4.4.5 2D NMR实例
31
化合物C5H8O5，根据如下谱图确定结构，并说明依据。
二维核磁共振谱
COSY OF PBF
NOESY of PBF
COSY
Codeine的NOESY
6,7
3
5
9
10
12 11
O
COSY of 2－丁烯酸乙酯
A
O
B
2。COSY-45 。
• 基本脉冲：90 。 －t1-45 。 -ACQ. 在COSY-90的基础上，将第二脉冲改变成45 。 许多的天然产物的直接连接跃迁谱峰在对 角线附近，导致谱线相互重叠，不易解析。 采用COSY-45 。由于大大限制了多重峰内 间接跃迁，重点反映多重峰间的直接跃迁， 减少了平行跃迁间的磁化转移强度，即消 除了对角线附近的交叉峰，使对角线附近 清晰。
第四章 二维核磁共振谱 4．1二维核磁共振的概述
2。二维谱实验
• A.原则上二维谱可以用概念上不同的三种 实验获得,(如图4.1),(1).频率域实验 (frequency- frequency) (2).混合时域 (frequency-time)实验(3). 时域(time-time) 实验.它是获得二维谱的主要方法,以两个独 立的时间变量进行一系列实验,得到S(t1,t2), 经过两次傅立叶变换得到二维谱S(ω1,ω2). 通常所指的2D-NMR均是时间域二维实验
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
二维核磁共振谱解读
核磁共振谱（NMR）是一种非常强大的分析技术，用于确定物质的结构和确认分子的组成。
二维核磁共振谱（2D NMR）是一种在峰区分辨率和化学位移上比传统核磁共振谱更高的技术。
二维核磁共振谱提供了更多的信息，具有两个独立的谱图轴。
下面是对二维核磁共振谱解读常见的一些方面：化学位移轴（x轴）：二维核磁共振谱通常有两个化学位移轴。
一个位移轴表示一个维度上的化学位移值，通常以ppm（部分百万）为单位。
这个轴上的峰表示不同化学环境中的核的吸收。
耦合常数轴（y轴）：二维核磁共振谱的第二个轴通常是相邻核之间的耦合常数。
这个轴上的峰表示不同氢原子之间的相互作用。
化学位移交叉峰（cross-peaks）：二维核磁共振谱中最重要的信息是化学位移交叉峰。
这些交叉峰出现在两个化学位移轴的交叉点上，表示两个核之间的相互作用。
通过分析交叉峰的位置和强度，可以推断出化学结构的一些重要特征。
耦合常数交叉峰（coupling cross-peaks）：除了化学位移交叉峰，二维核磁共振谱还可以显示耦合常数交叉峰。
这些峰出现在耦合常数轴上，表示不同核之间的耦合常数。
通过分析这些交叉峰，可以确定分子中不同核之间的耦合关系。
脉冲序列（pulse sequences）：为了获得二维核磁共振谱，使用了特定的脉冲序列。
这些序列涉及一系列的脉冲和延迟，用于激发和检测核自旋的信号。
不同的脉冲序列可以提供不同的信息。
通过解读二维核磁共振谱，可以确定分子的结构、化学环境和相互作用。
这对于有机化学、药物研发、材料科学等领域非常重要。
但是需要指出的是，对于具体的二维核磁共振谱解读，需要具备相关的化学知识和实践经验。
二维核磁共振谱
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
20世纪80年代：2D－NMR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
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
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。
20世纪80年代：2D－NMR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
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
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。
第4章二维核磁共振波谱(3)
对角峰或 自相关峰
对角峰或 自相关峰
2014-3-5
交叉峰或 它相关峰
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。
交叉峰有两组（个），分 别出现在对角线两侧，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。
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第二节 二维J分解谱
二维J分解谱是把重叠在一起的一维谱的化学位移 δ和偶合常数J分解在具有两个坐标的平面上，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 F2方向反映化学位移，在F2方向的投影为全去耦 氢谱，化学位移等价的一种核显示一条峰； F1方向反映了峰的裂分情况，耦合常数值(3JHH 或2JHH)及峰数（三重峰、四重峰）。
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10 7 9 8 1 6 5 4
2
3
O
CH3 ---四重峰（5-Me，1,1’ –Me, 10); CH2---三重峰(2,3,4); CH ---双重峰(7,8) 。
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第三节
同核化学位移相关谱
3 bond H–H coupling
一、氢、氢化学位移相关谱
1H-1H
常用的二维谱图测定方法是：通过两个独立的时
间变量进行一系列实验，得到S(t1,t2), 经过两次傅立
叶变换得到二维谱S(ω1,ω2),这种实验方法称为时域实
验。
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获得二个独立时间变量的方法是把“时间”这 个一维连续变量，采用“分割时间轴”方法来实现。 因此二维实验中通常把时间轴分成四个区间：
核磁二维谱
2
基本原理
一维核磁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。
3
二维谱共振峰的名称
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。
交叉峰：交叉峰也称为 2 1
34
5
相关峰（F1≠F2），在 对角线两侧并对称，和
对角峰可以组成一个正
F1
方形，由此可推测这两
组核存在偶合关系。
O
CH3 CH2
54
CH2 CH2
32
C
CH3
1
F2
4
同核化学位移相关谱
1H检测的异核化学位移相关谱：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1H13C COSY。
11
13C-1H COSY
12
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；
有机波谱分析
二维核磁谱（2D-NMR）
二维核磁共振波谱法
➢ 二维核磁共振(2D-NMR)是Jeener于1971年提出, 是一维谱衍生出来的新实验方法；
➢ 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；
➢ 提供的HH、CH、CC之间的偶合及空间的相互作用， 确定它们之间的连接关系和空间构型。
基本原理
一维核磁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。
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二维谱共振峰的名称
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。
交叉峰：交叉峰也称为 2 1
34
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相关峰（F1≠F2），在 对角线两侧并对称，和
对角峰可以组成一个正
F1
方形，由此可推测这两
组核存在偶合关系。
O
CH3 CH2
54
CH2 CH2
32
C
CH3
1
F2
4
同核化学位移相关谱
1H检测的异核化学位移相关谱：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1H13C COSY。
11
13C-1H COSY
12
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；
有机波谱分析
二维核磁谱（2D-NMR）
二维核磁共振波谱法
➢ 二维核磁共振(2D-NMR)是Jeener于1971年提出, 是一维谱衍生出来的新实验方法；
➢ 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；
➢ 提供的HH、CH、CC之间的偶合及空间的相互作用， 确定它们之间的连接关系和空间构型。
二维核磁共振谱概述 ppt课件
ppt课件
2
二维谱的表现方式
等高线图中最中心的圆圈 表示峰的位置，圆圈的数 目表示峰的强度。
等高线图
ppt课件
3
化学位移相关谱
同核位移相关谱
异核位移相关谱 NOE
ppt课件
4
同核位移相关谱
1H-1H
COSY ，COSY是correlated spectroscopy的缩写。
交叉峰或 相关峰 对角峰或 自相关峰
ppt课件 7
3
1
4
5
6
ppt课件 2-己酮 H-HCOSY
8
1
1 234 56 7
23
56
7
4
3 2
H H
H 4 5 6 7 C=C-O-CH2-CH2-CH2-CH3
1
ppt课件
9
ppt课件
10
ppt课件
11
异核位移相关谱
C-H COSY 是13C 和1H 核之间的位移相关谱。 它反映了13C和1H 核之间的关系。
二维核磁共振谱概述
什么是二维核磁共振谱？
二维核磁共振谱：
是有两个时间变量，经两次傅利叶变换得到 的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时 间变量 t2 表示采样时间，第一个时间变量 t1 则是 与 t2 无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变 化的时间间隔。
ppt课件
1
二维谱的分类
J分解谱 J Resolved Spectroscopy, d-J 谱 同核 (homonuclear), 异核(heteronuclear) 化学位移相关谱 Chemical Shift Correlation Spectroscopy, d- d 谱 同核耦合, 异核耦合, NOE 和化学交换 多量子谱 Multiple Quantum Spectroscopy
二维核磁谱的定量研究
二维核磁谱的定量研究
二维核磁共振谱（2D NMR）是一种常用的表征化合物结构的方法，它可以通过对样品在不同化学位移范围内的吸收进行分析，获得化合物中不同类型的氢原子的化学环境信息。
在进行2D NMR谱图的定量研究时，可以采用以下几种方法：
1. 归一化法：将谱图中各个峰的强度除以一个标准物质的峰强度，使得不同样品的强度可以进行比较。
这种方法简单易行，但对于样品中含有多种不同类型的氢原子的情况，需要对每种类型的氢原子都进行归一化处理。
2. 内标法：将一种已知结构的内标物质加入样品中，并对样品和内标进行2D NMR谱图分析，可以通过比较样品和内标的谱图，计算出样品中各类型氢原子的含量。
3. 外标法：将多个已知结构的外标物质加入样品中，并对样品和外标进行2D NMR谱图分析，可以通过比较样品和外标的谱图，计算出样品中各类型氢原子的含量。
4. 多元线性回归法：将多个已知类型氢原子的含量作为自变量，样品中各类型氢原子的含量作为因变量，建立多元线性回归模型，可以通过模型预测样品中各类型氢原子的含量。
需要注意的是，在进行2D NMR谱图的定量研究时，需
要对样品进行适当的处理，以消除不同样品之间的差异。
此外，对于复杂的样品，可能需要采用多种方法进行分析，以提高定量分析的准确性和精度。
波谱分析课件：第4章 二维核磁共振谱1
同核二维J分解氢谱
异核二维J分解碳谱
4.2.1 同核二维J分解氢谱
脉冲序列为
同核AX体系的自旋回波示意图
紫草素的部分1H-NMR谱和二维J分解氢谱
Hax
7
Heq O H
5 1 4 10 11
a b
Hax
3
H3eq 3.69ddd
H
9
H O
H H 1
Heq
Hz 20 10 F1 10 20
二维核磁共振的关键是引入了第二个时间变量：演化期t1
。当样品中核自旋被激发后，它以确定频率进动，并且这 种进动行为将延续一段时间。表征这一特性的是横向弛豫 时间T2。对液体来说，T2一般为几秒。
通过检测期可以记录演化期 t1内核自旋的行为：在演化期 内从t1 = 0 开始，用某个固定的时间增量t1逐步延迟时 间t1进行一系列实验，每一个t1产生一个单独的FID，得 到Ni个FID。这样获得的信号表示成两个时间变量t1和t2 的函数S（t1， t2），再经两次Fourier变换，一次对t1， 一次对t2，得到以两个频率为函数的二维核磁共振谱S（ F1, F2）。
• 断 面 图
20 0 20 Hz H3ax 4.08 dd (a) 4.2 4.1 4.0 3.9
(b)
4.2 H7ax 3.72 ddd
4.0
3.8
F2
3.6
3.4
3.2 ppm
H3eq
H7eq 3.42 ddd
3.8 3.7 360MHz
1
3.6 H NMR
3.5
3.4
3.3 ppm
化合物2的同核二维J分解氢谱 (a)部分1H-NMR谱 (b) 堆积图 (c) 投影图 (d) 断面图
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是一种旋转坐标系实验（自旋锁定实验），自旋锁定是把 COSY序列中的第二脉冲以及NOESY序列中最后两个脉冲 （包括混合时间），用一个长射频脉冲取代，把自旋沿着旋转 坐标系的一个锁定，在这种情况下不存在化学位移差，通过发 生标量偶合的磁化转移，导致了全部相关。TOCSY也有称之为 HOHAHA.可以提供自旋系统中偶合关联信息。
4.2.1同核化学位移相关谱
一。COSY(Correlated spectroscopy)
所谓的COSY系指同一自旋体系里质子之 间的偶合相关。1H-1H-COSY可以1H-1H之 间通过成键作用的相关信息，类似于一维 谱同核去偶，可提供全部1H-1H之间的关联。 因此1H-1H-COSY是归属谱线，推导结构及 确定结构的有力工具。
1。COSY－90。的基本脉冲序列包括两个基本脉
冲在此脉冲作用下，根据发展期t1的不同，自旋 体系的各个不同的跃迁之间产生磁化传递，通过 同核偶合建立同种核共振频率间连接图。此图的 二个轴都是1H的δ在ω1＝ω2的对角线上可以找 出一维1H谱相对应谱峰信号。通过交叉峰分别作 垂线及水平线与对角线相交，即可以找到相应偶 合的氢核。因此从一张同核位移相关谱可找出所 有偶合体系，即等于一整套双照射实验的谱图 。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
二维化学位移相关谱包括 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2D-
INADEQUATE。 2）通过空间：NOESY, ROESY。 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
相敏NOESY 与COSY类似，NOESY也适用于相敏 形式。在这种相敏谱上，分辨率高，容 易辨认信号峰，而且谱线比非相敏形式 的谱线狭窄，从而限制了假峰的产生， 有效增加了灵敏度。
phase-sensitive NOESY of strychnine.
N
N
O
O
四。TOCSY
TOCSY脉冲序列：
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). 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。 (2)等高线（Contour plot） 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。
2二维谱实验
A.原则上二维谱可以用概念上不同的三种实
验获得,(如图4.1),(1).频率域实验(frequencyfrequency) (2).混合时域(frequency-time)实 验(3). 时域(time-time)实验.它是获得二维谱 的主要方法,以两个独立的时间变量进行一系 列实验,得到S(t1,t2),经过两次傅立叶变换得 到二维谱S(ω1,ω2).通常所指的2D-NMR均是 时间域二维实验
图4.3 堆积图
等高线
4．二维谱峰的命名
（1）交叉峰（cross peak）:出现在 ω1≠ω2处，（即非对角线上）。从峰的位 置关系可以判断哪些峰之间有偶合关系， 从而得到哪些核之间有偶合关系，交叉峰 是二维谱中最有用的部分。 （2）对角峰（Auto peak）:位于对角线 （ω1＝ω2）上的峰，称为对角峰。对角峰 在F1和F2轴的投影。
但是由于13C天然丰度仅仅为1.1%，出现13C13C偶合的几率为0。01％，13C-13C偶合引起的
卫线通常离13C强峰只有20Hz左右，其强度又仅 仅是13C强峰的1/200，这种弱峰往往出现在强 13C峰的腋部，加上旋转边带，质子去偶不完全， 微量杂质的影响等因素，使1JC-C测试非常困难。 利用双量子跃迁的相位特性可以压住强线，突 出卫线求出JC-C,并根据Jc-c确定其相邻的碳。 一个碳原子最多可以有四个碳与之相连，利用 双量子跃迁二维技术测量偶合碳的双量子跃迁 的频率。13C-13C同核偶合构成二核体系 （AX,AB）两个偶合的13C核能产生双量子跃迁， 孤立的碳则不能。
谱图正负峰以不同的颜色表示（下图蓝色圆圈为正
峰，红色为负峰）。也可以用实心表示正峰，空心 表示负峰。 其交叉峰为纯吸收线形，对角线为色散型 从相敏COSY可以直接读出J值。这里需要辨认主动 偶合和被动偶合。所谓的主动偶合就是相关交叉峰 直接的偶合。其余为被动偶合。主动偶合的每一对 峰总是一正一负。被动偶合的交叉峰是相位相同 （同为正或同为负）
18 --> 11 --> 16 --> 15 --> 17 --> 13.
三。NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
核间磁化传递是通过非相干作用传递，这种传递是靠 交叉驰豫和化学交换来进行。即样品间偶极－偶极传递 的。它的基本脉冲是： π/2-t1-π/2-tm-π/2-ACQ NOESY的基本序列在COSY序列的基础上，加一个固 定延迟和第三脉冲，以检测NOE和化学交换的信息。混 合时间tm是NOESY实验的关键参数，tm的选择对检 测化学交换或NOESY效果有很大影响。选择合适的tm, 可在最后一个脉冲，产生最大的交换，或建立最大的 NOE. NOESY的谱图特征类似于COSY谱，一维谱中出现出 现NOE的两个核在二维谱显示交叉峰。NOESY可以在 一张谱图上描绘出分子之间的空间关系。
图4.1 2D-NMR 三种获得方式
B) 二维核磁共振时间分割
二维谱实验中，为确定所需的两个独立的时间变量，要用特
种技术－时间分割。即把整个时间按其物理意义分割成四个 区间。（如图所示） （1）预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期， 使核自旋体系回复对平衡状态，在预备期末加一个或多个射 频脉冲，以产生所需要的单量子或多量子相干。 （2）发展期：在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激 发，此时间系控制磁化强度运动，并根据各种不同的化学环 境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作出标识。 （3）混合期：在此期间通过相干或极化的传递，建立检测 条件。 4）检测期：在此期间检测作为t2函数的各种横向矢量的 FID的变化以及它的初始相及幅度受到t1函数的调制。
A
M
X
与COSY有关的实验自旋回波
COSY(SECSY),双量子相干谱（DQCCOSY）,同核接力相干谱（RCT）.有兴趣的 同学，可以阅读有关的书籍。
二.天然丰度的双量子13C谱 INDEQUATE (13C-13C-COSY)
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，一种双量子相干技术。是一种 13C-13C化学位移相关谱。在质子去偶的13C谱 中，除了13C信号外，还有比它弱200倍的13C13C偶合卫星峰，13C-13C偶合含有丰富的分子 结构和构型的信息。由于碳是组成分子骨架， 它更能直接反映化学键的特征与取代情况。
O
COSY of 2－丁烯酸乙酯
A
O
B
2。COSY-45 。
－t1-45 。 -ACQ. 在COSY-90的基础上，将第二脉冲改变成45 。 许多的天然产物的直接连接跃迁谱峰在对角 线附近，导致谱线相互重叠，不易解析。采 用COSY-45 。由于大大限制了多重峰内间接 跃迁，重点反映多重峰间的直接跃迁，减少 了平行跃迁间的磁化转移强度，即消除了对 角线附近的交叉峰，使对角线附近清晰。
COSY OF PBF
NOESY of PBFCOSYCodeine的NOESY
6,7
3
5
9
10
12 11
Codeine在高场放大的NOESY
11
18 16
14
17 17’
13
13’ 18’
Table of NOEs 8 - 7, 12 7 - 18, 18' 3 - 5, 10 5 - 11, 16, 18' 9 - 10, 17, 17' 10 - 16 11 - 18, 16, 14, 18' 18 - 13, 18' 16 - 14, 17 13 - 14, 17, 17' 13' - 17, 17' 17 - 17‘
hm
ed
cd bc fh
hk
ci
c fe d e f k
i b a h m
ab af
e
H f h
a OH k
b
C
d
OH
i
m
它只有一个双量子跃迁，其频率正比于两个偶
合的13C核的化学位移之和的平均值。所以如果 两个碳具有相同的双量子跃迁频率，即可以判 断，它们是相邻。 在INADEQUATE谱图中F1与F2分别代表双量子 跃迁频率和13C的卫线，依次代表双量子和单量 子跃迁频率。谱图中一个轴是13C的化学位移， 一个为双量子跃迁频率，其频率正比于两个偶 合的13C核的化学位移之和的平均值。因此谱图 中F1=2F2的斜线两侧对称分布着两个相连的13C 原子信号，表示碳偶合对的单量子平均频率与 双量子频率间的关系，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。依此类推可以找出化合物中 所有13C原子连接顺序。
二维核磁共振谱
Two dimension nuclear magnetic resonance, 2D－NMR
2D－NMR
1971年Jeener 首先提出 2D－NMR 思想:
具有两个时间变量的nmr 1976年 Ernst小组成功实现了2D－NMR实验后，确 定了二维核磁共振的理论基础 20世纪80年代：2D－NMR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