4.2D核磁共振谱

Fourier Transform
2D NMR: Coupling is the Key
2D detect signals twice (before/after coupling) 90ºpulse
t1
t2
Same as 1D experiment
Transfers between coupled spins
2 D C-H相关谱 （C-H COSY)
10 7 1 6 8 5 4 9
O
2 D 远程 C-H COSY
1
6 5
7 1 6 8 5 4
10 7 9 8 O
10 9
O
4
TOCSY、 HOHAHA

TOCSY（Total Correlation Spectroscopy） 与 HOHAHA（HomonuclearHartmann Hahn spectscopy） 称为总相关谱。可从某一个氢核的谱峰出发，找到与 它处于同一耦合体系的所有氢核谱峰的相关峰。 TOCSY 和 HOHAHA 的用途及谱图的外观是一样的，只 是实验时所用的脉冲序列不同。TOCSY 和 HOHAHA 谱 目前正被越来越广泛的使用。
丙烯酸丁酯的同核J分解谱
2 D J 分解 1H NMR谱

Mugineic acid 是存在于禾本科植物中，具有输送铁 的功能的一种物质
COO + 1' NH
-
COO1'' + N OH H2
COOH OH
异核 J 谱

异核 J 谱常见的为碳原子与氢原子之间产生偶合的 J 分解谱，它的
2方向（水平轴）的投影如同全去偶碳谱。 1方向（垂直轴）反映
2 D H-H相关谱---H-H COSY
H-H COSY----ionone
10 7 1 6 8 5 4 9
O

通过COSY谱，可以了解质子间偶合的全部情况，而且可以知道远程 偶合是否存在以及与其偶合的对方质子
突出表现远程偶合的H-H COSY谱 (D COSY)
11 1 2 3 12 13 14
二维核磁共振时间轴
预备期发展期混合期检出期

预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实验前的体 系能回复到平衡状态。

发展期（t1）：在 t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之 处于非平衡状态。发展期的时间 t1是变化的。

混合期（tm）：在这个时期建立信号检出的条件。混合期有可能不存

异核位移相关谱



在异核位移相关谱测试技术上又有两种方法，一种是对异核（非氢核）进 行采样，这在以前是常用的方法，是正相实验，所测得的图谱称为“C，H COSY”或长程“C，H COSY”、COLOC（远程13C—1H化学位移相关谱， Correlation Spectroscopy Via Long Rang Coupling）。 因是对异核进行采样，故灵敏度低，要想得到较好的信噪比必须加入较多 的样品，累加较长的时间。 另一种是对氢核进行采样，这种方法是目前常用的方法，为反相实验，所 得的图谱为 HMQC（1H 检测的异核多量子相干实验，1H Detected Heteronuclear Muliple Quantum Coherence）、HSQC（1H 检测的异核单 量子相干实验，1H Detected Heteronuclear Single Quantum Coherence ）或 HMBC（1H 检 测 的 异 核 多 键 相 关 实验，1H Detected Heteronuclear Muliple Boan Correlation 或 Long Range Heteronuclear Multiple Quantum Coherecel）谱。 由于是对氢核采样，故对减少样品用量和缩短累加时间很有效果。



COSY 谱本身为正方形，当 F1和 F2谱宽不等时则为矩形。正 方形中有一条对角线（一般为左下———右上）。对角线上 的峰称为对角峰（ diagonal peak）。对角线外的峰称为交 叉峰（ cross peaks）或相关峰（correlated peaks）。每 个相关峰或交叉峰反映两个峰组间的耦合关系。COSY 主要反 映3J耦合关系。 它的解谱方法是：取任一交叉峰作为出发点，通过它作垂线 ，会与某对角线峰及上方的氢谱中的某峰组相交，它们即是 构成此交叉峰的一个峰组。再通过该交叉峰作水平线，与另 一对角线峰相交，再通过该对角线峰作垂线，又会与氢谱中 的另一峰组相交，此即构成该交叉峰的另一峰组。 要注意的是 COSY 一般反映的是3J 耦合关系，但有时也会出 现少数反映长程耦合的相关峰，另一方面，当3J 小时（如两 面角接近 90 ，使3J很小），也可能没有相应的交叉峰。
2D 核磁共振谱
胡立宏 研究员
2004-2
Slide number
二维 FT-NMR

是八十年代经 Ernst和 Freeman 等小组的努力发展起来的 NMR新技术，是NMR软件开发和应用最新技术的结果。 二维核磁共振谱的出现对鉴定有机化合物结构来说，解决 问题更客观、可靠，而且提高了所能解决的难度和增加了 解决问题的途径。 化学位移和偶合常数: (H)- (H)， (H)-(C), (C)-(C), (H)-J, (C)-J 采用软件对对二维谱进行自动解析
t1
t2
2D NMR Pulse Sequence
The 2D NMR Spectrum
Pulse Sequence
t1
t2
Spectrum
Before mixing
Coupled spins
After mixing
The Power of 2D NMR: Resolving Overlapping Signals
了各个碳原子谱线被直接相连的氢原子产生的偶合裂分：CH3显示四
重峰，CH2显示三重峰，CH 显示双重峰，季碳显示单峰。由于 DEPT 等测定碳原子级数的方法能代替异核 J 谱，且检测速度快，操作方 便，因此异核 J 谱较少应用。
2 D C-H J分解谱
10 7 1 6 8 5 4 9
O
2 D H-H相关谱---H-H COSY


当遇到中等大小的分子时（分子量约为 1000-3000），由于此时 NOE 的增益约为
零，无法测到NOESY 谱中的相关峰（交叉峰），此时测定旋转坐标系中的 NOESY 则是一种理想的解决方法，这种方法称为 ROESY（ Rotating frame Overhause Effect Spectroscopy），由此测得的图谱称为 ROESY谱。ROESY 谱的解析方法与
二维 J 谱包括同核 J 谱及异核 J 谱。弱偶合体系的同核 J 谱中最 常见的为氢核的 J 分解谱，其表现形式简单：2维方向（水平轴）反 映了氢谱的化学位移 H，在 2 方向的投影相当于全去偶谱图，化学 位移等价的一种核显示一个峰； 1维方向（垂直轴）反映了峰的裂分 和 JH-H值，峰组的峰数一目了然。
O
8
10 4 6
7
15
HOFra Baidu bibliotek
用以区别偕偶和邻偶的COSY-45谱
H-H COSY
COSY-45
11 1 2 3 12 13 14
O
8
10 4 6
7
15
HO
NOESY 和ROESY

二维 NOE 谱简称为 NOESY，它反映了有机化合物结构中核与核之间空间距离的关 系，而与二者间相距多少根化学键无关。因此对确定有机化合物结构、构型和构
t1
t2 t3
3D NMR Pulse Sequence Experiments are composites acronyms are composites
Acronyms For Basic Experiments
Differ Only By The Nature Of Mixing
Homonuclear Scalar Coupling COSY TOCSY Multiple Quantum Dipolar Coupling NOESY Heteronuclear HSQC Hetero-TOCSY HMQC
NOESY 相似，同样 ROESY 谱中的交叉峰并不全都表示空间相邻的关系，有一部分
则是反映了耦合关系，因此在解谱时需注意。
突出表现NOE效应的NOESY谱
a a
CHO
b c d
CHO
b c
HO HO
d
OCH3
OCH3 e
突出表现NOE效应的NOESY谱
10 7 1 6 8 5 4 9 7 1 6 8 5 4
NOESY-HSQC NOESY-HMQC
二维核磁共振谱的表现形式
J 分解谱

在通常的一维谱中，往往由于值相差不大，谱带相互重叠（或部分重 叠）。磁场的不均匀性引起峰的变宽，加重了峰的重叠现象。由于峰 组的相互重叠、每种核的裂分峰形常常是不能清楚反映的，耦合常数 也不易读出。在二维 J 谱中，只要化学位移 略有差别（能分辨开 ），峰组的重叠即可避免，因此二维 J 谱完美地解决了上述的问题。
10 9
O
O
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。它又分为直接相关谱和远程相关谱， 直接相关谱是把直接相连的13C 和1H 核关联起来，矩形的二 维谱中间的峰称为交叉峰（ cross peak）或相关峰（ correlated peak），反映了直接相连的13C 和1H 核，在此 图谱中季碳无相关峰。 远程相关谱则是将相隔两至四根化学键的13C 和1H 核关联起 来，甚至能跨越季碳、杂原子等，交叉峰或相关峰比直接相 关谱中多得多，因而对于帮助推测和确定化合物的结构非常 有用。
在，它不是必不可少的（视二维谱的种类而定）。 检出期（t2）：在检出期内以通常方式检出 FID 信号。

The Pulse FT NMR Experiment
90ºpulse
Experiment
equilibration
(t)
detection of signals
Data Analysis
Time domain (t)
象以及生物大分子（如蛋白质分子在溶液中的二级结构等）有着重要意义。

NOESY 的谱图与H-H COSY 非常相似，它的 F2维和 F1维上的投影均是氢谱，也有 对角峰和交叉峰，图谱解析的方法也和 COSY 相同，唯一不同的是图中的交叉峰 并非表示两个氢核之间有耦合关系，而是表示两个氢核之间的空间位置接近。 由于 NOESY 实验是由 COSY 实验发展而来为的，因此在图谱中往往出现 COSY 峰 ，即 J偶合交叉峰，故在解析时需对照它的1H -1H COSY 谱将J 偶合交叉峰扣除 。在相敏 NOESY 谱图中交叉峰有正峰和负峰，分别表示正的 NOE 和负的 NOE。
1D 2 signals overlapped
2D
2 cross peaks resolved
Higher Dimensional NMR: Built on the 2D Principle
3D- detect signals 3 times 90ºpulse
(t3)
Same as 1D experiment


若为强偶合体系，其同核 J谱的表现形式将比较复杂。
2 D J 分解 1H NMR谱

等高线平面谱
2 D J 分解 1H NMR谱

2-H和3-H的断面图
5.85 H H O
H
4.20 O 1.70
5.85 ppm (dd, J = 10,2)
4.20 ppm (t, J = 6.5)
1.70 ppm (m)



二维核磁共振谱的形成

二维谱是两个独立频率变量的信号函数 S（1，2），关键的一点是两个 独立的自变量都必须是频率，如果一个自变量是频率，另一个自变量是时 间、温度、浓度等其他的物理化学参数，就不属于我们所指的二维 NMR 谱，它们只能是一维 NMR 谱的多线记录。我们所指的二维 NMR 谱是专指 时间域的二维实验，这是一种以两个独立的时间变量进行一系列实验，得 到信号 S（t1，t2）。经两次 Fourier变换得到的两个独立的频率变量的 信号函数 S（ ）。这种实验方法也称为二维Fourier变换实验。一般 把第二个时间变量 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。