二维核磁共振谱全解
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1
第一节 基本原理
NMR 一维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(ω 1,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，于是在一般一维谱 中重迭在一个坐标轴上的信号，被分散到由二个独 立的频率轴构成的平面上，使得图谱解析和寻找核 之间的相互作用更为容易。不同的二维 NMR方法得 到的图谱不同，二个坐标轴所代表的参数也不同。
F1
矩
阵
对
1t FT
F2
6
用固定时间增量⊿t1依次递增 t1进行系列实验， 反复叠加，因 t2时间检测的信号 S(t2)的振幅或相 位受到s(t1)的调制，则接收的信号不仅与 t2有关， 还与t1有关。每改变一个 t1，记录S(t2), 因此得到 分别以时间变量 t1, t2为行列排列数据矩阵，即在 检测期获得一组 FID信号，组成二维时间信号 S(t1,t2) 。因t1,t2是两个独立时间变量，可以分别 对它们进行傅立叶变换，一次对 t2,一次对t1,两次 傅立叶变换的结果，可以得到两个频率变量函数 S(ω1,ω2)的二维谱。
交叉峰有两个，分别出现
1
2
34
5
在对角线两侧，并以对角
线对称。这两个交叉峰和
对角峰可以组成一个正方 形，并且由此来推测这两
F1
组核A和X有偶合关系（或
彼此相关）。
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
1
F2
wk.baidu.com
12
第二节 二维核磁共振光谱的类型
一、二维核磁共振光谱的分类 二维谱可分为三类： 1）J 分解谱
9
β-紫罗兰酮
10
三、二维谱共振峰的名称
1.对角峰
1
5
它们处在坐标F1=F2 2
34
的对角线上，每组自
旋核都有一个对角峰。
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。
F1
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
1
F2
11
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≠F 2。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）。
二维核磁共振波谱法
二维核磁共振 (2D NMR) 方法是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 , 不仅可将化学位移、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, 而且通过提供的 HH、CH、CC之间的偶合 作用以及空间的相互作用，确定它们之间的连 接关系和空间构型，有利于复杂化合物的谱图 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也是目前适用于研究 溶液中生物大分子构象的唯一技术。
4
2、演化期： 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。 t1=t+nΔt ，逐步延长，其对应的核磁信号的相 位和幅值也就不相同。 3、混合期： 由一组固定长度的脉冲和延迟组成。
在此期间通过相干或极化的传递，建立检测条件。 混合期有可能不存在，它不是必不可少的（视二 维谱的种类而定）
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，它的初始相及幅度受到 t1函数 的调制。
与t2轴对应的ω2（ F2轴），通常是化学位移， 与t1轴对应的ω1（ F1 轴）是什么，取决于二维谱 的类型。
5
实验过程： t1=t+nΔt
数据矩阵
二维核磁共振谱
数据矩阵对t2FT
数
据
13
3）多量子谱 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁
（Δm=± 1）。发生多量子跃迁时Δm为大于 1的整 数。研究多量子跃迁可以帮助解决以下问题：（ 1） 多量子跃迁随着阶数的增加，跃迁数目迅速减少， 应用高阶多量子谱使谱得到简化；（ 2）利用多量 子相关的特征，选择性地探测一定阶数的多量子 信号，使不同自旋系统得以分开；（ 3）多量子滤 波可以简化为一维和二维谱，用脉冲序列可以检 测出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱。
2
一、1D-NMR 到2D-NMR的技术变化 （一）一维核磁共振谱及脉冲序列 基本脉冲序列 :
3
（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列 基本脉冲序列 :
二维谱实验通常分为 4个阶段：
d
t1
tm
t2
预备期
演化期
混合期
检测期
1、预备期： 预备期在时间轴上通常是一个较长
的时期，使核自旋体系回复到热平衡状态，
15
在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
16
3
2
5
4
6
H
3
C CH3
4
O
C1
5
6
C
2
O CH2 CH3
H
F1
-10
J0 (HZ)
10
δH 6
4
2 F2
反式丙烯酸乙酯的 1H－1H同核二维J分解谱
7
二、常用 2D-NMR图谱的表现形式 1.堆积图 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。
8
2.等高线图
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 广泛采用等高线图。 3. 投影图（一维谱） 堆积图在 F1或F2方向上的投影，是一维谱形 式，可用来准确确定 F1轴或F2轴上各谱峰的 化学位移值。
J 分解谱亦称 J谱或者δ -J谱。它把化学位移和自 旋偶合的作用分辨开来，分别用 F2、F1表示，包 括异核和同核 J谱。 2）化学位移相关谱
化学位移相关谱也称δ -δ谱，它把不同自旋核的 共振信号相互关联起来，是二维谱的核心。包括 同核化学位移相关谱，异核化学位移相关谱， NOESY 和化学交换谱等。
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二、 二维J分解谱
二维J分解谱是将不同的 NMR信号分解在两 个不同的轴上，使重叠在一起的一维谱的化学 位移δ和偶合常数 J分解在平面两个坐标上，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
同核二维J分解谱将1HNMR中重迭密集的谱线多重峰结 构展开在一个二维平面上，可将偶合常数3JHH（或2JHH)与 化学位移分别在F1、F2二个轴上给出，在F1轴上清晰给出 峰的多重性，读取J值。
第一节 基本原理
NMR 一维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(ω 1,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，于是在一般一维谱 中重迭在一个坐标轴上的信号，被分散到由二个独 立的频率轴构成的平面上，使得图谱解析和寻找核 之间的相互作用更为容易。不同的二维 NMR方法得 到的图谱不同，二个坐标轴所代表的参数也不同。
F1
矩
阵
对
1t FT
F2
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用固定时间增量⊿t1依次递增 t1进行系列实验， 反复叠加，因 t2时间检测的信号 S(t2)的振幅或相 位受到s(t1)的调制，则接收的信号不仅与 t2有关， 还与t1有关。每改变一个 t1，记录S(t2), 因此得到 分别以时间变量 t1, t2为行列排列数据矩阵，即在 检测期获得一组 FID信号，组成二维时间信号 S(t1,t2) 。因t1,t2是两个独立时间变量，可以分别 对它们进行傅立叶变换，一次对 t2,一次对t1,两次 傅立叶变换的结果，可以得到两个频率变量函数 S(ω1,ω2)的二维谱。
交叉峰有两个，分别出现
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在对角线两侧，并以对角
线对称。这两个交叉峰和
对角峰可以组成一个正方 形，并且由此来推测这两
F1
组核A和X有偶合关系（或
彼此相关）。
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CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
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第二节 二维核磁共振光谱的类型
一、二维核磁共振光谱的分类 二维谱可分为三类： 1）J 分解谱
9
β-紫罗兰酮
10
三、二维谱共振峰的名称
1.对角峰
1
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它们处在坐标F1=F2 2
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的对角线上，每组自
旋核都有一个对角峰。
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。
F1
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
1
F2
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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≠F 2。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）。
二维核磁共振波谱法
二维核磁共振 (2D NMR) 方法是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 , 不仅可将化学位移、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, 而且通过提供的 HH、CH、CC之间的偶合 作用以及空间的相互作用，确定它们之间的连 接关系和空间构型，有利于复杂化合物的谱图 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也是目前适用于研究 溶液中生物大分子构象的唯一技术。
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2、演化期： 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。 t1=t+nΔt ，逐步延长，其对应的核磁信号的相 位和幅值也就不相同。 3、混合期： 由一组固定长度的脉冲和延迟组成。
在此期间通过相干或极化的传递，建立检测条件。 混合期有可能不存在，它不是必不可少的（视二 维谱的种类而定）
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，它的初始相及幅度受到 t1函数 的调制。
与t2轴对应的ω2（ F2轴），通常是化学位移， 与t1轴对应的ω1（ F1 轴）是什么，取决于二维谱 的类型。
5
实验过程： t1=t+nΔt
数据矩阵
二维核磁共振谱
数据矩阵对t2FT
数
据
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3）多量子谱 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁
（Δm=± 1）。发生多量子跃迁时Δm为大于 1的整 数。研究多量子跃迁可以帮助解决以下问题：（ 1） 多量子跃迁随着阶数的增加，跃迁数目迅速减少， 应用高阶多量子谱使谱得到简化；（ 2）利用多量 子相关的特征，选择性地探测一定阶数的多量子 信号，使不同自旋系统得以分开；（ 3）多量子滤 波可以简化为一维和二维谱，用脉冲序列可以检 测出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱。
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一、1D-NMR 到2D-NMR的技术变化 （一）一维核磁共振谱及脉冲序列 基本脉冲序列 :
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（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列 基本脉冲序列 :
二维谱实验通常分为 4个阶段：
d
t1
tm
t2
预备期
演化期
混合期
检测期
1、预备期： 预备期在时间轴上通常是一个较长
的时期，使核自旋体系回复到热平衡状态，
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在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
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C CH3
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C
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J0 (HZ)
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δH 6
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2 F2
反式丙烯酸乙酯的 1H－1H同核二维J分解谱
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二、常用 2D-NMR图谱的表现形式 1.堆积图 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。
8
2.等高线图
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 广泛采用等高线图。 3. 投影图（一维谱） 堆积图在 F1或F2方向上的投影，是一维谱形 式，可用来准确确定 F1轴或F2轴上各谱峰的 化学位移值。
J 分解谱亦称 J谱或者δ -J谱。它把化学位移和自 旋偶合的作用分辨开来，分别用 F2、F1表示，包 括异核和同核 J谱。 2）化学位移相关谱
化学位移相关谱也称δ -δ谱，它把不同自旋核的 共振信号相互关联起来，是二维谱的核心。包括 同核化学位移相关谱，异核化学位移相关谱， NOESY 和化学交换谱等。
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二、 二维J分解谱
二维J分解谱是将不同的 NMR信号分解在两 个不同的轴上，使重叠在一起的一维谱的化学 位移δ和偶合常数 J分解在平面两个坐标上，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
同核二维J分解谱将1HNMR中重迭密集的谱线多重峰结 构展开在一个二维平面上，可将偶合常数3JHH（或2JHH)与 化学位移分别在F1、F2二个轴上给出，在F1轴上清晰给出 峰的多重性，读取J值。