二维谱
二维NMR谱原理及解析
碳谱与氢 谱的对比
氢谱不足
不能测定不 含氢的官能 团
对于含碳较多的 有机物，烷氢的 化学环境类似， 而无法区别
碳谱补充
给出各种含碳官能团 的信息，几乎可分辨 每一个碳核，光谱简 单易辨认
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
ppm
1D 谱 分辨率可通过提高外磁场强 度和增加谱图的维数而提高. nD NMR (n=2,3,4)
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
一维核磁共振氢谱
1D NMR--脉冲序列和原理示意图
D1
核磁共振氢谱
1H NMR是应用最为广泛的核磁共振波谱。
JBC=7 Hz
B,C是磁不等价的核
JAB JAC
Hc C B
A
A
*C
*CH
*CH2 H2
*CH3 H3 H2 H1 C
H1 C C C
H1
由于一些核的自然丰度并非100%.顾此谱图中可能出现偶合分 裂的峰和无偶合的峰.氯仿中的氢谱是一个典型的例子.
H-12C H-13C
H-13C x100
105 Hz
B0
Be
原子核实际感受到的磁场: B = (1-s) B0 S：化学位移常数
化学位移
分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环 境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率.
化学位移
自旋-自旋偶合
Larmor
E B0
频率
e.g. B0=11.7 T,
w(1H)=500 MHz w(13C)=125 MHz 化学位移 ~ B0 » kHz 自旋-自旋偶合» Hz-kHz
一维、二维谱
二
维
谱
突出表现NOE效应的NOESY谱 一维谱中的NOE效应只有在一定空间位置与被照射质
子相近的质子处才能看到。 NOESY系在二维谱上观测NOE效应开发出来的一种 新技术。 NOESY谱上不仅空间相近的质子间的NOE 效应可以观测到，而且它们同时还能作为相关峰出现 在图谱上。（见图） NOESY谱作用——NOE效应因为能提供有关质子间 距离的重要情报，故对解析分子结构十分有用。 在测定NOESY谱时，应当注意适当设定混合时间 （tm）以尽量增大NOE 效应。另外，由于驰豫时间的 2016/7/25 关系，脉冲间隔的等待时间也必须设定得大些。故与 H-H COSY谱相比，测定起来比较困难。
季碳»甲基>次甲基>亚甲基
2
一
维
谱
偏共振去偶谱（OFR）——用于确定各个碳信号分裂 程度的谱。 原理——将去偶器的频率设定在偏离质子共振频率的 一定范围内，即将去偶器的频率设定在比作为内标准 的四甲基硅（TMS）信号（0ppm）高出1个ppm处进 行照射，并测定13C-NMR谱。 这时测得的13C核信号由于连接1H核的数目不同而产生 不同的分裂：连有三个1H核的甲基碳表现为四重峰， 连有两个1H核的亚甲基碳表现为三重峰， 连有一个1H核的次甲基碳表现为二重峰， 不连接1H核的季碳表 现为单峰。 13C—1H核的自旋偶合常数1JCH为120Hz~250Hz。
二
2D
维
谱
C-H相关谱（2D C-H COSY） 在图谱的一侧设定为1H的化学位移，另一侧设定为13C 的化学位移，所得的二维谱称作C-H相关谱。它是异核 相关谱中最主要的一类。 13C、 1H直接结合时将互相偶合，其偶合常数1JCH值 较大，并取决于碳原子的杂化程度。一般，SP3杂化约 为125Hz，SP2杂化约为150Hz，SP杂化约为250Hz。 因为事先作了特殊设定，故观察到的将只是1JCH 范围 内的偶合影响，相关峰将出现在13C化学位移及与该碳 原子直接结合的1H的化学位移的交点处。 对一般化合物来说， 1H的信号归属多可采用H-H 2016/7/25 COSY谱方式顺利解决，但碳的信号归属则较为困难 (丰 度等原因）。可是当1H的信号归属明确时，运用C-H COSY谱便可明确无误地进行13C信号的归属。（见图）
二维核磁共振谱综述
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)
一维、二维谱
二
维
谱
对于复杂分子的结构解析来说，
NOE观察是必不可少的， 故NOESY谱在二维谱中是继H-H COSY谱之后广泛应用 的一种技术。 但如果试样浓度较低，则有可能出现实际不应该出现的 吸收峰。 Aphanamol- I 的NOESY谱。（见图） TOCSY（全相关）谱 在一个分子中，往往有许多个偶合网络。一个偶合网络 可以通过峰与峰之间的偶合相关峰在COSY谱中勾画出来。 由于偶合网络之间常有基团的存在，使得偶合信息传递不 过去，大偶合网络便由此中断。 TOCSY谱就起到将每个 2015/11/10 偶合网络用一个方格网连接起来的功能。 2D H-H相关谱讲解到此，以下介绍2D C-H相关谱。
二 维 谱
2015/11/10
0
25
50
75
100
125
150 ppm ppm 5 4 3 2 1
二
维
谱
二维谱（2D）——是将NMR提供的信息，如化学位
移和偶合常数，H-化学位移和C-化学位移等等，用二 维坐标系绘制成的图谱。 二维谱（2D）包括J 分解谱、相关谱和动态谱等多 种技术。 2D J 分解1H谱——二维J 分解谱是把化学位移（） 和偶合常数（ J ）以二维坐标方式分开的图谱。 2D J 分解谱有三种制作和表示方法。 （A）堆积立体图（Staked plot）。 （B）等高线平面图（Contour plot）。 2015/11/10 （C）断面图（Section plot）。（见图）
一级图谱。
简谱。
2015/11/10
一 维 谱
去耦差光谱（Decoupling
Difference Spectrum） 利用FT-NMR可将信号作数字化处理，信号则可 以进行加减乘除运算的原理。 DDS不仅能在复杂重叠的信号中正确地寻找出相 关信号的耦合关系及准确位置，而且还可以观测出 难以发现的远程耦合。即用作解析重叠谱。（DDS 图示） 示例——-紫罗兰酮的去耦差光谱。 核的Overhauser效应——NOE 选择性地照射一种质子（HA）使其饱和，则与该 2015/11/10 质子在立体空间位置上接近的另一个或数个质子 （HB等）的信号增高的现象称为核Overhauser效应。
二维谱
二维核磁共振二维傅立叶变换核磁共振（2D-FT-NMR）是八十年代发展起来的核磁共振新技术。
二维谱是将NMR提供的信息，如化学位移和偶合常数，氢化学位移和碳化学位移等在二维平面上展开绘制成的图谱。
二维谱可分为同核化学位移相关谱和异核化学位移相关谱前者如1H-1H COSY谱，13C-13C COSY谱，后者则为各种13C-1H COSY谱等。
一、1H-1H COSY谱氢-氢相关谱（1H-1H COSY谱）是二维谱中最常用的。
在氢-氢相关谱上的横轴和纵轴均设定成为氢的化学位移，两个坐标轴上则画有通常的一维谱。
（1）对角峰与相关峰下面是乙酸乙酯的1H-1H COSY谱•在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰如图中信号3•因相邻两原子间或有远程偶合关系的原子间的偶合而引起的，出现在对角线两侧对称的位置上的峰叫做相关峰。
如图中a和a’（2）偶合关系的确定偶合关系的确定有四种方式：▪A方式：从信号2向下引一条垂线和相关峰a相遇，再从a向左划一水平线和信号1相遇，则可确定信号1和2之间存在着偶合关系。
▪B方式：先从信号2向下划一垂线和a相遇，再从a向右划一水平线至对角峰[1]，再由[1]向上引一垂线至信号1，即可确定偶合关系。
▪C方式：按照与B方式相反方向进行。
▪D方式：从1H-1H COSY谱的高磁场侧解析时，除C方式外，也常常采用D 方式。
即从1向下引一条垂线，通过对角峰[1]至a’，再从a’向左划一条水平线，即和1的偶合对象（2）的对角峰[2]相遇，从[2]向上划一垂线至信号2即可确定。
应用1H-1H COSY谱解析化合物的结构就是基于分子中相互偶合的氢之间在谱中会出现相关峰，出现相关峰的质子之间可以是间隔3个键的邻偶，也可以是间隔4个键以上的远程偶合，特别是偶合常数较小的远程偶合，在一维氢谱中有时很难观察到，因而成为1H-1H COSY谱的一个优势。
N H HO O COOH12345678H8H7H5H3在该化合物的二维1H-1H COSY谱中，H-7和H-8的相关峰最强，H-5和H-7的相关峰强度次之，H-5和H-8的相关峰最弱，这也说明两个质子之间的偶合常数越大，相关峰越强，两个原子之间的偶合常数越小，相关峰越弱，这也是1H-1H COSY谱的普通规律。
二维谱的名词解释
二维谱的名词解释在现代科学与技术的应用中，我们经常遇到一种称为“二维谱”的概念。
二维谱是一种用于分析和展示数据的方法，它可以帮助我们更好地理解和研究不同领域的现象和问题。
本文将对二维谱进行详细解释和探讨。
1. 二维谱的基本概念二维谱是一种以二维坐标来表示数据分布和变化规律的方法。
通常，其中一个坐标表示样本或实验的参数，而另一个坐标表示实验结果或观测量。
通过在这个二维坐标系中绘制数据点，我们可以观察到不同参数对实验结果的影响，并进一步揭示出隐藏在数据中的规律和关系。
2. 二维谱的应用领域二维谱可以应用于各个学科和领域，例如物理、化学、生物学、医学、材料科学等。
以核磁共振（NMR）为例，二维NMR谱可以提供更为详细和全面的分子结构信息，帮助科学家们解析复杂的化学结构，从而在药物研发、材料科学和生物医学等领域发挥重要作用。
此外，二维谱也常用于分析图像、声音、信号等多维数据。
3. 二维谱的工作原理二维谱的生成过程主要包括两个步骤：数据采集和数据处理。
数据采集是通过实验或观测得到的原始数据，可以是通过仪器测量得到的信号，也可以是通过记录和观察获得的数据。
数据处理是对采集到的数据进行处理和分析，以获得更清晰和准确的结果。
常用的数据处理方法包括傅里叶变换、滤波、非线性优化等。
4. 二维谱的特点和优势相比于传统的一维谱，二维谱具有更高的分辨率和信息量。
它可以将多个参数同时考虑，帮助我们揭示出参数之间的耦合关系和变化规律。
通过观察二维谱的形状、峰位和峰面积等特征，我们可以更好地理解数据并进行定量分析。
此外，二维谱还具有直观、易于理解和较好的可视化效果，有助于科学家们更深入地探索和研究问题。
5. 二维谱的发展和未来二维谱的发展经历了多个阶段和技术突破。
从最早的核磁共振二维谱到今天的光谱学、质谱学和生物医学领域的二维谱，不断涌现出新的技术和应用。
随着科学技术的不断进步，二维谱的分辨率和灵敏度不断提高，数据处理和分析方法也日渐成熟。
核磁课件 二维谱
Two-dimentional NMR spectra
1
1971年J. Jeener 首次提出了二维核磁共振的概念；Ernst教 授进行了大量卓有成效的研究，推动了二维核磁共振的发展， 再加上他对脉冲-傅立叶变换核磁共振的贡献，获1991年诺 贝尔化学奖 提供相互偶合的观察核之间的相关关系信息 研究分子与分子之间相互作用 确定复杂分子（如生物分子）的结构，了解生物分子在溶液 状态时的空间结构（X-单晶衍射无法做到）
13
H-H二维谱需进行对称处理，去掉不对称的噪声峰。
H-H COSY二对称处理前后的谱图 H-H COSY, TOCSY ；HMQC, HSQC； HMBC
14
2.1、1H-1H COSY
• H-H COSY (H-H correlated spectroscopy) 同核位移相关谱
15
1H-1H COSY谱中的相关峰表示与该峰相交的两个峰之间有 自旋－自旋偶合（J－Coupling）存在。
9
10
11
二. 化学位移相关谱 （COSY）
Two-Dimesional Chemical Shift Correlation Spectroscopy
COSY作用：给出不同化学位移吸收峰之间的空间相关性。 包括同核COSY(通常为H-H耦合)和异核COSY(通常为H-C耦合)。 给出的信息：可以获得H-H之间的2J和3J耦合信息，甚至长程耦合信
通常在化学结构上，两个峰之间有自旋－自旋偶合表示产生 该峰的两个原子之间相隔的化学键数在三键以下。（当它们 之间有双键或三键存在时，四键或五键之间的原子也会有J偶 合存在）
相关峰的强弱(高低)与偶合常数J 值的大小有关，J 值越大相 关峰越强；当偶合常数（J 值）很小时，一维谱上可能表现 不出峰的偶合裂分，但二维谱上仍可能表现出相关峰。
二维核磁共振谱
3. 确定未知物中季碳原子的连接关系
季碳原子上不直接连氢，因此COSY上没有与其对应的交叉峰。 要把季碳原子和别的耦合体系连接起来需要COLOC或HMBC。
4. 确定未知物中的杂原子，并完成它们的连接 从碳谱、氢谱有可能确定杂原子的存在形式，如―C≡N，
―C=N―，―OH，―OCH3等。 从δc，δH的数值，可判断碳氢官能团与杂原子的连接关系。 从碳-氢长程相关谱可确定杂原子与碳氢官能团之间的连接，因
在这样的二维谱中，横座标刻度（ω2）为碳谱化学位移，在该谱上方 有常规碳谱。纵座标为双量子频率ω1，在2D INADEQUATE谱中有一条 ω1＝2ω2的准对角线。所有耦合的（相邻的）一对碳-13核会在同一水平 线上（ω1相同），左右对称地处于准对角线的两侧，且ω2分别等于它们 的δ值处有相关峰。据此可以找出相邻的两碳原子，进而可以连出整个分 子的碳原子骨架。
OH
HO
O
OH
O
HO
OH O
例4：从茛科铁破锣属(Beesia)植物中分离到一新化合物gbc-26，为白 色无定形粉末，mp.274-276℃(CHCl3-MeOH，c，[α]D20十2.6；MeOH， c，0.12)，Liebermann-Burchard反应阳性，Molish反应阳性、薄层 水解检识有木糖。 FAB-MS显示 m/z683[M+H]+，结合1H和13CNMR谱数据推测其分子式 为C37H62O11，不饱和度为7。 IR谱在3600-3100及1040，1090出现强吸收；在1720，1260cm-1显示 强吸收带。
6.56(dd,H-7),
5.99(d,H-8), 2.20
(s,H-10), 1.51(s,5-
Me), 0.87(s,1-Me), 0.78(s,1’-Me)。
二维谱
二维谱
2D-NMR
COSY
• 氢氢相关
H,C-COSY
• HETCOR ，即HETero- nuclear CORrelation spectroscopy • 其相关谱表示该碳与对应的氢直接相连
• -紫罗兰酮的结构为：
10 H Me 7 9 6 2 1 8 O 3 5 4
其C-H COSY为：
• 在实际研究工作中不断积累经验（包括各种结 构的波谱特征），结合各种核磁共振波谱手段 才能逐步具备对未知有机化合物结构解析的能 力；同时，有机波谱也不是万能的，还需要一 些化学反应和半合成（在手性中心的鉴定尤是 如此），还有X-ray单晶衍射方法等。总之， 要尽可能利用多种方法、多种途径多方验证， 这样才能使鉴定的化合物结构正确。
1
4
2
3
5
6
7
F2
6-7
F1
5-6
4-5
2-3
3-4 1-2 HO 2 1 OH
3
4
5
6
7
NOE类二维核磁共振谱
• 检测NOE可以采用一维方式或二维方式。 • 如采用一维方式，需选定某峰组，进行选择性辐照， 然后纪录此时的谱图，由扣去未辐照时的常规氢谱而 得的差谱，得到NOE信息（差谱中某些谱峰的区域呈 正峰或负峰）。由于预先的选择性辐照以使该跃迁达 到饱和，是一种稳定态下的实验，故灵敏度高。
• 13C同位素的天然丰度只有1.1%，两个13C核 相连的几率就只有万分之一了。这也就是说 INADEQUATE实验的灵敏度很低，需要很多 样品（几十乃至上百毫克），且需要很长的实 验时间（有时候需要一周），因此目前的应用 受到了限制。 • 完成INADEQUATE的关键就是抑制掉单个 13C（无13C-13C耦合）的信号。
二维谱
• 但是由于13C天然丰度仅仅为1.1%，出现13C-13C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。
三。NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
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。
COSY OF PBF
NOESY of PBF
Codeine的NOESY
O
COSY of 2－丁烯酸乙酯
A
O
B
二.天然丰度的双量子13C谱 INDEQUATE (13C-13CCOSY)
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。
H-11 to C-14 and/or C-15 H-18 to C-16, C-11 H-13 to C-17, C-14 and/or C-15, C-11 H-14 to C-13 and C-11 H-18' to C-11 H-17 to C14 and/or C-15, C-13
A
• • • •
7.7 8.15 7.4 7.5
111.6 120.6 122.6 127
二维核磁谱解析
从NOESY 谱可以看到如下NOE 效应:
解析：两个通过氢谱难以辨别此化合物是那个结构，但用过
NOESY可以看到叔丁基只和a一个氢有NOE相关信号，所以 可以确定结构 ，如果是 ，那么叔丁基应
该与c,b两个氢有NOE相关信号。
通过羰基对苯环的拉电子作用可以区分 1，1`和 2，2`的化学 位移；但通过3位置氢与1，1`氢有noe，而与2，2`氢没有noe， 通过这一点也可以区分1，1`和2，2`的化学位移
3. 1 核磁共振二维谱的一般知识 核磁共振二维谱的外观一般为等高线图形 ( 圈越多的地 方表示峰越高) . 二维谱的周边轮廓为矩形. 核磁共振二维谱 的横坐标表示为 2或者F2，纵坐标表示为ω1 或者F1，ω或 者F 都是频率的意思. 核磁共振二维谱是把两种核磁共振谱图关联起来（如异 核位移相关谱），或者揭示峰组之间的关系（如同核位移相 关谱、NOE 类相关谱）。 核磁共振二维谱的横坐标（ ω2或者 F2) 所对应的物种是 测定的物种. 例如：H，C-COSY 谱把氢谱和碳谱关联起来， 横坐标是碳谱，即直接测定的是13C棋. 在H，C-COSY 谱中， 纵坐标是1或者F1， 对应的是氢谱。
注意不是 3J耦合的相关峰 . 某个相关峰所对应的两个氢原子
跨越的化学键数目越多，从NOE 效应的角度来看意义越大.
化古物C3 - 7 的结构如下:
其NOESY 谱和NOESY 谱的局部放 大谱分别如图3.1 9 和图3. 20 所示.
通过NOESY 谱的数据，确定如下NOE 效应，因而也就可以 确定侧链的方向：
COSY 谱主要反映的是3J 的耦合信息. 选取任意一个相 关峰作为出发点，通过它作条垂线，会与某对角线峰组及氢 谱中的某峰组相交， 该峰组即是参与(对应这个相关峰)耦合 的一个峰组. 通过所选定的相关峰作一水平线，会与某对角 线峰相交，再通过该对角线峰作一垂线，会与氢谱中的另外 一个峰组相交，此峰组即是参与〈对应这个相关峰〉耦合的 另外一个峰组. 因此，通过COSY 谱中的任意一个相关峰， 可以直接确定有关的一对峰组的耦合关系.不用分析氢谱中峰 组的峰型(不用分析峰组间的等间距)。 COSY 谱一般反映的是3J的耦合信息. 如果4J的数值不小， 在COSY 谱中也可能出现相关峰，这在芳环体系中常可以看 到. 在芳环体系甚至可能出现5J的耦合相关峰. 另外.如果3J 的 数值小〈如影响3J数值的二面角接近90），可能在COSY 谱 中的相关峰很弱，甚至消失.
二维液相色谱的概念
二维液相色谱的概念
二维液相色谱是一种用于生物学领域的分析仪器，其工作原理是将分离机理不同而又相互独立的两支色谱柱串联起来，形成一种分离系统。
这种分离系统能够利用样品的不同特性，如分子尺寸、等电点、亲水性、电荷、特殊分子间作用等，将复杂混合物（如肽）分成单一组分。
在一维分离系统中不能完全分离的组分，在二维系统中可能得到更好的分离，从而提高分离能力和分辨率。
二维液相色谱通常采用两种不同的分离机理分析样品，即利用样品的不同特性把复杂混合物（如肽）分成单一组分，这些特性包括分子尺寸、等电点、亲水性、电荷、特殊分子间作用（亲和）等。
此外，二维液相色谱通常采用两种不同的分离机理分析样品，这些机理包括但不限于利用样品的不同特性进行分离。
例如，在肽或氨基酸等复杂混合物的分离中，首先在一维方向上将混合物进行色谱分离，然后将纸干燥，再将混合物用另一种溶剂在与第一个方向的垂直方向上进行第二次色谱分离。
得到的二维色谱图又称肽谱图，这种分离技术比一维纸上色谱具有更好的分离效果。
二维液相色谱的应用非常广泛，它可以用于分析各种复杂混合物，如肽或氨基酸等。
这种技术可以显著提高峰容量以适应复杂样品的分离分析，从而提高质谱的分析效率，有利于对生物样本进行更深入的探索。
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)
核磁二维谱
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。
二维谱
= I y co s( J IS ) 2 I x S z sin ( J IS )
IS z z I y co s( J IS ) 2 I x S z sin ( J IS ) co s( J IS ) 2 I x S z co s( J IS ) I y sin ( J IS ) sin ( J IS )
M I (t 2 )
iM 2
e
J IS 2
e
i 2
e
J IS 2
e
i J IS t 2
同核J分解谱
脉冲序列：
S(t1) = M0cos( ± Jt1 )
S ( t1 , t 2 ) 1 2 1 2 M 0 ex p ( i Jt1 ) ex p [ i ( J ) t 2 ]
陈林 2011年12月13日
Contents
1 2 3
和
二维谱基本原理 二维J分解谱 二维COSY谱
二维谱概述
2D NMR是近代核磁共振波谱学最重要的里程碑。比利时的J. Jeener在1971年首次提出了二维核磁共振的概念。瑞士的Ernst因
为推动二维核磁共振的发展而荣获1991年诺贝尔化学奖。
J IS t 2 2 I z S z
I y co s( J IS t 2 ) co s( t 2 ) co s( J IS ) I x co s( J IS t 2 ) sin ( t 2 ) co s( J IS 2 ) I y sin ( J IS t 2 ) co s( t 2 ) sin ( J IS 2 ) I x sin ( J IS t 2 ) sin ( t 2 ) sin ( J IS 2 )
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二维核磁共振
二维傅立叶变换核磁共振（2D-FT-NMR）是八十年代发展起来的核磁共振新技术。
二维谱是将NMR提供的信息，如化学位移和偶合常数，氢化学位移和碳化学位移等在二维平面上展开绘制成的图谱。
二维谱可分为同核化学位移相关谱和异核化学位移相关谱
前者如1H-1H COSY谱，13C-13C COSY谱，后者则为各种13C-1H COSY谱等。
一、1H-1H COSY谱
氢-氢相关谱（1H-1H COSY谱）是二维谱中最常用的。
在氢-氢相关谱上的横轴和纵轴均设定成为氢的化学位移，两个坐标轴上则画有通常的一维谱。
（1）对角峰与相关峰
下面是乙酸乙酯的1H-1H COSY谱
•在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰
如图中信号3
•因相邻两原子间或有远程偶合关系的原子间的偶合而引起的，出现在对角线两侧对称的位置上的峰叫做相关峰。
如图中a和a’
（2）偶合关系的确定
偶合关系的确定有四种方式：
▪A方式：从信号2向下引一条垂线和相关峰a相遇，再从a向左划一水平线和信号1相遇，则可确定信号1和2之间存在着偶合关系。
▪B方式：先从信号2向下划一垂线和a相遇，再从a向右划一水平线至对角峰[1]，再由[1]向上引一垂线至信号1，即可确定偶合关系。
▪C方式：按照与B方式相反方向进行。
▪D方式：从1H-1H COSY谱的高磁场侧解析时，除C方式外，也常常采用D 方式。
即从1向下引一条垂线，通过对角峰[1]至a’，再从a’向左划一条水平线，即和1的偶合对象（2）的对角峰[2]相遇，从[2]向上划一垂线至信号2即可确定。
应用1H-1H COSY谱解析化合物的结构就是基于分子中相互偶合的氢之间在谱中会出现相关峰，出现相关峰的质子之间可以是间隔3个键的邻偶，也可以是间隔4个键以上的远程偶合，特别是偶合常数较小的远程偶合，在一维氢谱中有时很难观察到，因而成为1H-1H COSY谱的一个优势。
N H HO O COOH
12345678H8H7H5H3
在该化合物的二维1H-1H COSY谱中，H-7和H-8的相关峰最强，H-5和H-7的相关峰强度次之，H-5和H-8的相关峰最弱，这也说明两个质子之间的偶合常数越大，相关峰越强，两个原子之间的偶合常数越小，相关峰越弱，这也是1H-1H COSY谱的普通规律。
一般说来，在解析1H-1H COSY谱时，应首先选择一个容易识别，有确切归属的质子，以该质子为起点，通过确定各个质子间的偶合关系，指定分子中全部或大部分质子的归属，这就是我们通常所说的“从头开始”法。
在此基础上，再根据其13C-1H直接相关谱，确定有关碳的归属，而季碳一般要通过各种13C-1H远程相关谱归属。
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β紫罗兰酮的1H-1H COSY 图谱
二、HMQC谱和HSQC谱
由于对偶合常数范围做了设定，
图谱上表现出来的只是1J CH 范围内的偶
合关系。
在二维图谱的一侧设定为1H的化学
位移，而另一侧设定为13C的化学位移，
则所得二维谱称作13C-1H相关谱
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13C-1H COSY Spectrum （HMQC ）
HMQC ：
归属直接相连的碳氢之间关系。
13C-1H直接相关谱是异核相关谱中最主要的一种。
异核相关谱中确定偶合关系只要顺着碳、氢信号分别向下和水平方向引直线，其交点处出现的信号峰即为相关峰，在13C-1H直接相关谱中相关峰则表示与此相应的碳氢直接相连。
常规的13C-1H直接相关谱样品的用量较大，测定时间较长。
HMQC技术很好地克服了上述缺点，HMQC是通过多量子相干间接检测低磁旋比核13C的新技术。
HMQC 的F1维（δ
C ）分辨率差是其
较大的缺点。
此外，在HMQC谱的F1方向还会显示1H，1H之间的偶合裂分，它进一步降低F1维的分辨率，也使灵敏度下降。
由于这个原因，近年来，HSQC常用来代替HMQC，它不会显示F1方向1H，1H之间的偶合裂分。
HMQC和HSQC 除在F1维可能有微小的差别之外，二者外观是很近似的。
HMQC和HSQC，尤其是HSQC由于测试要求的样品量相应减少，特别适用于中药和天然药物有效成分的结构测定，是目前国内外获得碳氢直接连接信息最主要的手段。
▪伯碳（CH
3）只与一组氢（3个H）出
现一个相关峰（氢被裂分除外），▪叔碳（CH）也只与相应的一个氢出现相关峰。
▪仲碳（CH
2）在有些情况下，如连接
着不对称碳原子，可能与两个化学位移值相差较大的不等价质子出现两个相关峰。
在HSQC和HMQC谱中
三、HMBC谱
最早应用的碳氢远程相关谱是13C-1H Long Range COSY谱，随后进一步开发应用了COLOC谱。
这两种技术存在灵敏度低，需要样品量大，测试时间长的缺点。
近年开发并得到广泛应用的HMBC谱则克服了上述不足，是迄今为止最强有力、而且应用最普遍的二维核磁共振技术。
HMBC为1H检测的异核多键相关谱，是通过多量子相干间接检测低磁旋比核13C的新技术。
其目的是突出表现相隔2个键（2J
CH ）和相
隔3个键（3J
CH
）的碳氢之间的偶合。
但由于技术上的原因，尚不能完全去掉直
接相连的碳氢之间的偶合（1J
CH ）解析图谱时
要注意区别。
HMBC谱特别方便地应用于结构中存在较多角甲基的三萜和甾体等类化合物的结构研究。
下图是三萜化合物lycoclavanol的HMBC谱
HMBC谱反映的是相隔2个键和3个键的碳氢之间的相关信息，而中间相隔的原子可以是碳，也可以是氧、氮等其他杂原子。
应用HMBC谱可较容易地确定苷分子中糖和糖以及糖和苷元之间的连接位置。
五、NOESY谱
NOESY谱是为了在二维谱上观察NOE效应而开发出来的一种同核相关的二维新技术。
在NOESY谱上，分子中所有在空间上相互靠近的质子间的NOE效应同时作为相关峰出现在图谱上，借此我们可以观察到整个分子中质子间在立体空间中的相互关系，推定分子的结构，特别是分子的立体结构。
NOESY谱是确定化合物立体结构时普遍应用的一种二维技术，但对于中等大小的分子，有时NOE的增益为零，从NOESY谱上得不到相关的信息。
而旋转坐标系中的NOESY，我们称之为ROESY谱则有效地克服了上述NOESY谱的不足，是一种解决中等大小化合物立体结构的理想技术，ROESY谱的解析方法和说明的问题与NOESY谱一致。
NOESY Spectrum
NOE：当两个质子Ha和Hb在立体空间中的位置相近时，若照射Ha 使其饱和，则Hb的强度增加，这种现象称为NOE。
NOE主要用来确定两种质子在分子立体空间结构中是否距离相近。
NOE差光谱：照射某个氢核(Ha)，与其空间相近的氢核（Hb）产生的NOE效应有时不是特别明显，或者Hb与其它氢信号有重叠现象，则可测试NOE差光谱。
β紫罗兰酮的NOESY谱
做谱的一般顺序：
1H-NMR 13C-NMR DEPT(135°) HSQC HMBC NOESY TOCSY
M-CH
3
IR
OH CH3
苯环邻二氢
苯环骨架振动
1H NMR
DEPT
COSY。