二维核磁共振谱

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第二节 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。
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在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
15
3
2
5
4
6
F1
-10
O H
3
C C
2
1
5
6
0
J (H )
Z
C CH 3
4
O H
CH 2
CH 3
10
δ
H
6
4
2
F2
反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二维J分解谱
16
1/2JHH
17
18
2位的a-H和e-H相互偶合， 裂分为双峰后进一步被3位 氢裂分而显示六重峰。同 样，3-H的a、e质子首先裂 分为双峰，再被邻位2-H和 4-H质子进一步裂分为十二 重峰，但由于有些峰相互 重叠，在2DJ分解谱中只 显示10个点。5位甲基没有 受到偶合，因此只在F1=0 轴上显示单峰。
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。但是由于13C天然丰 度仅仅为1.1%，出现相连13C-13C偶合的 几率为0.01％，使1JC-C测试非常困难,信 号累加时间达两天，只在迫不得以才做。 两个偶合的13C核能产生双量子跃迁，跃迁 频率相等，孤立的碳则不能。
31
1H:
90
13C:
1H-1H-COSY是1H核和1H核之间的化学位 移相关谱。在通常的横轴和纵轴上均设定为1H 的化学位移值，两个坐标轴上则显示通常的 一维1H谱。 在该谱图中出现了两种峰，分别为对角峰及 相关峰。同一氢核信号将在对角线上相交， 相互偶合的两个/组氢核信号将在相关峰上 相交，一般反映的是 3J 偶合。
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臵， 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。
5
4
3
2
1
F2
25
1
6
26
O HO 6 7 8 5 4 1 N H 3
H8 H7 H5
2 COOH
H3
H3
H7 H5
H8
27
-CH3
-CH -CH2 -CH2 -CH2
ArH
28
5,11 6 8 14 7 13 12
29
5H 5/H
2J偶合
30
二、碳、碳化学位移相关谱 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，采用一种天然丰度双量子相干 （INADEQUATE）技术进行测定。
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
演化期
tm
t2
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，
4
预备期
混合期
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。
O
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。
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
一、氢、氢化学位移相关谱
（1H- 1H Correlation spectroscopy，1H- 1H COSY）
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1H- 1H
COSY-900基本脉冲序列：
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。
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1 2 3 4
5
F1
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
180
CPD 90 t1
90
2D INADEQUATE谱图有两种形式，第一种形 式，F2轴是13C的化学位移，F1为双量子跃迁频率， 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。另一种形 式，F2轴F1轴都是13C的化学位移，相互偶合的碳 核作为一对双峰出现在对角线两侧对称的位臵上。 依此类推可以找出化合物中所有13C原子连接顺 序。
9
β-紫罗兰酮
10
三、二维谱共振峰的名称 1.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。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
1 2 3 4
5
F1
5
4
3
2
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≠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）。 1 5 交叉峰有两组，分别出 2 3 4 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。
一、13C检测的异核化学位移相关谱
COSY谱图中F2为13C化学位移，F1为 1H化学位移，没有对角峰，其交叉峰表明C-H相 连偶合的信息，季碳不出交叉峰。解析时，可以 从一已知的氢核信号，根据相关关系，即可找到 与之相连的13C信号，反之亦然。可以从谱图中 得到1JC-H的结构信息。
37
13C- 1H
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。
42
HMQC谱
43
O
A
O
B
44
9 7 6 8
O
5 1 2 3 4 6 7 8 9
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(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，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。
5
实验过程：
t1=t+nΔt
数据矩阵
数据矩阵对t2FT F1
数 据 矩 阵 对 t1FT
二维核磁共振谱
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。
d2=1/2 1JCH
GARP
13C:
BIRD
Basic HMQC
HMQC是将1H信号的振幅及相位分别依13C化 学位移及1H间的同核化学偶合信息调制，并通 过直接检测调制后的1H信号，获得13C-1H化学 位移相关数据。它所提供的信息及谱图与1H13C COSY完全相同。图上F2坐标是1H的化学位 移, F1 是13C化学位移，直接相连的13C与1H将在 对应的13C化学位移与1H化学位移的交点处给出 相关信号。不能得到季碳的结构信息。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
F1
5
4
3
2
1
F2
12