核磁课件 二维谱
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图：接力相关谱的作用 对角线峰 RCOSY附加的相关峰 用COSY不能确定连接顺序，若再 附加RCOSY的相关峰，即可解决
24
接力相关谱RCOSY应用不多，总相关谱应用多 TOCSY-（Total Correlation Spectroscopy）总相关谱：
从一某个氢核出发，能找到与它处于同一耦合（自旋） 体系的所有氢核的谱峰的相关峰（尽管所讨论的氢核和 若干氢核之间的耦合常数可能为零） TOCSY谱是COSY往RCOSY的进一步延伸。从任一谱峰 出发，可以找到好几个相关峰，它们表示与该氢核处于 同一个自旋体系
息。获得C-H之间的1J耦合信息。 谱图结构：矩形图横坐标和纵坐标均为化学位移，并在外围分别给出
常规NMR图，矩形内部以等高线形式给出各峰之间的耦合关系。 位于对角线(一般为左下角到右上角)上的等高线称为对角线峰，反映
核自身耦合，对角线两侧的等高线称为交叉峰，反映核与核之间的耦 合情况，对角线两侧图形完全对称。
12
测试：二维谱测试前先测好一维谱，如果是H-H二维谱 则先测氢谱。如果是C-H二维谱则先测好氢谱和碳谱， 然后选好相应的脉冲序列。设定所用参数，根据一维谱 设置二维谱范围，设定f2 轴（横轴）谱累加次数，设定 f1 轴（纵轴）谱所用数据点（最少64个）。采样后选取 相应的的窗函数，傅里叶变化得到结果
13C-1H相关COSY谱(cross correlated heteronuclear, HETCOR) ，直接相连的1H-13C关联。没有对角线峰。每个 相关峰表示相交的氢、碳峰所对应的氢、碳原子是直接相连 的。
可以使氢谱和碳谱中的谱峰指认信息相互利用、相互印证。
46
47
若把13C、1H的位移相关谱由检测13C变为检测1H，S/N(灵 敏度)将大大提高，对于减少样品用量和累加次数具有显 著效果。这样的实验通称为反转模式（inverse mode）
2
一维谱：自由感应衰减FID信号通过傅里叶变换，从时 域函数转换成频域函数-谱线强度与频率的关系，这是一 维谱，变量只有一个-频率。氢谱和碳谱称为一维谱，谱 上的横坐标是频率谱，而纵坐标是强度
二维谱：两个时间变量（t1，t2），经两次傅里叶变换 得到的两个独立的频率变量的谱图。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。 横坐标和纵坐标都是频率谱。
16
COSY (获得3J偶合关系)
3
O
35
2O
5
1
46
4
n-butyl acetate
1
6
45
ppm
3
17
1H,1H化学位移相关谱(1H,1H COSY)：获得3J的偶合关系
6
3
1 45
5 4
O
C H3C 2
1
3 CH2 O
CH2 4
5 CH2
CH3 6
3
n-butyl acetate
18
COOH
3
3
34
35
2
1
3
36
37
38
39
40
COSY
41
1 5
NOESY
42
COSY
43
1 5
NOESY
44
45
四、异核位移相关谱
根据13C与1H相关的远近，分为两种：第一种相应于H CCOSY，即1H和13C以1JCH相耦合；第二种相应于长程H CCOSY，即1H和13C以nJCH相耦合。均是对13C采样，灵敏度 低，需样品量大，测试时间长。
4
二维谱的表现形式 堆积图 (stacked trace plot)：堆积图由很多条“一维”谱 线紧密排列构成。优点是直观、有立体感；缺点是难定出 吸收峰的频率，大峰后面可能隐藏较小的峰。
等高线图(contour plot)：类似于等高线图，最中心的圆 圈表示峰位置，圆圈的数目表示峰的强度，优点易于找出 峰的频率，作图快，缺点是低强度的峰可能漏画。(横切面： 二维谱的峰是在两个频率维平面上的柱状立体峰，平常看 到的的谱是选取其横切面得到类似等高线的平面图) 注意：二维谱常有假峰出现
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
Ar-H
CH2 CH CH3
19
Ar-H
CH3
2CH2 CH2
CH3
CH
20
非诺多泮的1H谱
21
• H-H COSY 解决氢与氢之间的偶合关系
22
2.2、接力类位移相关谱和总相关谱
接力类位移相关谱是位移相关谱的延伸 。作为同核体系， 延伸到整个自旋体系则是总相关谱
接力技术（Relay）：考虑一个三旋系统（A-B-C），其中 A和B以及B和C互为偶合对，但A和C不偶合。同核接力试 验产生从质子A到质子B的极化转移（PT），质子B起接力 作用，并由B接力至C。所以在一个H，H，H接力试验中 能观察出连接A和C的交叉峰，尽管A和C核不存在相互偶 合关系。和一般H-HCOSY谱相比，接力谱能提供更进一 步的H，H连接信息。
n-butyl acetate
27
2.3、1H-1H NOESY
有机合成反应中会经常出现异构体，在异构体构型鉴别中，NOE是一种 非常有效的手段。NOE谱对有机化合物结构、构型、构象的鉴定能够提 供重要信息.
NOE谱可以采用一维或二维方式，通常都采用二维谱图(NOESY)的方式 ，二维谱方便快捷，可观察的信息全。
23
RCOSY-接力的同核位移相关谱：把COSY的相关延伸下去 AMX 体系：存在JAM和 JMX，JAX=0，COSY中无A-X相关
峰；若样品中存在另一个A'M'X' 体系，存在JA'M'和 JM'X' ，JA'X'=0; 设M和M'的化学位移偶然重合，按照COSY谱， 无法确定连接顺序是A-M(M')-X还是A-M(M' )-X'，如下图 所示
28
NOESY (获得分子空间中之关系)
(<5Å)
1
12
11
7
89
ppm
11
O
4
9 10 5
8
6
2 3
1
7
12
β-ionone
9 8
29
30
CH3
31
32
NOESY谱中不仅有NOE的相关 峰，也有耦合的相关峰，在测 NOE的图谱时也要测COSY谱与 其比较，去除其中的耦合峰
33
2 2' 1 1'
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。
第五章 二维核磁共振波谱
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）
3
二维谱分类： J 分解谱 (J resolved Spectroscopy): J 谱，δ-J 谱，把化
学位移和自旋耦合分辨开来，包括异核J 谱及同核J 谱
化学位移相关谱 (chemical shift spectroscopy)：δ –δ 谱，
二维谱的核心，表明共振信号的相关性。三种位移相关 谱：同核偶合、异核偶合、NOE和化学交换 多量子谱(multiple quantum spectroscopy)：通常所测定 的核磁共振谱线为单量子跃迁（∆m=±1）。发生多量 子跃迁时∆ m为大于1的整数。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
二维J 分解谱的外观：横坐标为化学位移，图上部给 出常规NMR图，纵坐标为偶合常数，以Hz为单位，图 中以等高线方式给出吸收峰的分裂图形。
二维J 分解谱的应用：对于复杂NMR图谱，可以直接 读出偶合常数值，并清晰获得峰的重数。
同核二维J 分解谱给出同核（通常为H-H耦合）之间的 偶合信息；异核二维J分辨谱给出C-H之间耦合信息
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。要求 两种质子的空间距离小于5A。NOE和空间因素有关系，和相隔的化学键 数无关，所以在分析NOE谱图时候，一定要能画出结构的立体构型以便 解析。
NOESY谱的识谱方法和COSY谱相通，但NOESY谱相关峰表示的是氢 和氢之间有NOE关系而不是偶合关系。
HMQC和HSQC谱除在F1维可能有微小的差别之外， 二者外观近似。
55
HSQC (获得1JH-X之关系)
3
6 5
1 4
3
Oபைடு நூலகம்
35
2O
1
46
n-butyl acetate
2
1
6
45
ppm
56
HSQC
CH2CCHH3 CH2
CH2
21
CH3 2CH2 CH2 CH
12
57
1H-13C HMBC------碳氢远程相关实验
HMBC：异核二维谱，没有对角线峰。每个相关峰表示 相关的氢、碳峰是以两键、叁键或四键相连的。
HSQC只能解决一键CH连接问题，利用HMBC可得相隔 2个或3个键的C-H相关信号，有时相隔4根键也会有相关 信号，但比较少。HMBC在确定空间构型中有很大帮助。
由于脉冲序列的关系，HMBC谱中有时也会出现一键偶 合的峰，是以一对相隔一百多Hz的小峰出现在对应氢峰 （对称）的化学位移两边。
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。
远程耦合的1H-13C关联，HMBC HMBC[(1H-detected) heteronuclear multiple-bond correlation, (检出1H的）异核多键相干 ]
48
O O OH O
PhHN O OH
6
HMQC
49
3
1
6
HMQC
45
6-C
5-C 1-C
4-C
O
3
5
C H3C 2
25
TOCSY (获得所有J-偶合关系)
3
O
35
2O
1
46
n-butyl acetate
1
6
45
ppm
3
26
总相关谱(total correlation spectroscopy, TCOSY)：获得所
有J-的偶合关系
6
3
1 45
O C H3C 2 1
3
3
5
CH2 O
CH2 4
CH2
CH3 6
5
堆积图表示法
等高线表示法
CH3CH2OH
6
7
最常用的属2D COSY(2D correlated spectroscopy) —— 位移相关谱，含有两个频率轴和一个强度轴
2012-12-08
8
一、 二维J分解谱 (2D J-resolved Spectroscopy, 2DJ )
二维J 分解谱的作用：将化学位移和偶合常数在平面 内展示，消除互相干扰。
直接相连的1H-13C关联，HMQC，HSQC HMQC[(1H-detected) heteronuclear multiple-quantum coherence, (检出1H的）异核多量子相干 ] HSQC [(1H-detected) heteronuclear single-quantum coherence, (检出1H的）异核单量子相干]
1
CH2 O
CH2 4
CH2
CH3 6
3-C
50
11
56
14 14 1 1
51
2CH3
11
5
6
14 14 1 1
52
53
54
HMQC在F1维（δC方向）分辨率差，而且还会显示 出1H，1H之间的耦合裂分，进一步降低F1维的分辨， 也使灵敏度下降，HMQC近来常由HSQC所代替。 HSQC [(1H-detected) heteronuclear single-quantum coherence, (检出1H的）异核单量子相干]
24
接力相关谱RCOSY应用不多，总相关谱应用多 TOCSY-（Total Correlation Spectroscopy）总相关谱：
从一某个氢核出发，能找到与它处于同一耦合（自旋） 体系的所有氢核的谱峰的相关峰（尽管所讨论的氢核和 若干氢核之间的耦合常数可能为零） TOCSY谱是COSY往RCOSY的进一步延伸。从任一谱峰 出发，可以找到好几个相关峰，它们表示与该氢核处于 同一个自旋体系
息。获得C-H之间的1J耦合信息。 谱图结构：矩形图横坐标和纵坐标均为化学位移，并在外围分别给出
常规NMR图，矩形内部以等高线形式给出各峰之间的耦合关系。 位于对角线(一般为左下角到右上角)上的等高线称为对角线峰，反映
核自身耦合，对角线两侧的等高线称为交叉峰，反映核与核之间的耦 合情况，对角线两侧图形完全对称。
12
测试：二维谱测试前先测好一维谱，如果是H-H二维谱 则先测氢谱。如果是C-H二维谱则先测好氢谱和碳谱， 然后选好相应的脉冲序列。设定所用参数，根据一维谱 设置二维谱范围，设定f2 轴（横轴）谱累加次数，设定 f1 轴（纵轴）谱所用数据点（最少64个）。采样后选取 相应的的窗函数，傅里叶变化得到结果
13C-1H相关COSY谱(cross correlated heteronuclear, HETCOR) ，直接相连的1H-13C关联。没有对角线峰。每个 相关峰表示相交的氢、碳峰所对应的氢、碳原子是直接相连 的。
可以使氢谱和碳谱中的谱峰指认信息相互利用、相互印证。
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若把13C、1H的位移相关谱由检测13C变为检测1H，S/N(灵 敏度)将大大提高，对于减少样品用量和累加次数具有显 著效果。这样的实验通称为反转模式（inverse mode）
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一维谱：自由感应衰减FID信号通过傅里叶变换，从时 域函数转换成频域函数-谱线强度与频率的关系，这是一 维谱，变量只有一个-频率。氢谱和碳谱称为一维谱，谱 上的横坐标是频率谱，而纵坐标是强度
二维谱：两个时间变量（t1，t2），经两次傅里叶变换 得到的两个独立的频率变量的谱图。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。 横坐标和纵坐标都是频率谱。
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COSY (获得3J偶合关系)
3
O
35
2O
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1
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n-butyl acetate
1
6
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ppm
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1H,1H化学位移相关谱(1H,1H COSY)：获得3J的偶合关系
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3
1 45
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O
C H3C 2
1
3 CH2 O
CH2 4
5 CH2
CH3 6
3
n-butyl acetate
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COOH
3
3
34
35
2
1
3
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COSY
41
1 5
NOESY
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COSY
43
1 5
NOESY
44
45
四、异核位移相关谱
根据13C与1H相关的远近，分为两种：第一种相应于H CCOSY，即1H和13C以1JCH相耦合；第二种相应于长程H CCOSY，即1H和13C以nJCH相耦合。均是对13C采样，灵敏度 低，需样品量大，测试时间长。
4
二维谱的表现形式 堆积图 (stacked trace plot)：堆积图由很多条“一维”谱 线紧密排列构成。优点是直观、有立体感；缺点是难定出 吸收峰的频率，大峰后面可能隐藏较小的峰。
等高线图(contour plot)：类似于等高线图，最中心的圆 圈表示峰位置，圆圈的数目表示峰的强度，优点易于找出 峰的频率，作图快，缺点是低强度的峰可能漏画。(横切面： 二维谱的峰是在两个频率维平面上的柱状立体峰，平常看 到的的谱是选取其横切面得到类似等高线的平面图) 注意：二维谱常有假峰出现
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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
Ar-H
CH2 CH CH3
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Ar-H
CH3
2CH2 CH2
CH3
CH
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非诺多泮的1H谱
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• H-H COSY 解决氢与氢之间的偶合关系
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2.2、接力类位移相关谱和总相关谱
接力类位移相关谱是位移相关谱的延伸 。作为同核体系， 延伸到整个自旋体系则是总相关谱
接力技术（Relay）：考虑一个三旋系统（A-B-C），其中 A和B以及B和C互为偶合对，但A和C不偶合。同核接力试 验产生从质子A到质子B的极化转移（PT），质子B起接力 作用，并由B接力至C。所以在一个H，H，H接力试验中 能观察出连接A和C的交叉峰，尽管A和C核不存在相互偶 合关系。和一般H-HCOSY谱相比，接力谱能提供更进一 步的H，H连接信息。
n-butyl acetate
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2.3、1H-1H NOESY
有机合成反应中会经常出现异构体，在异构体构型鉴别中，NOE是一种 非常有效的手段。NOE谱对有机化合物结构、构型、构象的鉴定能够提 供重要信息.
NOE谱可以采用一维或二维方式，通常都采用二维谱图(NOESY)的方式 ，二维谱方便快捷，可观察的信息全。
23
RCOSY-接力的同核位移相关谱：把COSY的相关延伸下去 AMX 体系：存在JAM和 JMX，JAX=0，COSY中无A-X相关
峰；若样品中存在另一个A'M'X' 体系，存在JA'M'和 JM'X' ，JA'X'=0; 设M和M'的化学位移偶然重合，按照COSY谱， 无法确定连接顺序是A-M(M')-X还是A-M(M' )-X'，如下图 所示
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NOESY (获得分子空间中之关系)
(<5Å)
1
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89
ppm
11
O
4
9 10 5
8
6
2 3
1
7
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β-ionone
9 8
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CH3
31
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NOESY谱中不仅有NOE的相关 峰，也有耦合的相关峰，在测 NOE的图谱时也要测COSY谱与 其比较，去除其中的耦合峰
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2 2' 1 1'
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。
第五章 二维核磁共振波谱
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）
3
二维谱分类： J 分解谱 (J resolved Spectroscopy): J 谱，δ-J 谱，把化
学位移和自旋耦合分辨开来，包括异核J 谱及同核J 谱
化学位移相关谱 (chemical shift spectroscopy)：δ –δ 谱，
二维谱的核心，表明共振信号的相关性。三种位移相关 谱：同核偶合、异核偶合、NOE和化学交换 多量子谱(multiple quantum spectroscopy)：通常所测定 的核磁共振谱线为单量子跃迁（∆m=±1）。发生多量 子跃迁时∆ m为大于1的整数。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
二维J 分解谱的外观：横坐标为化学位移，图上部给 出常规NMR图，纵坐标为偶合常数，以Hz为单位，图 中以等高线方式给出吸收峰的分裂图形。
二维J 分解谱的应用：对于复杂NMR图谱，可以直接 读出偶合常数值，并清晰获得峰的重数。
同核二维J 分解谱给出同核（通常为H-H耦合）之间的 偶合信息；异核二维J分辨谱给出C-H之间耦合信息
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。要求 两种质子的空间距离小于5A。NOE和空间因素有关系，和相隔的化学键 数无关，所以在分析NOE谱图时候，一定要能画出结构的立体构型以便 解析。
NOESY谱的识谱方法和COSY谱相通，但NOESY谱相关峰表示的是氢 和氢之间有NOE关系而不是偶合关系。
HMQC和HSQC谱除在F1维可能有微小的差别之外， 二者外观近似。
55
HSQC (获得1JH-X之关系)
3
6 5
1 4
3
Oபைடு நூலகம்
35
2O
1
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n-butyl acetate
2
1
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ppm
56
HSQC
CH2CCHH3 CH2
CH2
21
CH3 2CH2 CH2 CH
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1H-13C HMBC------碳氢远程相关实验
HMBC：异核二维谱，没有对角线峰。每个相关峰表示 相关的氢、碳峰是以两键、叁键或四键相连的。
HSQC只能解决一键CH连接问题，利用HMBC可得相隔 2个或3个键的C-H相关信号，有时相隔4根键也会有相关 信号，但比较少。HMBC在确定空间构型中有很大帮助。
由于脉冲序列的关系，HMBC谱中有时也会出现一键偶 合的峰，是以一对相隔一百多Hz的小峰出现在对应氢峰 （对称）的化学位移两边。
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。
远程耦合的1H-13C关联，HMBC HMBC[(1H-detected) heteronuclear multiple-bond correlation, (检出1H的）异核多键相干 ]
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O O OH O
PhHN O OH
6
HMQC
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HMQC
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6-C
5-C 1-C
4-C
O
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C H3C 2
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TOCSY (获得所有J-偶合关系)
3
O
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n-butyl acetate
1
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总相关谱(total correlation spectroscopy, TCOSY)：获得所
有J-的偶合关系
6
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1 45
O C H3C 2 1
3
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CH2 O
CH2 4
CH2
CH3 6
5
堆积图表示法
等高线表示法
CH3CH2OH
6
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最常用的属2D COSY(2D correlated spectroscopy) —— 位移相关谱，含有两个频率轴和一个强度轴
2012-12-08
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一、 二维J分解谱 (2D J-resolved Spectroscopy, 2DJ )
二维J 分解谱的作用：将化学位移和偶合常数在平面 内展示，消除互相干扰。
直接相连的1H-13C关联，HMQC，HSQC HMQC[(1H-detected) heteronuclear multiple-quantum coherence, (检出1H的）异核多量子相干 ] HSQC [(1H-detected) heteronuclear single-quantum coherence, (检出1H的）异核单量子相干]
1
CH2 O
CH2 4
CH2
CH3 6
3-C
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11
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14 14 1 1
51
2CH3
11
5
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14 14 1 1
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HMQC在F1维（δC方向）分辨率差，而且还会显示 出1H，1H之间的耦合裂分，进一步降低F1维的分辨， 也使灵敏度下降，HMQC近来常由HSQC所代替。 HSQC [(1H-detected) heteronuclear single-quantum coherence, (检出1H的）异核单量子相干]