二维核磁共振谱全解 共58页
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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。
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。
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，
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。
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。
13
3）多量子谱 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁（
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
54
CH2 CH2
32
C CH3
1
F2
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
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 CH 3
4
O
C1
5
6
C
2
O CH 2 CH 3
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
17
18
化学等价磁 不等价
化学等价磁 不等价
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分 裂为六重峰，和4-H质子进 一步裂分为十八重峰，但 由于有些峰相互重叠，在 2DJ分解谱中只显示9个点。 5位甲基没有受到偶合，因 此只在F1=0轴上显示单峰。
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
54
CH2 CH2
32
C CH3
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）。
14
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。
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。
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。
5
实验过程： t1=t+nΔt
数据矩阵
数据矩阵对t2FT
二维核磁共振谱
数
来自百度文库
F1
据 矩
阵
对
t1FT
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。
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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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。
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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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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。
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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3）多量子谱 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁（
交叉峰有两个，分别出现
1
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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
54
CH2 CH2
32
C CH3
1
F2
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
15
在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
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H
3
C CH 3
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O
C1
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C
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O CH 2 CH 3
H
F1
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J0 (HZ)
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δH 6
4
2 F2
反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二维J分解谱
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化学等价磁 不等价
化学等价磁 不等价
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分 裂为六重峰，和4-H质子进 一步裂分为十八重峰，但 由于有些峰相互重叠，在 2DJ分解谱中只显示9个点。 5位甲基没有受到偶合，因 此只在F1=0轴上显示单峰。
9
β-紫罗兰酮
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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
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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
54
CH2 CH2
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C CH3
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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≠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）。
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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。
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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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。
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实验过程： t1=t+nΔt
数据矩阵
数据矩阵对t2FT
二维核磁共振谱
数
来自百度文库
F1
据 矩
阵
对
t1FT
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。