二维核磁共振谱

二维核磁共振波谱法二维核磁共振(2DNMR)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2DNMR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预备期演化期混合期检测期t1tmt2d（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列二维谱实验通常分为4个阶段：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，基本脉冲序列:43、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。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。5t1=t+nΔt实验过程：二维核磁共振谱数据矩阵数据矩阵对t2FT数据矩阵对t1FTF2F16

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。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。82.等高线图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。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。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。9β-紫罗兰酮10三、二维谱共振峰的名称1.对角峰21534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。

F2F154321112.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）。交叉峰有两组，分别出现在对角线两侧，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。21534F2F15432112四、二维谱的分类二维谱可分为三类：1）J分解谱

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。3）多量子谱用脉冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子二维谱。13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。14在同核1H,1H－2DJ分解谱中，被测定的核为1H核。15反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二维J分解谱161/2JHH17182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。19二、碳、氢异核二维J分解谱在异核13C,1H－2DJ分解谱中，被测定的核为13C核，分解谱的F2轴为13C化学位移δC，F1轴为1H与13C的偶合(1JCH)多重峰，为1/2JCH。

出峰情况是CH为二重峰，CH2为三重峰，CH3为四重峰，季碳单峰或不出峰。20反式丙烯酸酯的13C,1HJ分解2D谱。

F2轴为13C的化学位移。F1轴为1JCH偶合的多重峰。21CH3---四重峰（5-Me，1,1’–Me,10);CH2---三重峰(2,3,4);CH---双重峰(7,8)。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。235,622第三节同核化学位移相关谱一、氢、氢化学位移相关谱

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。（1H-1HCorrelationspectroscopy，1H-1HCOSY）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。231H-1HCOSY-900基本脉冲序列：

一般说来，在解析1H-1HCOSY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。2421534F2F15432125162627ArH-CH3-CH-CH2-CH2-CH22885,1167131412295H5/H2J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。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

2DINADEQUATE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置上。依此类推可以找出化合物中所有13C原子连接顺序。32332143567OHHO6-75-64-51-22-33-41423567F2F1346,75,127,118,108,95,1010,116,123513C-13C2DINADEQUATEspectrumofmenthol

F1(δ13C)F2(δ13C)103426185793,43,2422,181516,15,6 76 1,78,9 8,10910

4,8 4,5F2(δ13C)F1(δ13C)36一、13C检测的异核化学位移相关谱所谓异核化学位移相关谱是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1H-13CCOSY。第三节异核化学位移相关谱

13C-1HCOSY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。37385’32D13C-1HCOSYspectrum(1JCHcorrelations)2a2e1’2166’5C1,H1aC1,H1eC2,H2aC2,H2eC1’,H1’C4,H4C2’,H2’ C4’,H4’ C3,H34’2’41’3’

1a 1eδ1Ηδ13CF1F2C5,H5 C6’,H6’ C6,H63940 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的一种方法二、1H检测的异核多量子相关谱（HMQC）HMQC(异核多量子相干谱)的优点脉冲序列较简单，参数设置容易。反式检测氢维(f2)分辨率较高，灵敏度较高。缺点碳维(f1)分辨率低.—C1

—C2—C3—C4—H1H2H3H441HMQC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1H-13CCOSY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。42HMQC谱434423678945三、1H检测的异核单量子相关谱（HSQC）HSQC(HeteronuclearSingleQuantumCorrelation)与HMQC相似，也是通过1JCH偶合常数实现碳氢相关。相干传递是通过单量子相干机理。下面是基本的HSQC脉冲序列：1Ht1/2d1t1/213CDec.d2d2d2d2d2=1/41JCHHSQC谱的灵敏度比HMQC高，但HSQC包含较多射频脉冲，要求实验参数精确设置，否则误差偏大。图谱形式和解谱方法与HMQC相同。46

HMBC是heteronuclear

multipule

bond

correlation

的缩写，表示异核远程（多键）相关谱。与HMQC一样，HMBC的谱图也是是一种间接检测实验，是通过检测H间接检测C信号。横坐标F2代表采样的H

NMR的化学位移，纵坐标F1代表的是间接检测的C

NMR的化学位移。相隔2-4个化学键相连的C、H原子就会在谱图上出现交叉峰，即只要有交叉峰的出现，那么交叉峰所对应的H、C原子是通过2-4个化学键相连的（4J相连的交叉峰不一定出现）。

四、1H检测的异核多量子远程相关谱HMBC47根据HMBC谱所给出的H、C之间的关系，结合HMQC的谱图，我们就能够解决C原子的连接顺序问题，这样我们就能基本上确定有机化合物的骨架结构，基本上一个有机化合物的结构就能够确定了。HMBC的主要问题在于并不能够确定相关峰是二键、三键还是四键的耦合(四键偶合较少出现)。HMBC可高灵敏度地检测13C-1H远程偶合，因此可得到有关季碳的结构信息及其被杂原子或季碳切断的偶合系统之间的结构信息。48C2,C3andC4:QuaternaryorprotonatedcarbonsX:O,NHMQC是通过异核多量子相干把1H核和与其直接相连的13C核关联起来，HMBC则是通过异核多量子相干把1H核和远程偶合的13C核关联了起来。HMBC是突出表现相隔2个至4个键的碳氢之间的偶合，交叉峰为单峰。但由于技术上的原因，有时不能完全去掉直接相连的碳氢之间的偶合1JCH,交叉峰表现为双峰或三峰，中心对应δH，解析图谱时要特别注意。49789654312987623确定H2确定C2-C=OH3与C5五交叉峰503键偶合3键偶合51HMQC52HMBC53第五节二维NOE谱一、二维NOESY二维NOE谱简称为NOESY，它反映了有机化合物结构中H核与H核之间空间距离的关系，而与二者间相距多少根化学键无关。因此对确定有机化合物结构、构型和构象以及生物大分子（如蛋白质分子在溶液中的二级结构等）有着重要意义。909090t1tm54NOESY的谱图与1H-1HCOSY非常相似，它的F2维和F1维上的投影均是氢谱，也有对角峰和交叉峰，图谱解析的方法也和COSY相同，唯一不同的是图中的交叉峰并非表示两个氢核之间有耦合关系，而是表示两个氢核之间的空间位置接近。由于NOESY实验是由COSY实验发展而来为的，因此在图谱中往往出现COSY峰，即J偶合交叉峰，故在解析时需对照它的1H-1HCOSY谱将J偶合交叉峰扣除。55NOESY(H-3,H-2)交叉峰为J偶合峰5615867CH2NOESY-CH35758

2DNOESYspectrumofailanthoneacbda,cb,d

NOEc bdaNOE59二、二维ROESYNOESY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（分子量约为1000-3000），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。60第六节一维、二维谱综合解析一维谱的初步解析：分析一维1H谱，根据谱图中化学位移值、耦合常数值、峰形和峰面积找出一些特征峰，并确定各谱线的大致归属和氢分布，确定O,N等杂原子的可能的连接。分析一维C谱，对照13C质子噪声去偶谱以及各个DEPT碳谱，确定各碳原子的级数和各谱线的大致归属，确定O,N等杂原子的可能的连接。一、解析步骤61解析H-HCOSY谱，从一维谱中已经确定的氢谱线出发找到与之相关的其它谱线。解析13C-1HCOSY（HMQC、HSQC）谱，同样从已知的氢谱线出发找到各相关的碳谱线，以此推断出这些碳谱线的归属。解析13C-1H远程相关谱（HMBC），从已确定的碳谱线出发，找到与之相关的各氢谱线或从已知的氢谱线出发找到各相关的碳谱线，由此完成对一些未知谱线的指认。借助二维核磁共振谱对图谱作进一步的指认：注意排除一维谱与二维谱中的溶剂峰与杂质峰62某化合物的分子式为C6H10O，请根据下列各谱推断结构1H2H1H1H1H2H2HU=2二、解析实例63=CH2=CH-CH-CH2-CH2-CH22156436412211234C2-H25435543666/C1-H1H2-H3-H4-H5-H6,H6/H3-C3H4-C4H5-C5C6-H6,H6/或H6,H6/-C6HMQC1H-1H-COSY65

123413244231The1HNMRspectrumof2,3-dihydrofuran(F)showsresonancesat2.6(2H),4.2(2H),4.9(1H),6.2(1H)PPM.The13Cspe