二维核磁共振谱全解

1二维核磁共振波谱法

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。

2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。

3一、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:4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:53、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。

6t1=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t1FTF2

F1

7

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。

8二、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。

92.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。

10β-紫罗兰酮

11三、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，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。

F2

F1

CH3CH2CH2CH2CCH3O54321122.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）。

交叉峰有两个，分别出现在对角线两侧，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组核A和X有偶合关系（或彼此相关）。

21534F2

F1

CH3CH2CH2CH2CCH3O5432113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

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。

143）多量子谱

通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁（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。

15二、

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。

16

在同核1H,1H－2DJ分解谱中，被测定的核为1H核。

17

反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二维J分解谱

F1F2CH3CHCHCOOCH2CH3246δH325460-1010432156J(HZ)18192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。

化学等价磁不等价

化学等价磁不等价

20（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。

21

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。

F1δCF2(HZ)0-100100CH3CHCHCOOCH2CH3123456501001501/2JCH13254622O145678910CH3---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。

235,623三、

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。同一种氢核信号将在对角线上相交，出现一个对角峰。在对角线两侧，相互偶合的两个/组氢核信号将产生两个交叉点，出现一对交叉峰（相关峰），一般反映的是

3J偶合。

241H-1HCOSY-900基本脉冲序列：

2521534F2

F1

CH3CH2CH2CH2CCH3O543215431226166127HOCOOH1NH23O45678H3H7H5H8H8H7H5H3285H5/H2J偶合

677，

29（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。

302DINADEQUATE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。

CPD+2180909013C:90??t11H:+10-1-231322

1

4

3

5

6

7

O

H

H

O

6-7

5-6

4-5

1-2

2-3

3-4

1

4

2

3

5

6

7

F2

F1

3313C-13C2DINADEQUATEspectrumofmenthol

F1(?13C)F2(??13C)103426185793,4

3,2422,181516,15,6

76

1,78,9

8,10910

4,8

4,5

F2(?13C)F1(??13C)34（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。

四、

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。

35365'3

2D13C-1HCOSYspectrum(1JCHcorrelations)2a

2e1'

2166'

5C1,H1a

C1,H1eC2,H2a

C2,H2eC1',H1'

C4,H4C2',H2'

C4',H4'

C3,H34'

2'

41'

3'

1a

1e

??1????13CF1F2C5,H5

C6',H6'

C6,H637CH3CO7,438

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

—

H1

H2

H3

H4

39HMQC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。

90GARP13C:1H:9090180t1/2t1/2180180909090BIRDd2BasicHMQCd2d2d2d3d2=1/21JCH40HMQC谱

41OOBA42236789OHO12345678943（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=1/41JCH

HSQC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。

44HMBC是heteronuclearmultipulebondcorrelation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HNMR的化学位移，纵坐标F1代表的是间接检测的CNMR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相连的交叉峰很少出现）。

（四）1H检测的异核多量子远程相关谱HMBC45根据HMBC谱所给出的H、C之间的关系，结合HMQC和1H-1HCOSY等谱图，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。HMBC的主要问题在于并不能够确定相关峰是二键还是三键的耦合(四键偶合很少出现)。

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。

d2=1/21Hd3t1/2t1/213Cd2d2d4d5d2nJCH46C2,C3andC4:QuaternaryorprotonatedcarbonsX:O,NC1C2C3C4H1C1XC2C3H1HMQC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3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。

47OHO123456789789654312987623确定H2与C5间隔2-3个键

1JCH

-C=OH7与C6间隔2-3个键，在HHCOSY中，H7和H6有相关峰，则H7与C6间隔2个键。

H7与C6间隔2个键，则与C5间隔3个键

483键偶合

3键偶合

若不直接相连，则烯H与苯C（或苯H与烯C)一般

不会产生偶合交叉峰，因为间隔至少有4个键。

Ar-C-CH=CH?49HMQC50HMBC51五、

二维NOE谱

（一）二维NOESY?二维NOE