核磁共振二维谱简介
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二维核磁共振谱综述
1．什么是二维谱 二维核磁共振(2D NMR)方法是有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,减少了谱线的拥 挤和重叠,提高了核之间相互关系的新信息.因而增加了结构信息, 有利于复杂谱图的解析.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是目前适用于研究溶液中生物大分子构象 的唯一技术.一维谱的信号是一个频率的函数,记为S(ω),共振峰分 别在一条频率轴上.而二维谱是两个独立频率变量的信号函数,记 为S(ω1,ω2),共振峰分布在由两个频率轴组成的平面上.2D-NMR 的b最大特点是将化学位移,偶合常数等参数字二维平面上展开,于 是在一般一维谱中重叠在一个频率轴上的信号,被分散到两个独立 的频率轴构成的二维平面上.,同时检测出共振核之间的相互作用.
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). • 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。 • (2)等高线（Contour plot） 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。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
3．二维谱的表达方式
（1）堆积图(stacked plot). • 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。 • (2)等高线（Contour plot） 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。
4．2 化学位移相关谱（Correlated Spectroscopy ,COSY）
• 二维化学位移相关谱包括 • 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） • 1）通过化学键：COSY, TOCSY, 2DINADEQUATE。 • 2）通过空间：NOESY, ROESY。 • 异核化学位移相关谱（Heteronuclear correlation） • 强调大的偶合常数：1H-13C –COSY • 强调小的偶合常数，压制大的偶合常数： COLOC(远程1H-13C –COSY)
核磁共振二维谱
二、二维NMR的分类
2D－NMR可以分为三大类： 1、2D-J分解谱：（1）同核二维J分解谱 （2）异核二维J分解谱 2、2D-化学位移相关谱 ： 同核化学位移相关谱（1H-1HCOSY) 异核化学位移相关谱 (1H-13CCOSY) 异核远程相关谱 (nJCH correlations等同于 HMBC谱 ) 3、 多量子跃迁 谱: HSQC 谱 (1H捡出的，异核单量子相干谱） HMQC谱 (1H捡出的，异核多量子相干谱） HMBC谱 (1H捡出的，异核多键相关谱）
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0.53
ppm
9-β-D-阿糖鸟嘌呤( Ara-G) 的HMQC谱
9-β-D-阿糖鸟嘌呤( Ara-G) 的 HMBC谱
9-β-D-阿糖鸟嘌呤( Ara-G) 的13C-NMR图谱归属
OH
1 5 7 .1 9
H2O
9-β-D-阿糖鸟嘌呤( Ara-G) 的1H-NMR
3
DMSO
2 1 0
7.759 6.470 6.013 6.002 5.626 5.612 5.508 5.498 5.082 5.069 5.055 4.064 4.054 4.042 4.028 4.016 4.005 3.752 3.741 3.730 3.720 3.669 3.656 3.640 3.627 3.615 3.602 3.588 3.573 3.560 3.352 2.503 -0.001
9-β-D-阿糖鸟嘌呤( Ara-G) 的结构
第三部分：二维核磁共振谱简介
预备 期发 展 期混 合 期检 出 期第二章 二维核磁共振谱(三部分)二维核磁共振谱(two-dimensional NMR spectra ，即2D NMR)简称二维谱，可以看成是一维核磁共振谱的自然推广，在引入一个新的维数后必然会大大增加新的信息量，提高解决问题的的新途径。
4.1 概述4.1.1 二维核磁共振谱的形成二维谱是两个独立频率变量的信号函数S （ω1 ω2)，如果一个自变量是频率，另一个自变量是时间、温度或浓度等其他物理化学参数就不属于我们所指的2D NMR 谱。
实际上我们所指的2D NMR 谱首先是由2个独立的时间变量（FID 信号是时域函数）进行一系列的实验，得到信号S （t 1 t 2）。
经两次傅立叶变换得到两个独立频率变量的信号函数S （ω1 ω2)。
通常，第一个时间变量(t 1)是脉冲序列中变化的时间间隔，第二个时间变量(t 2)是采样时间。
t 1与t 2 是两个不相关的独立变量。
4.1.2 二维核磁共振时间轴示意方快图预备期——使体系恢复到玻耳兹蔓平衡态（在时间轴上通常是相对较长的时期）。
发展期(t 1)——由一个或多个脉冲使体系激发态。
发展期的时间(t 1)是变化的。
混合期——建立信号检出的条件(并不是必不可少的，根据二维谱的种类而定)。
检出期(t 2)——以通常方式检出FID 信号。
4.2二维核磁共振谱的分类J分解谱（J resolved spectroscopy）：又称J谱或δ-J谱。
用于把化学位移与自旋偶合的作用分辨开来。
包括：同核J谱和异核J谱。
化学位移相关谱(chemical shift spetroscosy):又称δ-δ相关。
它能表证核磁共振信号的相关特性，是二维谱的核心。
包括：同核相关谱、异核相关谱、NOE相关谱。
多量子谱(multiple quantum spectroscopy):跃迁时Δm为大于1 的整数(常规NMR谱为单量子跃迁，Δm＝±1)。
二维核磁简介
以该质子为起点，通过确定各个质子之间的耦合关系，指定分子中全部或大部分 质子的归属（“从头开始”法）。
7
异核位移相关谱 (HMQC,HSQC)
Ha Hb Ha C C …
Ha Hb HMQC和HSQC的横坐标(F2) 方向上的投影为该化合物的氢谱，纵坐标(F1)方向上
的投影为该化合物的碳谱。
HMQC谱和HSQC谱一般反应的是碳和氢的1J 耦合信息，可以直接归属相连的碳 氢之间的关系。
12
10
NOESY 和ROSY 谱
Ha Hb
NOE效应：当两个质子Ha和Hb在立体空间中的位置相近时（小于 5Å），若照射Ha 使其饱和，则Hb的强度增加，这种现象称为NOE。
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。
做NOE差谱：先测一个常规的氢谱，把后面测得的氢谱减去原来的 (常规)氢谱，面积有变化的地方就会出峰。
2
二维核磁谱的分类：
COSY(同核) : 1H-1H, 19F-19F
通过化学键的原子核耦合 (用于解未知化合物分子结构， 或HSQC(异核) : 1H-13C 直接键连的 HMBC(长程异核) : 1H-13C 非直接键连的
出信号的方式
Ha Hb Hc Ha C C C …
Ha Hb Ha C C OHc
Ha Hb
Hc不参与耦合
Ha, Hb, Hc 化学环境不同
3个Ha, 2个Hb, 1个Hc 自身磁等价
Hc参与耦合
5
同核位移相关谱 (COSY)
Ha Hb Ha C C …
H, H-COSY的横坐标(F2)纵坐标(F1)方向上的投影均为该化合物的氢谱
Ha Hb
COSY谱一般反应的是3J 的耦合信息，在1H谱重叠或较为复杂(对峰的归属不清晰) 时，可使用COSY二维谱。
7
异核位移相关谱 (HMQC,HSQC)
Ha Hb Ha C C …
Ha Hb HMQC和HSQC的横坐标(F2) 方向上的投影为该化合物的氢谱，纵坐标(F1)方向上
的投影为该化合物的碳谱。
HMQC谱和HSQC谱一般反应的是碳和氢的1J 耦合信息，可以直接归属相连的碳 氢之间的关系。
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NOESY 和ROSY 谱
Ha Hb
NOE效应：当两个质子Ha和Hb在立体空间中的位置相近时（小于 5Å），若照射Ha 使其饱和，则Hb的强度增加，这种现象称为NOE。
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。
做NOE差谱：先测一个常规的氢谱，把后面测得的氢谱减去原来的 (常规)氢谱，面积有变化的地方就会出峰。
2
二维核磁谱的分类：
COSY(同核) : 1H-1H, 19F-19F
通过化学键的原子核耦合 (用于解未知化合物分子结构， 或HSQC(异核) : 1H-13C 直接键连的 HMBC(长程异核) : 1H-13C 非直接键连的
出信号的方式
Ha Hb Hc Ha C C C …
Ha Hb Ha C C OHc
Ha Hb
Hc不参与耦合
Ha, Hb, Hc 化学环境不同
3个Ha, 2个Hb, 1个Hc 自身磁等价
Hc参与耦合
5
同核位移相关谱 (COSY)
Ha Hb Ha C C …
H, H-COSY的横坐标(F2)纵坐标(F1)方向上的投影均为该化合物的氢谱
Ha Hb
COSY谱一般反应的是3J 的耦合信息，在1H谱重叠或较为复杂(对峰的归属不清晰) 时，可使用COSY二维谱。
二维核磁共振谱
3. 确定未知物中季碳原子的连接关系
季碳原子上不直接连氢，因此COSY上没有与其对应的交叉峰。 要把季碳原子和别的耦合体系连接起来需要COLOC或HMBC。
4. 确定未知物中的杂原子，并完成它们的连接 从碳谱、氢谱有可能确定杂原子的存在形式，如―C≡N，
―C=N―，―OH，―OCH3等。 从δc，δH的数值，可判断碳氢官能团与杂原子的连接关系。 从碳-氢长程相关谱可确定杂原子与碳氢官能团之间的连接，因
在这样的二维谱中，横座标刻度（ω2）为碳谱化学位移，在该谱上方 有常规碳谱。纵座标为双量子频率ω1，在2D INADEQUATE谱中有一条 ω1＝2ω2的准对角线。所有耦合的（相邻的）一对碳-13核会在同一水平 线上（ω1相同），左右对称地处于准对角线的两侧，且ω2分别等于它们 的δ值处有相关峰。据此可以找出相邻的两碳原子，进而可以连出整个分 子的碳原子骨架。
OH
HO
O
OH
O
HO
OH O
例4：从茛科铁破锣属(Beesia)植物中分离到一新化合物gbc-26，为白 色无定形粉末，mp.274-276℃(CHCl3-MeOH，c，[α]D20十2.6；MeOH， c，0.12)，Liebermann-Burchard反应阳性，Molish反应阳性、薄层 水解检识有木糖。 FAB-MS显示 m/z683[M+H]+，结合1H和13CNMR谱数据推测其分子式 为C37H62O11，不饱和度为7。 IR谱在3600-3100及1040，1090出现强吸收；在1720，1260cm-1显示 强吸收带。
6.56(dd,H-7),
5.99(d,H-8), 2.20
(s,H-10), 1.51(s,5-
Me), 0.87(s,1-Me), 0.78(s,1’-Me)。
二维核磁共振
图5-15 AX体系的1H，1H COSY谱示意图
• 总结：
•
1H-1H
• •
•
•
COSY：是可以确定质子化学位移以及质子之间偶合 关系和连接顺序的相关谱。图上有两种峰，对角峰 （diagonal peak）和交叉峰(cross peak)，也叫相关峰,显示了 具有相同偶合常数的不同核之间的偶合。 在实际解析中首先选择一个归属明确的峰开始，从这个峰出 发，画与F1、F2轴平行的直线。 若这两个方向的直线分别与距这个峰等距离的地方与两个峰 相遇，则应该在对角线上找到与这个峰偶合的另一组峰。 可由在对角线的左上方或右下方，由一组交叉峰与两组对角 峰组成相应的直角三角形，来判断偶合关系的存在。 应注意1H-1H COSY谱主要反映的是3J偶合关系，但有时也出 现远程偶合关系的相关峰，而当3J小时，也可能看不到相应 的交叉峰。
2D
NMR的实验过程：
• 在一个2D NMR实验中，整个时间轴按其物理意义分 割成四个区间： • 预备期(td) → 发展期(t1) → 混合期(tm) →检测期(t2)。 • 预备期(td) ：预备期通常是一个较长的时期，它是为 了使实验体系回到平衡状态。 • 发展期(t1)：发展期的初期用一个或几个脉冲，使体系 激发，使之处于非平衡状态。发展期时间t1是变化的。 • 混合期(tm) ：在此期间建立信号检测的条件。混合期 不是必不可少，有可能不存在。 • 检测期(t2)：在此期间检测作为 t2函数的各种FID信号， 它的初始相及振幅都受到 t1 函数的调制。
1H-1H
•
•
• •
•
COSY是同一个偶合体系中质子之间的偶合相关谱，是可以确定质 子化学位移以及质子之间偶合关系和连接顺序的相关谱。 图上有两种峰，对角峰（diagonal peak）和交叉峰(cross peak)。 对角峰处在坐标F1=F2的对角线上，对角峰在F1或F2上的投影得到常规的 偶合谱或去偶谱。 交叉峰不在对角线上，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。 交叉峰又分为两类： – 一类交叉峰紧靠对角线，是对角峰中同种核的组成部分； – 另一类远离对角线，是具有相同偶合常数的不同核的相关峰。 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 之间有偶合关系。所以也叫相关峰，显示了具有相同偶合常数的不同核 之间的偶合。 如图5-15所示。
二维NMR谱基本知识及解析
在BRUKER 仪器上, 原子核的频率是通过 参数BFn (MHz)设臵. 如BF1 代表第一通道. 更精细的频率调节可 用参数On来完成. On 叫频率偏差频率或偏 臵频,所以总频率为 SFOn: SFO1=BF1+O1
2011年12月16日
3
核磁共振 : 简介
B0
B0
M
RF 脉冲
M 接收器 Receiver
JAB=JAC
Hb C
Hc
B,C
A
A
B
A
C
Ha C
JAC=10 Hz
C
JAB=4 Hz
Hb C JBC=7 Hz
Hc B
A
B,C是磁不等价的核
JAB JAC
A
*C
*CH
*CH2
*CH3 H3
H2
H1
H1
H2 H1
C
C
C
C
由于一些核的自然丰度并非100%.顾此谱图中可能出现偶合分 裂的峰和无偶合的峰.氯仿中的氢谱是一个典型的例子.
核磁共振氢谱--各类1H的化学位移
0
核磁共振氢谱--各类1H的化学位移
核磁共振氢谱--耦合作用的一般规则
核的等价性 • 化学等价：化学位移等价。 • 磁等价核：δ值相同，而且组内任一核对组外某一
磁性核的偶合常数也相同。 • 磁不等价核：化学等价，但对组外磁性核的偶合常
数不同。
核磁共振氢谱解析
核磁共振 : 简介
Larmor 频率
nucleus
symbol
proton (hydrogen) 1H
deuterium
2H
phosphorous
31P
carbon
第五讲：二维核磁共振谱介绍
1H-13C HMQC实验检测的就是1H谱中的13C的卫星峰 当样品为天然丰度时，与12C或14N相连的1H主峰需要在实验
中用合适的方法滤去 在4脉冲HMQC实验中，滤去1H主峰是通过相位循环完成的，
一般效率很高 当样品浓度极低时，需要借助BIRD序列增强滤波功能
HMQC脉冲序列
双线性旋转去耦（bilinear rotation decoupling, BIRD）
与HMQC实验相比，HMBC实验的信噪比要低很多，沿F1走 向的t1噪声峰特别强（可通过数学的方法消除）
HMBC谱中一个氢峰可以和多个碳峰相关，主要用于解决四 级碳信号的问题
HMBC的脉冲序列
HSQC（异核单量子相关谱）实验
在外形上与HMQC完全相同 各项参数要求颇高，当参数不是很完美时，
பைடு நூலகம்
相干转移谱和极化转移谱
基于耦合的相干转移谱：核自旋间的J耦合 （通过原子核间化学键电子的间接作用而发 生的耦合，又称间接耦合），与横向磁化强 度相联系
基于动力学过程的极化转移谱：D耦合（不 需要经过介质的空间相互作用，又称直接耦 合或偶极偶极耦合），与纵向磁化强度相联 系
二维核磁共振实验
一维谱：一个脉冲频率（一个频率）的函数，一个变量， 二维谱：两个独立的变量，nmr信号受这两个变量的影响
TOCSY可以将每一个耦合网络用一个方格网 连接起来
脉冲序列为一个90o脉冲加上一串自旋锁定功 能的组合脉冲： 90o-t1- 自旋锁定-t2
旋转坐标系实验（有自旋锁定过程，如 TOCSY和ROESY）和实验室坐标系实验 （无自旋锁定过程，如COSY、DQF-COSY 和NOESY）
NOESY实验
第五讲：二维核磁共振谱介绍 Introduction of 2D NMR Spectroscopy
中用合适的方法滤去 在4脉冲HMQC实验中，滤去1H主峰是通过相位循环完成的，
一般效率很高 当样品浓度极低时，需要借助BIRD序列增强滤波功能
HMQC脉冲序列
双线性旋转去耦（bilinear rotation decoupling, BIRD）
与HMQC实验相比，HMBC实验的信噪比要低很多，沿F1走 向的t1噪声峰特别强（可通过数学的方法消除）
HMBC谱中一个氢峰可以和多个碳峰相关，主要用于解决四 级碳信号的问题
HMBC的脉冲序列
HSQC（异核单量子相关谱）实验
在外形上与HMQC完全相同 各项参数要求颇高，当参数不是很完美时，
பைடு நூலகம்
相干转移谱和极化转移谱
基于耦合的相干转移谱：核自旋间的J耦合 （通过原子核间化学键电子的间接作用而发 生的耦合，又称间接耦合），与横向磁化强 度相联系
基于动力学过程的极化转移谱：D耦合（不 需要经过介质的空间相互作用，又称直接耦 合或偶极偶极耦合），与纵向磁化强度相联 系
二维核磁共振实验
一维谱：一个脉冲频率（一个频率）的函数，一个变量， 二维谱：两个独立的变量，nmr信号受这两个变量的影响
TOCSY可以将每一个耦合网络用一个方格网 连接起来
脉冲序列为一个90o脉冲加上一串自旋锁定功 能的组合脉冲： 90o-t1- 自旋锁定-t2
旋转坐标系实验（有自旋锁定过程，如 TOCSY和ROESY）和实验室坐标系实验 （无自旋锁定过程，如COSY、DQF-COSY 和NOESY）
NOESY实验
第五讲：二维核磁共振谱介绍 Introduction of 2D NMR Spectroscopy
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一维核磁共振谱：横坐标同时表示化学位移和偶合常数2种 不同的核磁共振参数。
二维核磁共振谱：采用不同的脉冲序列技术，得到图谱中 一个坐标表示化学位移，另一个坐标表示偶合常数，或另 一个坐标表示同核或异核化学位移，这类核磁图谱称作二 维核磁共振谱。
3
技术依托
（1）自旋核调控脉冲技术 （2）自旋核特性的理论发展 （3）计算机技术的发展 （4）超导磁体的发展
9
三、2DHH相关谱(HHCOSY)
Correlatedspectroscopy(COSY)
主要解决的问题： 建立结构中存在偶合 1 1 关系的 H与 H的联系
对角峰
相关峰 偶合关系
10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 11
1 四、检测 H的化学位移相关谱
1，HMQC谱
12
2，HMBC谱
13
Theend
14
1）确定复杂图谱中碳原子与连接质子之间偶合常数 2）确定复杂图谱中质子质子之间的偶合常数 3）建立相互偶合的质子之间的关系 4）建立质子与碳之间的连接关系 5）建立分子中碳原子之间的连接关系 6）对一维图谱中的信号进行准确归属
8
二、2DJ分解谱(Jresolvedspectroscopy)
分同核J分解谱和异核J分解谱，异核J分解谱可区分碳的级 数，可用DEPT谱代替。
4
一维NMR实验过程
射 频 脉
预备期
检测期 （ t ） 2
S(t ) 2 (FID ) 傅立叶 变 换
S(n2)
5
二维NMR多 脉冲序列 预备期 Preparationperiod 演化期(t1) Evolutionperiod 混合期 Mixingperiod 检测期(t2) Detectionperiod
第二节 二维核磁共振谱
TwodimensionalNMR
1
一、二维核磁共振谱的基本原理
二维核磁共振技术的发展过程
1971年Jeener首先提出二维核磁共振的概念。 1991年厄恩斯特(Ernst)教授因对脉冲傅立叶变换核磁共振 技术和二维核磁共振技术发展的贡献获得诺贝尔化学奖。
2
一维和二维核磁的概念
6
二维核磁共振谱的分类
J分解谱 (Jresolvedspectroscopy) 同核偶合 异核偶合 化学位移相关谱 (chemicalshiftcorrelationspectroscopy) NOE效应谱 化学交换谱
多量子谱 (Jresolvedspectroscopy)
7
二维核磁谱在结构确定中能解决的问题
二维核磁共振谱：采用不同的脉冲序列技术，得到图谱中 一个坐标表示化学位移，另一个坐标表示偶合常数，或另 一个坐标表示同核或异核化学位移，这类核磁图谱称作二 维核磁共振谱。
3
技术依托
（1）自旋核调控脉冲技术 （2）自旋核特性的理论发展 （3）计算机技术的发展 （4）超导磁体的发展
9
三、2DHH相关谱(HHCOSY)
Correlatedspectroscopy(COSY)
主要解决的问题： 建立结构中存在偶合 1 1 关系的 H与 H的联系
对角峰
相关峰 偶合关系
10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 11
1 四、检测 H的化学位移相关谱
1，HMQC谱
12
2，HMBC谱
13
Theend
14
1）确定复杂图谱中碳原子与连接质子之间偶合常数 2）确定复杂图谱中质子质子之间的偶合常数 3）建立相互偶合的质子之间的关系 4）建立质子与碳之间的连接关系 5）建立分子中碳原子之间的连接关系 6）对一维图谱中的信号进行准确归属
8
二、2DJ分解谱(Jresolvedspectroscopy)
分同核J分解谱和异核J分解谱，异核J分解谱可区分碳的级 数，可用DEPT谱代替。
4
一维NMR实验过程
射 频 脉
预备期
检测期 （ t ） 2
S(t ) 2 (FID ) 傅立叶 变 换
S(n2)
5
二维NMR多 脉冲序列 预备期 Preparationperiod 演化期(t1) Evolutionperiod 混合期 Mixingperiod 检测期(t2) Detectionperiod
第二节 二维核磁共振谱
TwodimensionalNMR
1
一、二维核磁共振谱的基本原理
二维核磁共振技术的发展过程
1971年Jeener首先提出二维核磁共振的概念。 1991年厄恩斯特(Ernst)教授因对脉冲傅立叶变换核磁共振 技术和二维核磁共振技术发展的贡献获得诺贝尔化学奖。
2
一维和二维核磁的概念
6
二维核磁共振谱的分类
J分解谱 (Jresolvedspectroscopy) 同核偶合 异核偶合 化学位移相关谱 (chemicalshiftcorrelationspectroscopy) NOE效应谱 化学交换谱
多量子谱 (Jresolvedspectroscopy)
7
二维核磁谱在结构确定中能解决的问题