二维谱
二维NMR谱原理及解析
碳谱与氢 谱的对比
氢谱不足
不能测定不 含氢的官能 团
对于含碳较多的 有机物，烷氢的 化学环境类似， 而无法区别
碳谱补充
给出各种含碳官能团 的信息，几乎可分辨 每一个碳核，光谱简 单易辨认
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
ppm
1D 谱 分辨率可通过提高外磁场强 度和增加谱图的维数而提高. nD NMR (n=2,3,4)
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
一维核磁共振氢谱
1D NMR--脉冲序列和原理示意图
D1
核磁共振氢谱
1H NMR是应用最为广泛的核磁共振波谱。
JBC=7 Hz
B,C是磁不等价的核
JAB JAC
Hc C B
A
A
*C
*CH
*CH2 H2
*CH3 H3 H2 H1 C
H1 C C C
H1
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.
H-12C H-13C
H-13C x100
105 Hz
B0
Be
原子核实际感受到的磁场: B = (1-s) B0 S：化学位移常数
化学位移
分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环 境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率.
化学位移
自旋-自旋偶合
Larmor
E B0
频率
e.g. B0=11.7 T,
w(1H)=500 MHz w(13C)=125 MHz 化学位移 ~ B0 » kHz 自旋-自旋偶合» Hz-kHz
一维、二维谱
二
维
谱
突出表现NOE效应的NOESY谱 一维谱中的NOE效应只有在一定空间位置与被照射质
子相近的质子处才能看到。 NOESY系在二维谱上观测NOE效应开发出来的一种 新技术。 NOESY谱上不仅空间相近的质子间的NOE 效应可以观测到，而且它们同时还能作为相关峰出现 在图谱上。（见图） NOESY谱作用——NOE效应因为能提供有关质子间 距离的重要情报，故对解析分子结构十分有用。 在测定NOESY谱时，应当注意适当设定混合时间 （tm）以尽量增大NOE 效应。另外，由于驰豫时间的 2016/7/25 关系，脉冲间隔的等待时间也必须设定得大些。故与 H-H COSY谱相比，测定起来比较困难。
季碳»甲基>次甲基>亚甲基
2
一
维
谱
偏共振去偶谱（OFR）——用于确定各个碳信号分裂 程度的谱。 原理——将去偶器的频率设定在偏离质子共振频率的 一定范围内，即将去偶器的频率设定在比作为内标准 的四甲基硅（TMS）信号（0ppm）高出1个ppm处进 行照射，并测定13C-NMR谱。 这时测得的13C核信号由于连接1H核的数目不同而产生 不同的分裂：连有三个1H核的甲基碳表现为四重峰， 连有两个1H核的亚甲基碳表现为三重峰， 连有一个1H核的次甲基碳表现为二重峰， 不连接1H核的季碳表 现为单峰。 13C—1H核的自旋偶合常数1JCH为120Hz~250Hz。
二
2D
维
谱
C-H相关谱（2D C-H COSY） 在图谱的一侧设定为1H的化学位移，另一侧设定为13C 的化学位移，所得的二维谱称作C-H相关谱。它是异核 相关谱中最主要的一类。 13C、 1H直接结合时将互相偶合，其偶合常数1JCH值 较大，并取决于碳原子的杂化程度。一般，SP3杂化约 为125Hz，SP2杂化约为150Hz，SP杂化约为250Hz。 因为事先作了特殊设定，故观察到的将只是1JCH 范围 内的偶合影响，相关峰将出现在13C化学位移及与该碳 原子直接结合的1H的化学位移的交点处。 对一般化合物来说， 1H的信号归属多可采用H-H 2016/7/25 COSY谱方式顺利解决，但碳的信号归属则较为困难 (丰 度等原因）。可是当1H的信号归属明确时，运用C-H COSY谱便可明确无误地进行13C信号的归属。（见图）
二维核磁共振谱综述
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)
一维、二维谱
二
维
谱
对于复杂分子的结构解析来说，
NOE观察是必不可少的， 故NOESY谱在二维谱中是继H-H COSY谱之后广泛应用 的一种技术。 但如果试样浓度较低，则有可能出现实际不应该出现的 吸收峰。 Aphanamol- I 的NOESY谱。（见图） TOCSY（全相关）谱 在一个分子中，往往有许多个偶合网络。一个偶合网络 可以通过峰与峰之间的偶合相关峰在COSY谱中勾画出来。 由于偶合网络之间常有基团的存在，使得偶合信息传递不 过去，大偶合网络便由此中断。 TOCSY谱就起到将每个 2015/11/10 偶合网络用一个方格网连接起来的功能。 2D H-H相关谱讲解到此，以下介绍2D C-H相关谱。
二 维 谱
2015/11/10
0
25
50
75
100
125
150 ppm ppm 5 4 3 2 1
二
维
谱
二维谱（2D）——是将NMR提供的信息，如化学位
移和偶合常数，H-化学位移和C-化学位移等等，用二 维坐标系绘制成的图谱。 二维谱（2D）包括J 分解谱、相关谱和动态谱等多 种技术。 2D J 分解1H谱——二维J 分解谱是把化学位移（） 和偶合常数（ J ）以二维坐标方式分开的图谱。 2D J 分解谱有三种制作和表示方法。 （A）堆积立体图（Staked plot）。 （B）等高线平面图（Contour plot）。 2015/11/10 （C）断面图（Section plot）。（见图）
一级图谱。
简谱。
2015/11/10
一 维 谱
去耦差光谱（Decoupling
Difference Spectrum） 利用FT-NMR可将信号作数字化处理，信号则可 以进行加减乘除运算的原理。 DDS不仅能在复杂重叠的信号中正确地寻找出相 关信号的耦合关系及准确位置，而且还可以观测出 难以发现的远程耦合。即用作解析重叠谱。（DDS 图示） 示例——-紫罗兰酮的去耦差光谱。 核的Overhauser效应——NOE 选择性地照射一种质子（HA）使其饱和，则与该 2015/11/10 质子在立体空间位置上接近的另一个或数个质子 （HB等）的信号增高的现象称为核Overhauser效应。
二维谱
二维核磁共振二维傅立叶变换核磁共振（2D-FT-NMR）是八十年代发展起来的核磁共振新技术。
二维谱是将NMR提供的信息，如化学位移和偶合常数，氢化学位移和碳化学位移等在二维平面上展开绘制成的图谱。
二维谱可分为同核化学位移相关谱和异核化学位移相关谱前者如1H-1H COSY谱，13C-13C COSY谱，后者则为各种13C-1H COSY谱等。
一、1H-1H COSY谱氢-氢相关谱（1H-1H COSY谱）是二维谱中最常用的。
在氢-氢相关谱上的横轴和纵轴均设定成为氢的化学位移，两个坐标轴上则画有通常的一维谱。
（1）对角峰与相关峰下面是乙酸乙酯的1H-1H COSY谱•在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰如图中信号3•因相邻两原子间或有远程偶合关系的原子间的偶合而引起的，出现在对角线两侧对称的位置上的峰叫做相关峰。
如图中a和a’（2）偶合关系的确定偶合关系的确定有四种方式：▪A方式：从信号2向下引一条垂线和相关峰a相遇，再从a向左划一水平线和信号1相遇，则可确定信号1和2之间存在着偶合关系。
▪B方式：先从信号2向下划一垂线和a相遇，再从a向右划一水平线至对角峰[1]，再由[1]向上引一垂线至信号1，即可确定偶合关系。
▪C方式：按照与B方式相反方向进行。
▪D方式：从1H-1H COSY谱的高磁场侧解析时，除C方式外，也常常采用D 方式。
即从1向下引一条垂线，通过对角峰[1]至a’，再从a’向左划一条水平线，即和1的偶合对象（2）的对角峰[2]相遇，从[2]向上划一垂线至信号2即可确定。
应用1H-1H COSY谱解析化合物的结构就是基于分子中相互偶合的氢之间在谱中会出现相关峰，出现相关峰的质子之间可以是间隔3个键的邻偶，也可以是间隔4个键以上的远程偶合，特别是偶合常数较小的远程偶合，在一维氢谱中有时很难观察到，因而成为1H-1H COSY谱的一个优势。
N H HO O COOH12345678H8H7H5H3在该化合物的二维1H-1H COSY谱中，H-7和H-8的相关峰最强，H-5和H-7的相关峰强度次之，H-5和H-8的相关峰最弱，这也说明两个质子之间的偶合常数越大，相关峰越强，两个原子之间的偶合常数越小，相关峰越弱，这也是1H-1H COSY谱的普通规律。
二维谱的名词解释
二维谱的名词解释在现代科学与技术的应用中，我们经常遇到一种称为“二维谱”的概念。
二维谱是一种用于分析和展示数据的方法，它可以帮助我们更好地理解和研究不同领域的现象和问题。
本文将对二维谱进行详细解释和探讨。
1. 二维谱的基本概念二维谱是一种以二维坐标来表示数据分布和变化规律的方法。
通常，其中一个坐标表示样本或实验的参数，而另一个坐标表示实验结果或观测量。
通过在这个二维坐标系中绘制数据点，我们可以观察到不同参数对实验结果的影响，并进一步揭示出隐藏在数据中的规律和关系。
2. 二维谱的应用领域二维谱可以应用于各个学科和领域，例如物理、化学、生物学、医学、材料科学等。
以核磁共振（NMR）为例，二维NMR谱可以提供更为详细和全面的分子结构信息，帮助科学家们解析复杂的化学结构，从而在药物研发、材料科学和生物医学等领域发挥重要作用。
此外，二维谱也常用于分析图像、声音、信号等多维数据。
3. 二维谱的工作原理二维谱的生成过程主要包括两个步骤：数据采集和数据处理。
数据采集是通过实验或观测得到的原始数据，可以是通过仪器测量得到的信号，也可以是通过记录和观察获得的数据。
数据处理是对采集到的数据进行处理和分析，以获得更清晰和准确的结果。
常用的数据处理方法包括傅里叶变换、滤波、非线性优化等。
4. 二维谱的特点和优势相比于传统的一维谱，二维谱具有更高的分辨率和信息量。
它可以将多个参数同时考虑，帮助我们揭示出参数之间的耦合关系和变化规律。
通过观察二维谱的形状、峰位和峰面积等特征，我们可以更好地理解数据并进行定量分析。
此外，二维谱还具有直观、易于理解和较好的可视化效果，有助于科学家们更深入地探索和研究问题。
5. 二维谱的发展和未来二维谱的发展经历了多个阶段和技术突破。
从最早的核磁共振二维谱到今天的光谱学、质谱学和生物医学领域的二维谱，不断涌现出新的技术和应用。
随着科学技术的不断进步，二维谱的分辨率和灵敏度不断提高，数据处理和分析方法也日渐成熟。
核磁课件 二维谱
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）
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。
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
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。
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)。
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二维核磁共振
二维傅立叶变换核磁共振（2D-FT-NMR）是八十年代发展起来的核磁共振新技术。
二维谱是将NMR提供的信息，如化学位移和偶合常数，氢化学位移和碳化学位移等在二维平面上展开绘制成的图谱。
二维谱可分为同核化学位移相关谱和异核化学位移相关谱
前者如1H-1H COSY谱，13C-13C COSY谱，后者则为各种13C-1H COSY谱等。
一、1H-1H COSY谱
氢-氢相关谱（1H-1H COSY谱）是二维谱中最常用的。
在氢-氢相关谱上的横轴和纵轴均设定成为氢的化学位移，两个坐标轴上则画有通常的一维谱。
（1）对角峰与相关峰
下面是乙酸乙酯的1H-1H COSY谱
•在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰
如图中信号3
•因相邻两原子间或有远程偶合关系的原子间的偶合而引起的，出现在对角线两侧对称的位置上的峰叫做相关峰。
如图中a和a’
（2）偶合关系的确定
偶合关系的确定有四种方式：
▪A方式：从信号2向下引一条垂线和相关峰a相遇，再从a向左划一水平线和信号1相遇，则可确定信号1和2之间存在着偶合关系。
▪B方式：先从信号2向下划一垂线和a相遇，再从a向右划一水平线至对角峰[1]，再由[1]向上引一垂线至信号1，即可确定偶合关系。
▪C方式：按照与B方式相反方向进行。
▪D方式：从1H-1H COSY谱的高磁场侧解析时，除C方式外，也常常采用D 方式。
即从1向下引一条垂线，通过对角峰[1]至a’，再从a’向左划一条水平线，即和1的偶合对象（2）的对角峰[2]相遇，从[2]向上划一垂线至信号2即可确定。
应用1H-1H COSY谱解析化合物的结构就是基于分子中相互偶合的氢之间在谱中会出现相关峰，出现相关峰的质子之间可以是间隔3个键的邻偶，也可以是间隔4个键以上的远程偶合，特别是偶合常数较小的远程偶合，在一维氢谱中有时很难观察到，因而成为1H-1H COSY谱的一个优势。
N H HO O COOH
12345678H8H7H5H3
在该化合物的二维1H-1H COSY谱中，H-7和H-8的相关峰最强，H-5和H-7的相关峰强度次之，H-5和H-8的相关峰最弱，这也说明两个质子之间的偶合常数越大，相关峰越强，两个原子之间的偶合常数越小，相关峰越弱，这也是1H-1H COSY谱的普通规律。
一般说来，在解析1H-1H COSY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。
在此基础上，再根据其13C-1H直接相关谱，确定有关碳的归属，而季碳一般要通过各种13C-1H远程相关谱归属。
14
β紫罗兰酮的1H-1H COSY 图谱
二、HMQC谱和HSQC谱
由于对偶合常数范围做了设定，
图谱上表现出来的只是1J CH 范围内的偶
合关系。
在二维图谱的一侧设定为1H的化学
位移，而另一侧设定为13C的化学位移，
则所得二维谱称作13C-1H相关谱
16
13C-1H COSY Spectrum （HMQC ）
HMQC ：
归属直接相连的碳氢之间关系。
13C-1H直接相关谱是异核相关谱中最主要的一种。
异核相关谱中确定偶合关系只要顺着碳、氢信号分别向下和水平方向引直线，其交点处出现的信号峰即为相关峰，在13C-1H直接相关谱中相关峰则表示与此相应的碳氢直接相连。
常规的13C-1H直接相关谱样品的用量较大，测定时间较长。
HMQC技术很好地克服了上述缺点，HMQC是通过多量子相干间接检测低磁旋比核13C的新技术。
HMQC 的F1维（δ
C ）分辨率差是其
较大的缺点。
此外，在HMQC谱的F1方向还会显示1H，1H之间的偶合裂分，它进一步降低F1维的分辨率，也使灵敏度下降。
由于这个原因，近年来，HSQC常用来代替HMQC，它不会显示F1方向1H，1H之间的偶合裂分。
HMQC和HSQC 除在F1维可能有微小的差别之外，二者外观是很近似的。
HMQC和HSQC，尤其是HSQC由于测试要求的样品量相应减少，特别适用于中药和天然药物有效成分的结构测定，是目前国内外获得碳氢直接连接信息最主要的手段。
▪伯碳（CH
3）只与一组氢（3个H）出
现一个相关峰（氢被裂分除外），▪叔碳（CH）也只与相应的一个氢出现相关峰。
▪仲碳（CH
2）在有些情况下，如连接
着不对称碳原子，可能与两个化学位移值相差较大的不等价质子出现两个相关峰。
在HSQC和HMQC谱中
三、HMBC谱
最早应用的碳氢远程相关谱是13C-1H Long Range COSY谱，随后进一步开发应用了COLOC谱。
这两种技术存在灵敏度低，需要样品量大，测试时间长的缺点。
近年开发并得到广泛应用的HMBC谱则克服了上述不足，是迄今为止最强有力、而且应用最普遍的二维核磁共振技术。
HMBC为1H检测的异核多键相关谱，是通过多量子相干间接检测低磁旋比核13C的新技术。
其目的是突出表现相隔2个键（2J
CH ）和相
隔3个键（3J
CH
）的碳氢之间的偶合。
但由于技术上的原因，尚不能完全去掉直
接相连的碳氢之间的偶合（1J
CH ）解析图谱时
要注意区别。
HMBC谱特别方便地应用于结构中存在较多角甲基的三萜和甾体等类化合物的结构研究。
下图是三萜化合物lycoclavanol的HMBC谱
HMBC谱反映的是相隔2个键和3个键的碳氢之间的相关信息，而中间相隔的原子可以是碳，也可以是氧、氮等其他杂原子。
应用HMBC谱可较容易地确定苷分子中糖和糖以及糖和苷元之间的连接位置。
五、NOESY谱
NOESY谱是为了在二维谱上观察NOE效应而开发出来的一种同核相关的二维新技术。
在NOESY谱上，分子中所有在空间上相互靠近的质子间的NOE效应同时作为相关峰出现在图谱上，借此我们可以观察到整个分子中质子间在立体空间中的相互关系，推定分子的结构，特别是分子的立体结构。
NOESY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，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。
NOESY Spectrum
NOE：当两个质子Ha和Hb在立体空间中的位置相近时，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。
NOE差光谱：照射某个氢核(Ha)，与其空间相近的氢核（Hb）产生的NOE效应有时不是特别明显，或者Hb与其它氢信号有重叠现象，则可测试NOE差光谱。
β紫罗兰酮的NOESY谱
做谱的一般顺序：
1H-NMR 13C-NMR DEPT(135°) HSQC HMBC NOESY TOCSY
M-CH
3
IR
OH CH3
苯环邻二氢
苯环骨架振动
1H NMR
DEPT
COSY。