二维核磁共振简明原理及图谱解析上
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
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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
二维核磁共振谱的原理
二维核磁共振谱的原理
二维核磁共振谱的原理是利用傅里叶变换将化学位移、耦合常数等核磁共振参数展开在二维平面上。
这样，在一维谱中重叠在一个频率坐标轴上的信号分别在两个独立的频率坐标轴上展开，从而减少了谱线的拥挤和重叠，提供了自旋核之间相互作用的信息。
具体来说，二维核磁共振谱技术的基本原理可以用二维傅里叶变换来解释。
当样品置于两个垂直的外磁场中时，样品中的原子核会在这两个磁场的作用下产生多重共振信号。
通过调节两个外磁场的频率，可以得到关于样品内部核之间相互作用的二维核磁共振谱数据。
第四章 二维核磁共振谱
第四章二维核磁共振谱4．1二维核磁共振的概述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.原则上二维谱可以用概念上不同的三种实验获得,(如图 4.1),(1).频率域实验(frequency- frequency) (2).混合时域(frequency-time)实验(3). 时域(time-time)实验.它是获得二维谱的主要方法,以两个独立的时间变量进行一系列实验,得到S(t1,t2),经过两次傅立叶变换得到二维谱S(ω1,ω2).通常所指的2D-NMR均是时间域二维实验.图4.1 2D-NMR 三种获得方式2．二维谱实验二维谱实验中，为确定所需的两个独立的时间变量，要用特种技术－时间分割。
即把整个时间按其物理意义分割成四个区间。
（如图所示）图4.2 一般二维谱实验（1）预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，使核自旋体系回复对平衡状态，在预备期末加一个或多个射频脉冲，以产生所需要的单量子或多量子相干。
（2）在t1开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，此时间系控制磁化强度运动，并根据各种不同的化学环境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作出标识。
（3）在此期间通过相干或极化的传递，建立检测条件。
第三章 二维核磁谱解析ppt课件
从NOESY 谱可以判断分子组装:
从NOESY 谱可以判断分子组装:
通过氢谱也可以识别，因为前者结构中两个－ Ph 是等价的 ，化学位移相同，而后者不同。
从NOESY 谱可以判断分子组装:
从NOESY 谱可以判断分子组装:
H1ROESY 光谱清楚地显示了环糊精内腔的H-3, H-5 质子与 呋喃环质子的NOE 相关峰(峰A, B, C, D, E, F), 表明呋喃环 进入了环糊精的空腔 . 图中呋喃环上的质子 (HF5,HF4)与环糊 精空腔质子(H-3)的较强相关峰(A, C), 强于质子(HF5, HF4)与 环糊精空腔质子 (H-5) 的相关峰 (B, D); 这些质子相关峰的强 弱说明了取代基呋喃环更靠近环糊精的质子H-3, 即呋喃环位 于环糊精的第二面羟基.同时在谱图中我们能看到, 呋喃环质 子HF3 与H-3 之间存在较弱的相关峰(E), 以及HCH2 与H-3 的弱相关峰 (F),这进一步说明了呋喃环是从环糊精第二面羟 基进入了另外一个环糊精的空腔, 如图4b 所示
COS Y 谱中的对角线把 COSY 谱分为两个部分 . 因为常见
COSY 谱的对角线从左下到右上， 所以COSY 谱的这两部 分就是左上和右下. 由于COSY 谱中的相关峰是沿着对角线 对称分布的， 四此 COSY 谱中两个部分所含的信息相同， 只分析其中的任一部分即可.
3.3 NOESY 谱和ROESY谱 NOESY 谱和ROESY 谱都属于NOE 类相关谱. 这俩种 二维谱的原理和效果有些差别，主要根据所研究的有机化合 物选择.但是这两种二维谱的外形和解析方法是一样的. 在测定常规核磁共振氢谱之后， 如果化合物的结构中有 两个H，它们之间的空间距离比较近（小于5X10-10 m) ，照 射其中一个H的峰组时测定氢谱. 与该H相近的另外一个H的 峰组面积会变化，这就是NOE 效应. 做NOE 差谱，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，这就可以发现NOE 效应. 上述的方法是用一维谱的 方式测定NOE 效应. 如果一个化合物中有若干成对的氢原子 空间距离相近，需要照射若干次， 这样显然不方便. NOE 类 的二维谱则是通过一张 NOE 类的二维谱找到 - 个化合物内所 有空间距离相近的氢原子对.
二维核磁谱解析方法
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。
二维核磁
•如今二维NMR实验类型已经难以数计， 但是可以将它们主要地分为基于偶合的相 关转移谱和基于动力学过程的极化转移谱 两大类。
在NMR中，横向磁化强度总与相干相联系，纵向磁化强度 总与极化相联系。 二维谱一定与磁化强度的转移有关，要么是横向磁化强度 的转移或相干转移，例如化学位移相关谱COSY等，要么是 纵向磁化强度的转移或极化转移，例如化学位移交换谱 EXSY等。 二维谱的设计关键就是如何实现预定目标的相干转移谱或 极化转移谱。
尽管3D NMR谱的分辨率有所提高， 但解释较大的三维异核NMR谱时，仍存 在含糊性，因此，人们希望通过增加维 数进一步提高分辨率，随之出现了4D NMR谱，4D NMR谱常常是说明2D NMR谱的方法。4D NMR试验可以看成 是由三个2D NMR实验所组成。新的4D NMR技术仍在不断发展，并越来越广泛 的应用于蛋白质及核酸研究的报道。
13C-1H化学位移相关谱
13C-1H化学位移相关谱是把化
合物分子中的单键偶合(1JCH)的1H信 号与13C信号相关联，对于信号的确 认非常有效。它与1H-1H COSY一样 是应用最广泛和最重要的两个二维 实验技术 。
常规的13C-1H COSY可以得到 直接键合的碳和氢之间的偶合关 系(1JCH)。从其COSY谱得到的1H 谱线的归属，根据相互关系(1JCH 交叉峰),就可找到与之相连的13C信 号。反之，从一个已知的13C信号， 通过它的交叉峰也可找到与之相 连的1H信号。
相比，信噪比的提高就有了一个飞跃。
虽然HMQC实验成功率很高，但是它无法判定季 碳的化学位移。异核多重键相关谱(HMBC)实验弥补了 这一缺点。HMBC脉冲序列的基础仍然是HMQC实验， 只不过长程偶合常数比单键偶合常数小很多而已。 异核单量子相关谱(HSQC)实验是一种在演化期只涉 及单量子相干的逆检测开核相关实验。HSQC的图谱质 量要略差于HMQC谱。但是，HSQC谱在F1维的分辨率 要比HMQC谱高，这是因为在多量子谱中，量子数越大， 谱分辨率越差，尤其在高场仪器中。HSQC实验在三维 NMR中得到比HMQC实验广得多的应用。
二维核磁共振谱精简2
HMQC、HSQC反映的是 1JCH耦合， HMBC谱和COLOC则 对应于长程耦合nJCH 。
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Problem 3
从2D图中取出某一个谱 峰（F1或F2 ）所对应相 关峰的1D断面图，对检 测一些弱小的相关峰很有 用。
投影图
是1D谱形式，相当于宽 带质子去偶氢谱，可准 确确定各谱峰的化学位 移值。
截面图
12
J分解谱
1. 同核J分解谱
一维谱中谱峰往往严重重叠，造成谱线裂分不 能 清楚分辨， 耦合常数不易读出。
二维核磁共振谱概述
什么是二维核磁共振谱？
一维核磁共振谱： 时域信号（FID信号）FT 频域谱（峰强度 vs 频率）
二维核磁共振谱：
是有两个时间变量，经两次傅利叶变换得到 的两个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时 间变量 t2 表示采样时间，第一个时间变量 t1 则是 与 t2 无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变 化的时间间隔。
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2，3-二溴丙酸的HD-COSY谱
与COSY45o和90o谱比较， HD-COSY谱呈现出F2域峰宽 （保留JHH耦合）， F1域峰窄 (宽带去耦）的细条状谱峰。
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三环癸烷衍生物 的HD-COSY谱
F2域峰宽（保留JHH耦 合）， F1域峰窄(宽 带质子去耦），化学 位移定标不同造成对 角峰反转，交叉峰由 于F1域去耦而变窄， 使其覆盖面变小，有 利于图谱解析，可以 清楚地显示出HJ与HI 、 HH、 HD、 HC 、 HA 的耦合。
二维核磁共振谱课件
脉冲-傅里叶变换核磁共振波谱仪的问世使同位素丰度 低、灵敏度低的同位素的核磁共振测定得以实现。核磁 共振二维谱的出现开创了核磁共振波谱学的新时期。对 鉴定有机化合物结构来说，解决问题更客观、可靠，而 且大大地提高了所能解决 的难度和增加了解决问题途径 的多样性。由于二维谱的脉冲序列不断涌现，有人称之 为“自旋工程”。 为了能对二维谱有一个比较深入的认识，以便能较好地 识谱，将阐述脉冲序列和二维谱的理论。
F S F和S相对2πν是对称分布的，此处2πν为横向磁化矢量平均的转动角速 2πν 2πν 度，相应于该核化学位移值。 随着时间的增加，F和S散开的角度也增大，到DE终点c时由于绕x’轴 的180º脉冲的作用，F和S的前后位置相互颠倒，在d时刻，F处于2πν之 后，S处于2πν之前，但F比S旋转快；随着旋转，F和S逐渐向中心(2w) 靠拢，在第二个DE中发生变化恰是第一个DE中发生的逆过程。在第 二个DE的终点e，F、S和2 πν会聚在一起，形成一个回波，即自旋回 波．这个过程也可称为重聚集。 当样品混有蛋白质、高聚物时,采用自旋回波可保留样品信号，消去大分 子的信号。因大分子的T2小,经过若干次自旋回波之后，其信号消失，以 后的自旋回波仅反映样品(小分子)的信号。 ·
矢 量一直沿着y‘轴方向，与13C 相 连的氢有两个磁化矢量将从Y ’ 轴方向开始，分别以2π ·1JCH/ 的角速度沿顺时针、反时针方 向旋转。到(c)点时α,β均转动 了 2π ／2,亦即α,β二磁化矢量分 别沿X ‘和- X ’轴方向。与12C相连的氢的磁化矢量仍沿Y ‘轴。对1H 施加180º X ‘脉冲，沿Y ’轴的磁化矢量转到- Y ’轴，沿± X ‘轴的磁 化矢量保持不动。紧接着就施加对13C的180 X ‘脉冲， α,β的旋转方向改 变(e点)。在(f)点，与12C相连的氢的磁化矢量会聚于Y ’轴，而与13C相 连的氢的磁化矢量沿着-Y ’轴方向。经90 X ‘脉冲的作用( g点)，与12C 相连的氢的磁化矢量沿Z轴方向，与13C相连的氢的磁化矢量则沿-Z轴。