波谱分析-研究生-2D NMR 简介及应用
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二维NMR谱原理及解析
H0
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
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
2D NMR
中 ．ＨＭＢ Ｃ谱 给 出质 子 与相 隔 ２个 （Ｊ Ｈ 或 ３个 （ＪＨ 化 学 键 碳原 子 间 的相 关 关 系 ，指 ｃ） Ｃ）
明了分子中季碳与相邻（ ｃ ） Ｈ 和相隔（ＪＨ 质子间的相关关系， Ｊ Ｃ） 从而可 以组装分子结构 片段 ：连 接被 季 碳 或杂 原子 相 隔断 的结 构 单 元 ，确 定 化 合 物 的分 子 骨 架 ；指 定 碳 骨 架 上 酯链、 糖链等的结合位置 ； 归属季碳的化学位移【 ２． ｌ】 －
收稿 日期 ：０ ２０ ． １ 收修改稿 日期 ：０ ２０ ．４ ２０ ． １； ３ ２ ０ ．４ ０ 基金项 目： 中国科学院“ 百人计划 ” 基金 资助项 目（０ ０年） ２０ 作者简介 ： 师彦平（ ９ ５） 男， １ ６ ．。 甘肃渭源人 ， 博士， 究员。主要从事天然药物化学和波谱分 析 研
关键词 ： 二维 核磁共振 ；波谱分析 ；伊丽莎 白素 Ｂ 中圈分类号 ： ８ ．３ ０４２ ５ 文献标 识码 ： Ａ
引 言
ｘ 射 线单 晶衍射 技 术 （ — ｙ 在 分 子 结 构 确 定 ，特 别 是 分 子 的相 对 和 绝 对 构 型 的 确 ． Ｘｒ ） ａ
定 中占据 着极 其 重 要 的 地 位 ．然 而 它 致 命 的 局 限 性 是 必 须 要 求 获 得 被 测 样 品 的 单 晶
Ｐ ０． ｏ ３ ４ ，ＲｏＰｅｒｓ ｕ ｒ ｃ ０ ３ —３ ６ ． Ｂ ｘ２ ３ ６ ｉ ｉ ａ。Ｐ ｅｔ Ｒｉ ０ ９ １ ３ ，ＵＳ ｄ ｏ ｏ ４ＤＮ 应 ２ ＭＲ： Ｃ Ｙ、 Ｈ－Ｈ ＯＳ ＨＭＱ Ｃ、Ｈ Ｃ ，尤 其 是 ＨＭＢ ＭＢ ） Ｃ谱
（ Ｒ） ＵＰ ，Ａｂｍｅｌ ｏ ｒ ｕｚ 士率 领 的研 究 小组 首次 从 海 洋 生 物 软珊 瑚 （ ｓｕ ｏｔｒ— ｉ ａＤ Ｒ ｄｉ ｅ 博 ｇ Ｐｅｄ ｐｅｏ ｇ ｒｉ ｅ ｓ ｅ ａ ） ｏ ａ ｌａ ｔ ｅ 中分离得到，用多种波谱技术 （ Ｉ 、Ｉ 、ｕ ＮＭＲ ，并与伊丽莎 ｇ ｉｂ ｈ Ｅ ＭＳ Ｒ Ｖ、 ） 白素 Ａ （ ｌａａｉ Ｅｉ ｂｔ Ａ）比较相 应 的波 谱 数 据 ，确定 且 报道 了 其 结 构 和 波 谱 数 据 【 ．伊 丽 ｓ ｎ ３ Ｊ 莎 白素 Ｂ属于 ａ ｈｌｃ ｎ 型碳 骨 架 二萜 类 ，该 类 化 合 物 多 以高 共轭 芳 香 稠环 酮 或醌 ｍｐ ｉ ｔ ｅ烷 ｅａ 的形 式存在 ，极 易氧化 分 解 ． 其结 构 特 点是 分子 中具有 多 个季 碳 ，在 ” Ｃ化学 位 移的 准确 归属 上有 一 定 困 难 ．当 我 们 再 次 从 上 述 生 物 中 获 得 该 化 合 物 和 同 系 物 伊 丽 莎 白素 Ｃ （ ｌａａｉ 【 时，对 其 ２ Ｅｉ ｂｔ Ｃ）４ ｓ ｎ 】 Ｄ ＮＭＲ进 行 了进 一 步 的 研 究 ．为 说 明 ＨＭＢ Ｃ谱 在 有 机 化 合 物 ，尤 其多 季 碳二 萜 等复 杂天 然产物 的 结构 确 定 中 ，如何 组 装 分 子 结构 片段 和 归属 季碳
明了分子中季碳与相邻（ ｃ ） Ｈ 和相隔（ＪＨ 质子间的相关关系， Ｊ Ｃ） 从而可 以组装分子结构 片段 ：连 接被 季 碳 或杂 原子 相 隔断 的结 构 单 元 ，确 定 化 合 物 的分 子 骨 架 ；指 定 碳 骨 架 上 酯链、 糖链等的结合位置 ； 归属季碳的化学位移【 ２． ｌ】 －
收稿 日期 ：０ ２０ ． １ 收修改稿 日期 ：０ ２０ ．４ ２０ ． １； ３ ２ ０ ．４ ０ 基金项 目： 中国科学院“ 百人计划 ” 基金 资助项 目（０ ０年） ２０ 作者简介 ： 师彦平（ ９ ５） 男， １ ６ ．。 甘肃渭源人 ， 博士， 究员。主要从事天然药物化学和波谱分 析 研
关键词 ： 二维 核磁共振 ；波谱分析 ；伊丽莎 白素 Ｂ 中圈分类号 ： ８ ．３ ０４２ ５ 文献标 识码 ： Ａ
引 言
ｘ 射 线单 晶衍射 技 术 （ — ｙ 在 分 子 结 构 确 定 ，特 别 是 分 子 的相 对 和 绝 对 构 型 的 确 ． Ｘｒ ） ａ
定 中占据 着极 其 重 要 的 地 位 ．然 而 它 致 命 的 局 限 性 是 必 须 要 求 获 得 被 测 样 品 的 单 晶
Ｐ ０． ｏ ３ ４ ，ＲｏＰｅｒｓ ｕ ｒ ｃ ０ ３ —３ ６ ． Ｂ ｘ２ ３ ６ ｉ ｉ ａ。Ｐ ｅｔ Ｒｉ ０ ９ １ ３ ，ＵＳ ｄ ｏ ｏ ４ＤＮ 应 ２ ＭＲ： Ｃ Ｙ、 Ｈ－Ｈ ＯＳ ＨＭＱ Ｃ、Ｈ Ｃ ，尤 其 是 ＨＭＢ ＭＢ ） Ｃ谱
（ Ｒ） ＵＰ ，Ａｂｍｅｌ ｏ ｒ ｕｚ 士率 领 的研 究 小组 首次 从 海 洋 生 物 软珊 瑚 （ ｓｕ ｏｔｒ— ｉ ａＤ Ｒ ｄｉ ｅ 博 ｇ Ｐｅｄ ｐｅｏ ｇ ｒｉ ｅ ｓ ｅ ａ ） ｏ ａ ｌａ ｔ ｅ 中分离得到，用多种波谱技术 （ Ｉ 、Ｉ 、ｕ ＮＭＲ ，并与伊丽莎 ｇ ｉｂ ｈ Ｅ ＭＳ Ｒ Ｖ、 ） 白素 Ａ （ ｌａａｉ Ｅｉ ｂｔ Ａ）比较相 应 的波 谱 数 据 ，确定 且 报道 了 其 结 构 和 波 谱 数 据 【 ．伊 丽 ｓ ｎ ３ Ｊ 莎 白素 Ｂ属于 ａ ｈｌｃ ｎ 型碳 骨 架 二萜 类 ，该 类 化 合 物 多 以高 共轭 芳 香 稠环 酮 或醌 ｍｐ ｉ ｔ ｅ烷 ｅａ 的形 式存在 ，极 易氧化 分 解 ． 其结 构 特 点是 分子 中具有 多 个季 碳 ，在 ” Ｃ化学 位 移的 准确 归属 上有 一 定 困 难 ．当 我 们 再 次 从 上 述 生 物 中 获 得 该 化 合 物 和 同 系 物 伊 丽 莎 白素 Ｃ （ ｌａａｉ 【 时，对 其 ２ Ｅｉ ｂｔ Ｃ）４ ｓ ｎ 】 Ｄ ＮＭＲ进 行 了进 一 步 的 研 究 ．为 说 明 ＨＭＢ Ｃ谱 在 有 机 化 合 物 ，尤 其多 季 碳二 萜 等复 杂天 然产物 的 结构 确 定 中 ，如何 组 装 分 子 结构 片段 和 归属 季碳
2D-NMR
二维核磁共振波谱
2D-NMR
二维核磁共振波谱的分类
J分解谱 (J resolved spectroscopy)：δ-J谱
化学位移相关谱 (chemical shift correlation
spectroscopy)：δ-δ谱，为2D-NMR的核心
– – – – 同核偶合：1H-1H COSY 异核偶合：HMBC、HMQC NOE：ROESY、NOESY 化学交换
大环菌素
远程1H-13C二维相关谱 (HMBC)
图谱横轴为1H的化学位移，纵轴为13C的化
学位移 测定1H-13C间隔 2 键以上的偶合： 2J, 3J甚 至4J, 5J (远程偶合)
例：红霉素
碳-碳同核化学位移相关谱 二维双量子INADEQUATE实验
¨ 2D-INADEQUATE（Incredible natural
O
bOH O
1H-13C
COSY
PhHN O OH
6
NOE 二维谱 (NOESY)
两轴均为氢核的化学位移
空间距离较近，并有NOE相关的两种(组)氢
核在图谱上出现相关峰
6b-z6
2b-z2 1f-x1
3b-x3
2c-4b 1b-3f
6b1f-1e 2f-2e 6c
多量子谱 (multiple quantum spectroscopy)
化学位移相关谱
含有两个频率轴和一个强度轴 提供相互偶合的观察核之间的相关关系信息 对复杂分子（如生物分子）的结构确定以及分子
与分子之间相互作用的研究非常有用。 可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） 常用技术：
13C-1H
2D-NMR
二维核磁共振波谱的分类
J分解谱 (J resolved spectroscopy)：δ-J谱
化学位移相关谱 (chemical shift correlation
spectroscopy)：δ-δ谱，为2D-NMR的核心
– – – – 同核偶合：1H-1H COSY 异核偶合：HMBC、HMQC NOE：ROESY、NOESY 化学交换
大环菌素
远程1H-13C二维相关谱 (HMBC)
图谱横轴为1H的化学位移，纵轴为13C的化
学位移 测定1H-13C间隔 2 键以上的偶合： 2J, 3J甚 至4J, 5J (远程偶合)
例：红霉素
碳-碳同核化学位移相关谱 二维双量子INADEQUATE实验
¨ 2D-INADEQUATE（Incredible natural
O
bOH O
1H-13C
COSY
PhHN O OH
6
NOE 二维谱 (NOESY)
两轴均为氢核的化学位移
空间距离较近，并有NOE相关的两种(组)氢
核在图谱上出现相关峰
6b-z6
2b-z2 1f-x1
3b-x3
2c-4b 1b-3f
6b1f-1e 2f-2e 6c
多量子谱 (multiple quantum spectroscopy)
化学位移相关谱
含有两个频率轴和一个强度轴 提供相互偶合的观察核之间的相关关系信息 对复杂分子（如生物分子）的结构确定以及分子
与分子之间相互作用的研究非常有用。 可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） 常用技术：
13C-1H
核磁共振(NMR)波谱学原理及其应用
例：温度25℃（298K），磁场强度为5.87T时，求 出1H核在上下能级各占多少？ 解：利用方程式
N (m=-½ N (m=+½
) )
E =exp[ ] KT 1.66x10-25J =exp[ ] -23 -1 1.38x10 JK 298K =0.99996
只有两个自旋态N (m=-½ )＝ 1-N (m=+½ ) 故N (m=-½ )=0.49999和N (m=+½ )=0.50001
2.1.5 在静磁场中原子核的行为 方向量子化 一个I0原子核，置于静磁场B0中，P方向量子化， 如图所示：
m=+1
PZ=½ ħ
m=+½
PZ=ħ PZ=0
m=0
PZ=-½ ħ
m=-½
PZ=-ħ
m=-1
PZ=m ħ m磁量子数，或称方向量子数 取m＝I， I－１，．．． I中任何一个数值，共有 (2I+1)个不同的m值。 对13C，1H核 I=½ ，mZ=+½ ， mZ=-½ ； 对2H，14N核 I=1， mZ=+1，-1。 方向量子化 Z=m ħ
核磁共振(NMR)波 谱学原理及其应用
第一章 绪言
1.1 回顾: NMR现象发现于1945年，发展迅速，已成 为当代研究物质结构最有力的工具。 ► 1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几 乎同时观测了石蜡中质子的信号， 1952年获诺贝尔 物理奖。 ► 1951年发现化学位移现象。 ► 1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技术 可用来研究分子结构。 ► 1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。
。在磁场 中，它也有两种取向，对中子来说，由于取负值， 故稳定的方向对应于m=-½ 。
核磁共振波谱仪的参数及应用
核磁共振波谱仪的参数及应用什么是核磁共振波谱仪？核磁共振波谱仪（Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer，简称NMR）是一种基于核磁共振现象和技术的仪器设备。
它主要通过对样品提供强磁场，以及对样品中核磁偶同峰（核磁共振）的收集和分析来确定分子和原子之间的化学结构和物理性质。
通常情况下，NMR仪器的主体包括磁场系统、射频电磁辐射系统、探头和数据采集处理系统等部分。
核磁共振波谱仪的参数使用NMR技术需要考虑一些重要的参数。
下面我们将介绍一些常见的参数以及它们的意义。
磁场强度磁场强度是NMR的一个重要参数之一。
其单位为特斯拉（Tesla，T），通常以T为单位表示。
磁场的强度越高，则可以检测到的核磁偶同峰越多，样品的分辨率也越高。
在实际应用中，NMR仪器可用的磁场强度一般在0.1-1.5T之间。
探头探头是NMR仪器中最重要的部分之一。
它负责建立和产生射频场，收集核磁偶同峰的信号，并将这些信号传输到接收器中进行处理。
探头的尺寸和形状决定了它可观测样品的大小和形状。
射频频率射频频率是NMR仪器中用来产生和采集信号的电磁辐射波的频率。
在大多数情况下，射频频率可以直接控制NMR仪器的探头。
平衡时间平衡时间指在样品准备阶段，对样品所加强磁场的强度和持续时间进行调整，以便让样品中的核磁偶同峰达到一个稳定的状态。
平衡时间一般为几秒钟到几分钟不等。
应用核磁共振波谱仪可以被广泛应用于许多领域，如生物化学、有机化学、医药学、材料科学等。
以下是一些重要的应用领域。
反应分析NMR可以被用来分析各种类型的化学反应，如酯化反应、加成反应等等。
通过观察样品在反应之前和之后的NMR谱图，在反应过程中发生的化学变化可以被可靠地确定和识别。
分子结构确定核磁共振波谱仪最重要的应用之一就是分子结构的确定。
通过对样品的核磁共振信号进行分析，可以确定样品中的各种原子之间的化学联系和相对位置。
这种技术对于化学和材料科学研究中的分子、聚合物等微观结构的解析非常有用。
有机波谱分析-NMR5-2DNMR
第五章 核磁共振
➢核磁共振概述 ➢氢谱 ➢碳谱及DEPT谱 ➢谱图综合解析 ➢核磁共振二维谱
教材P169 例2扫描
第五章 核磁共振
➢核磁共振概述 ➢氢谱 ➢碳谱及DEPT谱 ➢谱图综合解析 ➢核磁共振二维谱
核磁共振二维谱
1 二维核磁共振谱概述 2 J分辨谱 3 化学位移相关谱分类 4 同核位移相关谱（H,H COSY） 5 异核位移相关谱（C,H COSY）
2）异核位移相关谱
C,H COSY COLOC
3）NOE类二维核磁共振谱
NOESY ROESY HOESY
4）接力类位移相关谱和总相关谱
RCOSY（relayed COSY） TOCSY（total COSY）
5）多量子二维核磁共振谱
2D INADEQUATE
6）检出1H的异核位移相关谱
HMQC HMBC
3J7,8
3J8,7 = 3J7,8 4J8,6=4J6,8 3J3,2=3J2,3 3J7,6=3J6,7
cross section
3
2
F2
8
1H NMR
8.0
H
6
7
7.2
3 化学位移相关谱分类
1）同核位移相关谱
H,H COSY COSYLR (Long range COSY) COSY-45 DQF-COSY
1 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： 时畴信号（FID信号）FT 频畴谱（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。
➢核磁共振概述 ➢氢谱 ➢碳谱及DEPT谱 ➢谱图综合解析 ➢核磁共振二维谱
教材P169 例2扫描
第五章 核磁共振
➢核磁共振概述 ➢氢谱 ➢碳谱及DEPT谱 ➢谱图综合解析 ➢核磁共振二维谱
核磁共振二维谱
1 二维核磁共振谱概述 2 J分辨谱 3 化学位移相关谱分类 4 同核位移相关谱（H,H COSY） 5 异核位移相关谱（C,H COSY）
2）异核位移相关谱
C,H COSY COLOC
3）NOE类二维核磁共振谱
NOESY ROESY HOESY
4）接力类位移相关谱和总相关谱
RCOSY（relayed COSY） TOCSY（total COSY）
5）多量子二维核磁共振谱
2D INADEQUATE
6）检出1H的异核位移相关谱
HMQC HMBC
3J7,8
3J8,7 = 3J7,8 4J8,6=4J6,8 3J3,2=3J2,3 3J7,6=3J6,7
cross section
3
2
F2
8
1H NMR
8.0
H
6
7
7.2
3 化学位移相关谱分类
1）同核位移相关谱
H,H COSY COSYLR (Long range COSY) COSY-45 DQF-COSY
1 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： 时畴信号（FID信号）FT 频畴谱（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。
有机波谱解析 二维NMRppt课件
测定目的：确定(或归属)C和H之间的衔接方式
归属方法：
(i) 在1H核的信号得到归属情况下，进展13C核信号 的
((iiii)) 在1归3C属核．的信号得到归属情况下，进展1H核信号 的
(iii) 归属．
特征：无对角线峰．只出现1H核和13C相关的交叉 峰．
CA
s
HT (3H) HS(1H)
HR (2H) HQ (1H) HP (1H) OH (1H)
二维核磁共振谱
1. 根底知识
(1) 二维核磁共振谱：COSY (correlation spectroscopy) 又称之为二维相关谱或相关谱．
(2) 测定的目的：获得各种相关核(例如，1H-1H相关 1H-13C相关等)的重要信息．
(3) 二维核磁共振谱的方式
COSY的方式
1H,1H-COSY 1H,13C-COSY 以及在此根底上开展起来的其它各种特殊测定
其衔接方式如下：
CC HS HQ
CC核上所衔接的两个氢原 子为不等同的HS和HQ核
对任何一个13C信号都不出现交叉峰的1H信号，能 够对应着OH或NH那样的1H核．
一些特殊情况
(i) 某个13C信号在３个相应的1H位置出现交叉峰时，能够 存在以下几种能够：
C
HA(1H)
１个非等价CH2的和１个CH 的13C信号重合．
留意
(i) 有时对于较远程的巧合也出现交叉峰．因此，显示 交叉峰的1H核之间不一定就相隔三根键．
HH
H
H
C
C
H
H
CCC
CC
(ii) 巧合常数(J)为零的1H之间不出现交叉峰．因此，不 出现交叉峰的1H核之间也有能够是相邻的．
2. 1H,13C-COSY (异核相 关)
归属方法：
(i) 在1H核的信号得到归属情况下，进展13C核信号 的
((iiii)) 在1归3C属核．的信号得到归属情况下，进展1H核信号 的
(iii) 归属．
特征：无对角线峰．只出现1H核和13C相关的交叉 峰．
CA
s
HT (3H) HS(1H)
HR (2H) HQ (1H) HP (1H) OH (1H)
二维核磁共振谱
1. 根底知识
(1) 二维核磁共振谱：COSY (correlation spectroscopy) 又称之为二维相关谱或相关谱．
(2) 测定的目的：获得各种相关核(例如，1H-1H相关 1H-13C相关等)的重要信息．
(3) 二维核磁共振谱的方式
COSY的方式
1H,1H-COSY 1H,13C-COSY 以及在此根底上开展起来的其它各种特殊测定
其衔接方式如下：
CC HS HQ
CC核上所衔接的两个氢原 子为不等同的HS和HQ核
对任何一个13C信号都不出现交叉峰的1H信号，能 够对应着OH或NH那样的1H核．
一些特殊情况
(i) 某个13C信号在３个相应的1H位置出现交叉峰时，能够 存在以下几种能够：
C
HA(1H)
１个非等价CH2的和１个CH 的13C信号重合．
留意
(i) 有时对于较远程的巧合也出现交叉峰．因此，显示 交叉峰的1H核之间不一定就相隔三根键．
HH
H
H
C
C
H
H
CCC
CC
(ii) 巧合常数(J)为零的1H之间不出现交叉峰．因此，不 出现交叉峰的1H核之间也有能够是相邻的．
2. 1H,13C-COSY (异核相 关)
2D-NMR
+ _ _
+
3.3 范德华效应(Van der Waals效应) 两个氢原子在空间相距很近时，由于 原子核外电子的相互排斥，使这些氢核的 电子云密度相对降低，其化学位移向低场 移动。这种效应称为范德华效应。 如图所示的异构体，Ha的不同就是由 于范德华效应引起的。Hb的不同则由于羟 基的场效应引起的。
Hc Hb
Ha
OH
Hc
Hb
OH
Ha
Ha: 4.68; Hb:2.40 Hc:1.10
Ha: 3.92; Hb:3.55 Hc: 0.88
A
B
A的 Ha受到Hb的范德华效应，因此其信号的δH值为4.68，比B的 Ha δH值3.92大的多。另外，A和B的Hb都要受到对面的H或OH的范德 华，所以δH值分别为2.40和3.55，比A和B的Hc大得多。B的Hc δH值小 于A的Hc, 这是因为OH不但使Hb上屏蔽作用减小，而且减小的电子云 部分地移向Hc，使Hc周围的电子云密度增大，故δH值小。
表5.3 电负性对化学位移的影响
化学式
CH3F
CH3OH
CH3Cl CH3Br CH3I CH4
TMS
CH2Cl2
CHCl3
取代 元素
电负性 质子化 学位移
F 4.0
4.26
O 3.5
3.40
Cl
3.1
3.05
Br 2.8
2.68
I 2.5
2.16
H 2.1
0.23
Si 1.8
0
2×Cl
3×Cl
—
简介
• 这种原子核对射频电磁波辐射的吸收就称 为核磁共振波谱。核磁共振波谱又可进一 步分为氢谱（1H-NMR）和碳谱（13CNMR）。所谓氢谱，实际上指的是质子谱 （proton magnetic resonance，简写成 PMR），而碳谱则是指13C谱（carbon magnetic resonance，简写成13CMR）。H0 外加磁场外源自磁场 H0进动轨道μz
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13C
13C-1H
70
80
HMQC of Sucrose in D2O
ppm 5 4
90
ppm
HMQC实例:
HMBC
Each proton-carbon pair has a single crosspeak. 13C nuclei that have diasteriotopic protons have two correlations (some of these crosspeak pairs are boxed in the spectrum below).
Recovery time:
四.应用举例:
1. 一化合物的分子式为 C7H9NO2, 所有 图谱如下,试推出结构.
活泼H
羰基 C
3
2 1
4
5
4
3 2 1
1 2
3
4
5
HMBC实例:
C5 C2
C1
CO
HMBC 可高灵敏度地检测到13C-1H远程耦合 （2JCH，3JCH）, 因此可得到有关季碳的结构信息 及被杂原子切断的1H耦合系统之间的结构信息。
三. Nomenclature
PFG: GS: GRASP: GE: 脉冲梯度场(Pulsed Field Gradients) 梯度场选择(Gradient Selected) 梯度增速光谱学(Gradient Accelerated Spectroscopy) 梯度场增强(Gradient Enhanced) 梯度脉冲后,线圈恢复时间 (Settling time after a gradient pulse).
虽然 2D-NMR 有多种形式，但二维核磁共振实验的 脉冲序列根据其时间轴可分为3或4个时期： 即预备期、发展期（演化期）、混合期和检测期
二维的主要类型
1）J分辨谱 （J resolved spectroscopy） 将决定波谱共振位置的两个参数即化学位移和J 耦合分开. 2）化学位移相关谱 同核相关谱 (chemical shift correlation spectroscopy) 异核相关谱 将相互耦合的核、或具有化学交换的核、或有 相互弛豫的核相关联. 3）多量子谱 （multiple quantum spectroscopy） 检测和应用多量子跃迁
COSY, RELAY, ECOSY
TOCSY 2D-INADEQUATE
2）通过空间
NOESY ROESY (Rotation-frame
Overhauser Effect Spectroscopy)
1.2D COSY(Correlated Spectroscopy)
H N H
C C H
HO C
二: J分辨谱分类
(一) 同核J分辨谱 Homonuclear J resolved spectroscopy
(二) 异核J分辨谱
Heteronuclear J resolved spectroscopy
H4 H1 H5
二: 化学位移相关谱分类
(chemical shift correlation spectroscopy)
2D NMR的诞生:
1)自旋核调控脉冲技术 2）自旋核特性的理论发展 3）计算机技术的快速发展 4）超导磁体的发展 1971年Jeener首先提出了二维核磁共振的概念 1991年Ernst 教授因对脉冲傅里叶变换核磁共 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。
2D NMR: 是 两 个 独 立 频 率 变 量 的 信 号 函 数 ， 常 为 f(w1,w2)。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，另外一个坐标表示耦合常数， 或另外一个坐标表示同核或异核化学位移，这类核磁 图谱称为二维核磁共振谱。
H N H
C C H
HO C
H N H
C C H
HO C
correlate nuclei through space (distance<0.5nm)
NOESY 实例1:
Noesy的交叉峰表示原
子相互在空间上相邻. 其强度可用来估算原 子间距并以此推断分 子的空间结构.
NOESY的谱图特征类似于COSY，一维谱中出 现NOE的两个峰在二维谱中显示交叉峰。 NOESY可以在一张谱图上描述出分子之间的 空间关系。
HMQC是将信号的振幅及相位分别依13C化学位移及1H间 的同核化学耦合信息调制，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。它提供的信息及谱图 与1H-13C COSY 完全相同—得到的是直接相连的13C与1H之 间的耦合关系，不能得到季碳的结构信息。
C-H异核相关谱给出碳氢的偶合关系实例1:
a b c
1
2 3 4 5
e
对角线峰
5 4 3 2
C交叉峰s
1 0
d
1H-1H COSY谱 实例:
DQF-COSY Spectra of a protein segment (22 aa )
2. NOESY—空间相关谱 (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
1. HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Correlation)
氢检测的异核多量子相关谱
The HMQC experiment provides correlation between protons and their attached heteronuclei through the heteronuclear scalar coupling.
13C
0
1
2 1H
3
4
5
100
80
60
40
20
0
C-H异核相关谱给出碳氢的偶合关系-HMQC 实例2:
异核相关谱可通过观测碳 (1H-13C Hetcor) 或观测氢 (HMQC, HSQC). 观测氢的 实验也称做反相实验.
1H
60
HSQC: Heteronuclear Single Quantum Correlation
ppm 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
2.4
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 ppm
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1ห้องสมุดไป่ตู้2
ppm
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
1D NMR:横坐标同时表示化学位移和耦合常数两种 不同的核磁共振参数。共振信号是一个频率的函 数，常为f(w)
Cross peaks exist in the 2-D COSY spectrum where there is spin-spin coupling between hydrogens.
1H-1H
COSY谱 实例:
0
d e
c
b
a
2D COSY 谱中,交 叉峰 f1=a, f2=d 表明a与b有自旋自旋偶合作用.投 影图将给出一般的 氢谱
2: HMBC
(Heteronuclear Multiple Bond Correlation)
The HMBC experiment detects long range coupling between proton and carbon (two or three bonds away) with great sensitivity.
H-detected HMQC, HSQC, HMBC,
H-detected (Inverse Mode)—反相模式
Low-gamma low-sensitivity X nuclei when limited amount of material is available, the direct detection of Carbon-13 can be almost impossible High-sensitive protons Basic idea: detection of 1H spectra during t2 - the detection time; the X chemical shift is detected during t1 - the evolution time.
3. TOCSY—全相关谱 (Total Correlation Spectroscopy)
也称HOHAHA (homonuclear Hartmann-Hahn spectroscopy)
(二) 异核相关谱
异核相关谱—两种模式
X-detected 13C-1H COSY HETeronuclear CORrelation COLOC: COrrelation of LOng range Coupling Heteronuclear Proton Relay 1D and 2D INADEQUATE
(一) 同核相关谱 Homonuclear correlation spectroscopy
(二) 异核相关谱 Heteronuclear correlation spectroscopy
(一). 同核相关谱
1) 通过化学键
COSY
magnitude COSY, phase sensitive COSY, DQF(MQF)-
5
4
fb
3
2
fc
Hb Ha
1
fa
0
Hc
0
1
2
3
4
5
NOESY实例2:
ppm
Noesy 经常被用来确
13C-1H
70
80
HMQC of Sucrose in D2O
ppm 5 4
90
ppm
HMQC实例:
HMBC
Each proton-carbon pair has a single crosspeak. 13C nuclei that have diasteriotopic protons have two correlations (some of these crosspeak pairs are boxed in the spectrum below).
Recovery time:
四.应用举例:
1. 一化合物的分子式为 C7H9NO2, 所有 图谱如下,试推出结构.
活泼H
羰基 C
3
2 1
4
5
4
3 2 1
1 2
3
4
5
HMBC实例:
C5 C2
C1
CO
HMBC 可高灵敏度地检测到13C-1H远程耦合 （2JCH，3JCH）, 因此可得到有关季碳的结构信息 及被杂原子切断的1H耦合系统之间的结构信息。
三. Nomenclature
PFG: GS: GRASP: GE: 脉冲梯度场(Pulsed Field Gradients) 梯度场选择(Gradient Selected) 梯度增速光谱学(Gradient Accelerated Spectroscopy) 梯度场增强(Gradient Enhanced) 梯度脉冲后,线圈恢复时间 (Settling time after a gradient pulse).
虽然 2D-NMR 有多种形式，但二维核磁共振实验的 脉冲序列根据其时间轴可分为3或4个时期： 即预备期、发展期（演化期）、混合期和检测期
二维的主要类型
1）J分辨谱 （J resolved spectroscopy） 将决定波谱共振位置的两个参数即化学位移和J 耦合分开. 2）化学位移相关谱 同核相关谱 (chemical shift correlation spectroscopy) 异核相关谱 将相互耦合的核、或具有化学交换的核、或有 相互弛豫的核相关联. 3）多量子谱 （multiple quantum spectroscopy） 检测和应用多量子跃迁
COSY, RELAY, ECOSY
TOCSY 2D-INADEQUATE
2）通过空间
NOESY ROESY (Rotation-frame
Overhauser Effect Spectroscopy)
1.2D COSY(Correlated Spectroscopy)
H N H
C C H
HO C
二: J分辨谱分类
(一) 同核J分辨谱 Homonuclear J resolved spectroscopy
(二) 异核J分辨谱
Heteronuclear J resolved spectroscopy
H4 H1 H5
二: 化学位移相关谱分类
(chemical shift correlation spectroscopy)
2D NMR的诞生:
1)自旋核调控脉冲技术 2）自旋核特性的理论发展 3）计算机技术的快速发展 4）超导磁体的发展 1971年Jeener首先提出了二维核磁共振的概念 1991年Ernst 教授因对脉冲傅里叶变换核磁共 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。
2D NMR: 是 两 个 独 立 频 率 变 量 的 信 号 函 数 ， 常 为 f(w1,w2)。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，另外一个坐标表示耦合常数， 或另外一个坐标表示同核或异核化学位移，这类核磁 图谱称为二维核磁共振谱。
H N H
C C H
HO C
H N H
C C H
HO C
correlate nuclei through space (distance<0.5nm)
NOESY 实例1:
Noesy的交叉峰表示原
子相互在空间上相邻. 其强度可用来估算原 子间距并以此推断分 子的空间结构.
NOESY的谱图特征类似于COSY，一维谱中出 现NOE的两个峰在二维谱中显示交叉峰。 NOESY可以在一张谱图上描述出分子之间的 空间关系。
HMQC是将信号的振幅及相位分别依13C化学位移及1H间 的同核化学耦合信息调制，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。它提供的信息及谱图 与1H-13C COSY 完全相同—得到的是直接相连的13C与1H之 间的耦合关系，不能得到季碳的结构信息。
C-H异核相关谱给出碳氢的偶合关系实例1:
a b c
1
2 3 4 5
e
对角线峰
5 4 3 2
C交叉峰s
1 0
d
1H-1H COSY谱 实例:
DQF-COSY Spectra of a protein segment (22 aa )
2. NOESY—空间相关谱 (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
1. HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Correlation)
氢检测的异核多量子相关谱
The HMQC experiment provides correlation between protons and their attached heteronuclei through the heteronuclear scalar coupling.
13C
0
1
2 1H
3
4
5
100
80
60
40
20
0
C-H异核相关谱给出碳氢的偶合关系-HMQC 实例2:
异核相关谱可通过观测碳 (1H-13C Hetcor) 或观测氢 (HMQC, HSQC). 观测氢的 实验也称做反相实验.
1H
60
HSQC: Heteronuclear Single Quantum Correlation
ppm 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
2.4
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 ppm
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1ห้องสมุดไป่ตู้2
ppm
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
1D NMR:横坐标同时表示化学位移和耦合常数两种 不同的核磁共振参数。共振信号是一个频率的函 数，常为f(w)
Cross peaks exist in the 2-D COSY spectrum where there is spin-spin coupling between hydrogens.
1H-1H
COSY谱 实例:
0
d e
c
b
a
2D COSY 谱中,交 叉峰 f1=a, f2=d 表明a与b有自旋自旋偶合作用.投 影图将给出一般的 氢谱
2: HMBC
(Heteronuclear Multiple Bond Correlation)
The HMBC experiment detects long range coupling between proton and carbon (two or three bonds away) with great sensitivity.
H-detected HMQC, HSQC, HMBC,
H-detected (Inverse Mode)—反相模式
Low-gamma low-sensitivity X nuclei when limited amount of material is available, the direct detection of Carbon-13 can be almost impossible High-sensitive protons Basic idea: detection of 1H spectra during t2 - the detection time; the X chemical shift is detected during t1 - the evolution time.
3. TOCSY—全相关谱 (Total Correlation Spectroscopy)
也称HOHAHA (homonuclear Hartmann-Hahn spectroscopy)
(二) 异核相关谱
异核相关谱—两种模式
X-detected 13C-1H COSY HETeronuclear CORrelation COLOC: COrrelation of LOng range Coupling Heteronuclear Proton Relay 1D and 2D INADEQUATE
(一) 同核相关谱 Homonuclear correlation spectroscopy
(二) 异核相关谱 Heteronuclear correlation spectroscopy
(一). 同核相关谱
1) 通过化学键
COSY
magnitude COSY, phase sensitive COSY, DQF(MQF)-
5
4
fb
3
2
fc
Hb Ha
1
fa
0
Hc
0
1
2
3
4
5
NOESY实例2:
ppm
Noesy 经常被用来确