二维核磁共振谱
13
第二节 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。
14
在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
15
3
2
5
4
6
F1
-10
O H
3
C C
2
1
5
6
0
J (H )
Z
C CH 3
4
O H
CH 2
CH 3
10
δ
H
6
4
2
F2
反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二维J分解谱
16
1/2JHH
17
18
2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和 4-H质子进一步裂分为十二 重峰，但由于有些峰相互 重叠，在2DJ分解谱中只 显示10个点。5位甲基没有 受到偶合，因此只在F1=0 轴上显示单峰。
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。
31
1H:
90
13C:
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。 在该谱图中出现了两种峰，分别为对角峰及 相关峰。同一氢核信号将在对角线上相交， 相互偶合的两个/组氢核信号将在相关峰上 相交，一般反映的是 3J 偶合。
7
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。
8
2.等高线图 等高线图中最中心的圆圈表示峰的位臵， 圆圈的数目表示峰的强度。
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。 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。
5
4
3
2
1
F2
25
1
6
26
O HO 6 7 8 5 4 1 N H 3
H8 H7 H5
2 COOH
H3
H3
H7 H5
H8
27
-CH3
-CH -CH2 -CH2 -CH2
ArH
28
5,11 6 8 14 7 13 12
29
5H 5/H
2J偶合
30
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。
2
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:
3
（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列 基本脉冲序列:
二维谱实验通常分为4个阶段：
d t1
演化期
tm
t2
检测期
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，
4
预备期
混合期
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。 3、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。
O
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。
CH3 ---四重峰（5-Me，1,1’ –Me, 10); CH2---三重峰(2,3,4); CH ---双重峰(7,8) 。
22
第三节
同核化学位移相关谱
一、氢、氢化学位移相关谱
（1H- 1H Correlation spectroscopy，1H- 1H COSY）
23
1H- 1H
COSY-900基本脉冲序列：
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。
24
1 2 3 4
5
F1
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
180
CPD 90 t1
90
2D INADEQUATE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臵上。 依此类推可以找出化合物中所有13C原子连接顺 序。
9
β-紫罗兰酮
10
三、二维谱共振峰的名称 1.对角峰 它们处在坐标 F1=F2的对角线上。 对角峰在F1或F2上 的投影得到常规的 一维偶合谱或去偶 谱。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
1 2 3 4
5
F1
5
4
3
2
1
F2
11
2.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）。 1 5 交叉峰有两组，分别出 2 3 4 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A和X 有偶合关系。
一、13C检测的异核化学位移相关谱
COSY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。
37
13C- 1H
二维核磁共振波谱法
二维核磁共振(2D NMR)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。
42
HMQC谱
43
O
A
O
B
44
9 7 6 8
O
5 1 2 3 4 6 7 8 9
1
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2D NMR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。
5
实验过程：
t1=t+nΔt
数据矩阵
数据矩阵对t2FT F1
数 据 矩 阵 对 t1FT
二维核磁共振谱
F2
6
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。
d2=1/2 1JCH
GARP
13C:
BIRD
Basic HMQC
HMQC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1H13C COSY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。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
F1
5
4
3
2
1
F2
12
第二节 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。
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在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
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3
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F1
-10
O H
3
C C
2
1
5
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J (H )
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C CH 3
4
O H
CH 2
CH 3
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δ
H
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F2
反式丙烯酸乙酯的1H－1H同核二维J分解谱
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1/2JHH
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2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和 4-H质子进一步裂分为十二 重峰，但由于有些峰相互 重叠，在2DJ分解谱中只 显示10个点。5位甲基没有 受到偶合，因此只在F1=0 轴上显示单峰。
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。
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1H:
90
13C:
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。 在该谱图中出现了两种峰，分别为对角峰及 相关峰。同一氢核信号将在对角线上相交， 相互偶合的两个/组氢核信号将在相关峰上 相交，一般反映的是 3J 偶合。
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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。
8
2.等高线图 等高线图中最中心的圆圈表示峰的位臵， 圆圈的数目表示峰的强度。
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。 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。
5
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3
2
1
F2
25
1
6
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O HO 6 7 8 5 4 1 N H 3
H8 H7 H5
2 COOH
H3
H3
H7 H5
H8
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-CH3
-CH -CH2 -CH2 -CH2
ArH
28
5,11 6 8 14 7 13 12
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5H 5/H
2J偶合
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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。
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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:
3
（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列 基本脉冲序列:
二维谱实验通常分为4个阶段：
d t1
演化期
tm
t2
检测期
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，
4
预备期
混合期
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。 3、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。
O
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。
CH3 ---四重峰（5-Me，1,1’ –Me, 10); CH2---三重峰(2,3,4); CH ---双重峰(7,8) 。
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第三节
同核化学位移相关谱
一、氢、氢化学位移相关谱
（1H- 1H Correlation spectroscopy，1H- 1H COSY）
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1H- 1H
COSY-900基本脉冲序列：
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。
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1 2 3 4
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F1
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
180
CPD 90 t1
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2D INADEQUATE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臵上。 依此类推可以找出化合物中所有13C原子连接顺 序。
9
β-紫罗兰酮
10
三、二维谱共振峰的名称 1.对角峰 它们处在坐标 F1=F2的对角线上。 对角峰在F1或F2上 的投影得到常规的 一维偶合谱或去偶 谱。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
1 2 3 4
5
F1
5
4
3
2
1
F2
11
2.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）。 1 5 交叉峰有两组，分别出 2 3 4 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A和X 有偶合关系。
一、13C检测的异核化学位移相关谱
COSY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。
37
13C- 1H
二维核磁共振波谱法
二维核磁共振(2D NMR)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。
42
HMQC谱
43
O
A
O
B
44
9 7 6 8
O
5 1 2 3 4 6 7 8 9
1
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2D NMR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。
5
实验过程：
t1=t+nΔt
数据矩阵
数据矩阵对t2FT F1
数 据 矩 阵 对 t1FT
二维核磁共振谱
F2
6
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。
d2=1/2 1JCH
GARP
13C:
BIRD
Basic HMQC
HMQC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1H13C COSY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。
O CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
F1
5
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F2
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核磁共振二维谱简介
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
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
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
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)
二维核磁共振波谱（TwoDimensionalNMRSpectroscopy）
二维核磁共振波谱（Two Dimensional NMR Spectroscopy）基本原理：在波谱技术中，二维核磁共振波谱的是近年来发展最快的领域之一。
为复杂化合物结构的准确鉴定提供了最为有效的研究手段。
二维核磁共振的引入主要依赖以下技术的：（1）自旋核调控脉冲技术，在激发自旋核磁化恢复平衡的不同时间段，在信号检测前，应用特定的脉冲和插入适当的延迟时间可以对自旋核进行调控；（2）自旋核特性的理论发展，对自旋核在受到其它原子核的各种不同影响后的行为有了深入的认识；（3）计算机技术的发展，使检测到的自旋核各种自由衰减信号（FIDs）可以储存，迭加，并在信号收集结束后调出再进行傅立叶转换处理；并且使核磁共振理论学家和波谱学家对它们的理论预测能够很快通过特殊实验进行证实。
（4）超导磁体的发展，使核磁共振波谱的检测灵敏度核分辩率显著提高；比如，现在900 MHz的仪器，其灵敏度和分辩率的提高，使微量样品的检测和合理解释复杂生物大分子的结构及分子作用成为现实。
超导磁体磁场的稳定和均匀性极大地推动了NOE 效应测定在有机化合物结构和立体构型确定中的应用以及在生物大分子分子内部相互作用和分子之间相互作用研究中的应用。
尽管核磁共振的硬件技术得到显著发展，但是对于一些复杂化合物，尤其当结构中存在化学位移相近的自旋体系时，得到一维1H NMR图谱仍然存在信号的严重重叠，比如，甾体类化合物的脂肪部分，它们的质子信号相互重叠呈现复杂的多重峰，使信号的指定很困难。
如果不同自旋体系的质子信号的化学位移太接近，在一维核磁共振实验中，由于选择性去偶技术的限制，用双共振和选择性共振方法，也无法建立每个自旋体系中1H-1H和1H-13C之间的相互偶合或连接关系。
二维核磁共振实验的概念是由Jeener于1971年提出的，但是由于当时缺乏足够稳定的磁场用实验方法来展示，因此一直未能发表。
而在大约5年以后，Ernst研究小组，通过实验实现了并发表了完整的二维核磁共振概念的潜在价值。
核磁课件 二维谱
第五章 二维核磁共振波谱
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。
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）
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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
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2.1、1H-1H COSY
• H-H COSY (H-H correlated spectroscopy) 同核位移相关谱
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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。
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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。
2D核磁共振谱
t1
t2
2D NMR Pulse Sequence
The 2D NMR Spectrum
Pulse Sequence
t1
t2
Spectrum
Before mixing
Coupled spins
After mixing
The Power of 2D NMR: Resolving Overlapping Signals
丙烯酸丁酯的同核J分解谱
2 D J 分解 1H NMR谱
Mugineic acid 是存在于禾本科植物中，具有输送铁 的功能的一种物质
COO 1' + NH
-
COO1'' + N H2 OH
COOH OH
异核 J 谱
异核 J 谱常见的为碳原子与氢原子之间产生偶合的 J 分解谱，它的
2方向（水平轴）的投影如同全去偶碳谱。 1方向（垂直轴）反映
O
8
10 4 6
7
15
HO
用以区别偕偶和邻偶的COSY-45谱
H-H COSY
COSY-45
11 1 2 3 12 13 14
O
8
10 4 6
7
15
HO
NOESY 和ROESY
二维 NOE 谱简称为 NOESY，它反映了有机化合物结构中核与核之间空间距离的关 系，而与二者间相距多少根化学键无关。因此对确定有机化合物结构、构型和构
2D 核磁共振谱
胡立宏 研究员
2004-2
Slide number
二维 FT-NMR
是八十年代经 Ernst和 Freeman 等小组的努力发展起来的 NMR新技术，是NMR软件开发和应用最新技术的结果。 二维核磁共振谱的出现对鉴定有机化合物结构来说，解决 问题更客观、可靠，而且提高了所能解决的难度和增加了 解决问题的途径。 化学位移和偶合常数: (H)- (H)， (H)-(C), (C)-(C), (H)-J, (C)-J 采用软件对对二维谱进行自动解析
二维核磁共振谱精简2
2019/11/28
17
同核J 分解谱
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化学位移
J 偶 合
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丙烯酸丁酯的同核J分解谱
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2. 异核J分解谱
谱信息: w2: 全去偶谱 →化学位移 dC w1: 谱线裂分 → 偶合常数JCH
（直接相连的氢原子耦合裂分产生）
CH3 ---四重峰，CH2---三重峰，CH ---双重峰。 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。
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30
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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31
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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。
12
3
4
1 32 4
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13C 化学位移
1H 化 学 位 移
C，H COSY谱
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13C 化学位移
4
6
2
1H 化 学 位 移
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2, 3-二溴代丙酸F1域宽带去耦C,H COSY谱(a)与常规C,H COSY谱(b)比较 c,d为平行于F1域取出的CH2和CH的2张投影图，可以看出投影图(c)中CH2和CH之 间的3JHH耦合已消除，但本身的偕氢2JHH耦合仍然保留，信号强度和分辨率提高。
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)。
二维核磁共振谱
3、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。
的不同核之间的偶合（交叉）。
交叉峰有两组, 分别出 现在对角线两侧, 并以
1
2
34
5
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
F1
来推测这两组核A和X
有偶合关系。
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
1
F2
12
四、二维谱的分类
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。 3）多量子谱 用脉冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子 二维谱 。
13
第二节 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。
2
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.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。
的不同核之间的偶合（交叉）。
交叉峰有两组, 分别出 现在对角线两侧, 并以
1
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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
F1
来推测这两组核A和X
有偶合关系。
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
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F2
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四、二维谱的分类
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。 3）多量子谱 用脉冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子 二维谱 。
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第二节 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。
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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:
二维谱
• 但是由于13C天然丰度仅仅为1.1%，出现13C-13C偶合 的几率为0。01％，13C-13C偶合引起的卫线通常离13C 强峰只有20Hz左右，其强度又仅仅是13C强峰的 1/200，这种弱峰往往出现在强13C峰的腋部，加上 旋转边带，质子去偶不完全，微量杂质的影响等因 素，使1JC-C测试非常困难。
三。NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
NOESY的谱图特征类似于COSY谱，一维谱中出现出现NOE 的两个核在二维谱显示交叉峰。NOESY可以在一张谱图上 描绘出分子之间的空间关系。
COSY OF PBF
NOESY of PBF
Codeine的NOESY
O
COSY of 2－丁烯酸乙酯
A
O
B
二.天然丰度的双量子13C谱 INDEQUATE (13C-13CCOSY)
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，一种双量子相干技术。是一种 13C-13C化学位移相关谱。在质子去偶的13C谱 中，除了13C信号外，还有比它弱200倍的13C13C偶合卫星峰，13C-13C偶合含有丰富的分子 结构和构型的信息。由于碳是组成分子骨架， 它更能直接反映化学键的特征与取代情况。
H-11 to C-14 and/or C-15 H-18 to C-16, C-11 H-13 to C-17, C-14 and/or C-15, C-11 H-14 to C-13 and C-11 H-18' to C-11 H-17 to C14 and/or C-15, C-13
A
• • • •
7.7 8.15 7.4 7.5
111.6 120.6 122.6 127