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1、化工与环环境学院 二维维核磁共振谱谱 (2D-NMR) 4.4.1 二维维核磁共振谱谱基础础知识识 4.4.2 二维维核磁共振谱谱的分类类 4.4.3 常见见二维维核磁共振谱谱的原理及解析 4.4.4 核磁共振谱谱的综综合解析 2 目 录 一维维NMR实验过实验过 程 3 4 一维维核磁共振谱谱：横坐标标同时时表示化学位移和偶 合常数2种不同的核磁共振参数。共振信号是一个 频频率的函数,记为记为 S()。 有机波谱解析 | 核磁共振波谱 | 氢谱 | 5 （1）自旋核调调控脉冲技术术 （2）自旋核特性的理论发论发 展 （3）计计算机技术术的发发展 （4）超导导磁体的发发展1971年Jeener
2、首先提出二维维核磁共振的概念。 1991年厄恩斯特(Ernst)教授因对对脉冲傅立叶变换变换 核磁共振技术术和二 维维核磁共振技术发术发 展的贡贡献获获得诺贝诺贝 尔化学奖奖。 二维维核磁共振谱谱：是两个独立频频率变变量的信号函数,记为记为 S(1,2)。采用 不同的脉冲序列技术术，得到图谱图谱 中一个坐标标表示化学位移，另一个坐 标标表示偶合常数，或另一个坐标标表示同核或异核化学位移，这类这类 核磁 图谱图谱 称作二维维核磁共振谱谱。 6 引入二维维后,减少了谱线谱线 的拥挤拥挤 和重叠,提高了核 之间间相互关系的新信息.因而增加了结结构信息,有 利于复杂谱图杂谱图 的解析.特别别是应应用于
3、复杂杂的天然 产产物和生物大分子的结结构鉴鉴定,2DNMR是目前适 用于研究溶液中生物大分子构象的唯一技术术. 7 8 4.4.1 二维维核磁共振谱谱基础础知识识 原则则上二维谱维谱 可以用概念上不同的三种实验获实验获 得： (1).频频率域实验实验 (frequency-frequency) 9 (2).混合时时域(frequency- time)实验实验 (3).时时域(time-time)实验实验 . 它是获获得二维谱维谱 的主要方 法,以两个独立的时间变时间变 量进进行一系列实验实验 ,得到 S(t1,t2),经过经过 两次傅立叶 变换变换 得到二维谱维谱 S(1,2).通常所指的2D
4、 -NMR均是时间时间 域二维实维实 验验 虽然2D-NMR有多种形式，但二维核磁共振试验 的脉冲序列根据其时间轴 可分为3或4个时期： 预备期、演化期 ( 混合期 ) 和检测期 1 0 1 1 预备期 Preparation period 发展期（演化期）(t1) Evolution period 混合期 Mixing period 检测期(t2) Detection period 是一个较长较长 的时时期，使核自旋体系回复到平衡状态态 ，在预备预备 期末加一个或多个射频频脉冲，以产产生所需 要的单单量子或多量子相干。 在t1开始时时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发发， 此时间时间 系控制磁化
5、强度运动动，并根据各种不同的 化学环环境的不同进动频进动频 率对对它们们的横向磁化矢量 作出标识标识 。 通过过相干或极化的传递传递 ，建立检测检测 条件。 检测检测 作为为t2函数的各种横向矢量的FID的变变化以及它的 初始相及幅度受到t1函数的调调制。 实验过 程：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,
6、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(1,2)。 1 2 1 3 二维谱维谱 的表达方式 （a）堆积图积图 (stacked plot). 堆积图积图 的优优点是直观观,具有立 体感.缺点是难难以确定吸收 峰的频频率。大峰后面可能 隐隐藏小峰，而且耗时较长时较长 。 (b)等高线线（Contour plot） 等高线图类线图类 似于等高线线地图图 ，这这种图图的优优点是容易获获 得频频率定量数据，作图图快 。缺点是低强度的峰可能 漏画。目前化学位移相关 谱谱广泛采用等高线线。
7、 1 4 二维谱维谱 峰的命名 交叉峰（cross peak）:出现现在 12处处，（即非对对角线线上） 。从峰的位置关系可以判断哪 些峰之间间有偶合关系，从而得 到哪些核之间间有偶合关系，交 叉峰是二维谱维谱 中最有用的部分 。 对对角峰（Auto peak）:位于对对 角线线（12）上的峰，称 为对为对 角峰。对对角峰在F1和F2 轴轴的投影就是其自身的信号。 1 5 4.4.2 二维维核磁共振谱谱的分类类 （1）J分解谱谱 (J resolved spectroscopy)把化学位 移和自旋偶合的作用分辨开来，包括异 核和同核J谱谱。 （2）化学位移相关谱谱 (chemical shif
8、t correlation spectroscopy)是二维维 谱谱的核心，通常所指的二维谱维谱 就是化学位移相关谱谱。 （3）多量子谱谱 (J resolved spectroscopy)用脉冲序 列可以检测检测 出多量子跃跃迁，得到多量 子二维谱维谱 。 同核偶合 异核偶合 NOE效应谱应谱 化学交换谱换谱 1 6 有机波谱谱解析 | 核磁共振波谱谱 | 基本原理 横坐标反映 1H 同核去偶化 学位移，纵坐标则 反映了 峰的裂分和质子间的偶合 信息。 1 7 H（1）（5.85）有四个点，反映 了其分别与H（2）和H（3）耦合 ，从图中可直接读出耦合常数分 别为 J1,2=2Hz和J1,3
9、=10Hz。同样 H（4）（4.20）与H（5）（ 1.70）耦合，有三个点， J4,5=6.5Hz；H（5）则分别与 H(4)和H（6）耦合，有9个点（其 中有两个部分重合），J4,5=6.5Hz ，J5,6=8.0Hz。 1 8 横坐标类 似于 13C 的质子宽带 去偶谱，反映了 碳的化学位移； 纵坐标反映了 C 原子的裂分情况 异核-J分解谱 1 9 4.4.3 常见见二维维核磁共振谱谱的原理及解析 （1）化学位移相关谱谱 同核化学位移相关谱（Homonuclear correlation） 通过化学键：COSY, TOCSY, 2D- INADEQUATE。 通过空间：NOESY, R
10、OESY（Rotating-frame Overhauser Effect SpectroscopY）。 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) 2 0 同核化学位移相关谱谱 COSY(Correlated spectroscopy) 所谓的COSY系指同一自旋体系里质子之间的偶 合相关。1H-1H-COSY可以1H-1H之间通过成键 作用的相关信息，类似于一维谱同核去偶，可 提供全部1H-1H之间的关联。因此1H-1H-COSY 是归属谱
11、线，推导确定结构的有力工具。 COSY谱从左下至右上有一条对角线，将谱图分为 对称的两部分。对角线上的峰为对角峰(diagonal peak)，对角线外的峰为交叉峰(cross peak)或相关 峰(correlated peak)，每个交叉峰反映两组峰间的偶 合关系。 COSY谱的解析方法很简单：从任一交叉峰出发做 垂线，与某对角峰及其上方氢谱中的峰组相交，即 表明它们是构成该交叉峰的一个峰组；通过该交叉 峰做水平线，与另一对角峰相交后，再通过此对角 线峰做垂线，会与另一组峰相交，表明两组信号之 间有偶合关系。因此，在COSY谱中从任一交叉峰即 可确定相应两组峰的偶合关系，不必考虑裂分的峰
12、形。 2 1 对角峰 5-H与6-H相关 4-H与2-H和3-H相关 2-H与3-H和4-H相关 2 2 2-H与4-H和6-H相关 5-H与4-H和6-H相关 2 3 化合物C15H22N2O2的结构如 下，请根据其二维 1H-1H- COSY(600MHz, CDCl3)图 谱进 行信号归属。 2 4 1 1 2 2 2 2 12 识别溶剂峰： 化合物1H中共有12组氢的信号峰，其中7.26为溶剂CDCl3未 被完全氘代的质子信号峰。在二维COSY谱中可以看到该溶剂峰不与其它任何 质子相关（红色方框标注）。 识别杂质 峰： 6.30, 5.50, 4.95, 2.35, 2.15的谱线矮小
13、且与其它谱线的峰面 积无比例关系，二维COSY谱中可以看到2.49, 2.47两处的质子信号未见与其 它任何质子相关（绿色方框标注），因此可认为这 些信号是杂质峰引起的。 化学位移分区：扣除溶剂峰和杂质峰后，剩余的7组氢信号的峰面积比从低 场至高场分别为1：1：2：2：2：2：12。低场部分（7.0-8.0）共有三组质 子信号峰，应该属于芳环上的质子信号。低场区三条谱线较难进 行归属，可 借助二维1H-1H-COSY进行识别。高场部分（2.0-5.0）有四组质子信号峰， 应该属于饱和碳上的质子信号。其中2.25为单峰，含有12个质子，应该是与 杂原子相连的甲基（CH3)，可以确定为氮原子上的两
14、个甲基的质子H(7)信号； 2.45, 2.75处的谱线均裂分为双重峰，J=18Hz，应该是与杂原子相连的亚甲 基质子（-X-CH2-)，可以确定为与氮原子相连的亚甲基质子H（6）信号。由 于亚甲基的两个质子为化学不等价，发生同碳质子的耦合裂分，故耦合常数较 大（J=18Hz），表现出两组dd峰；4.50为单峰，含有2个质子，应该是与杂 原子相连的亚甲基质子（-X-CH2-)，可以确定为与氧原子相连的亚甲基质子H （5）信号。 2 5 利用二维 1H-1H-COSY归属信号：由前述分析已知低场部分 的三组质 子信号峰，属于芳环上的质子信号，从7.90处的谱 线出发，向F2轴做垂线，可以发现 其
15、与7.00处的多重峰相交 ，即二者之间有相关。二维 1H-1H-COSY谱中可以看出，7.00 处的多重峰实际 上是两种质子信号重叠在一起形成的谱线 ，因 此可以确定7.90为H（1）的信号，它与相邻的H(2)存在邻位 耦合；从7.45处的谱线 出发，向F1轴做垂线，可以发现 其与 7.00中的一组质 子峰相交，可以确定7.45为H（3）的信号， 它与相邻的H(2)存在邻位耦合。H（5）未与其它质子有耦合关 系，因此在二维 1H-1H-COSY谱中仅有对角线峰。 H（6）存 在同碳质子的耦合关系，因此在二维1H-1H-COSY谱中只存在 自身的相关峰。 2 6 异核位移相关谱 异核相关谱中最常
16、见的是13C和1H之间的位 移相关谱。它又分为直接相关谱核远程相关 谱，前者是把直接相连的13C和1H关联起来 ，而后者是将相隔两只三根化学键的13C和 1H关联起来，有时甚至能跨越季碳、杂原子 等，提供的信息比直接相关谱多，因此对结 构解析非常有用。 2 7 有机波谱解析 | 核磁共振波谱 | 氢谱 | 28 在测试技术上，异核位移相关谱有两种方法，一 是对非氢核（通常是碳）进行采样，是正相实验 ，测得的图谱称为“C，HCOSY”或长程“C，H COSY”、COLOC(远程13C-1H化学位移相关谱， Correlation Spectroscopy Via Long Rang Coupling)。由于是对非氢核采样，灵敏度低，需 要样品量较大，测试时间 也较长。 另一种方法为反相实验，即对氢核进行采样， 所得图谱为 HMQC(1H检测的异核多量子相干 实验，1H Detected Heteronuclear Mu
