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1、二维核磁共振波谱法二维核磁共振波谱法 二维核磁共振二维核磁共振(2D NMR)(2D NMR)方法是方法是Jeener Jeener 于于19711971年首先提出的年首先提出的, ,是一维谱衍生出来的新实验方法。是一维谱衍生出来的新实验方法。 引入二维后引入二维后, , 不仅可将化学位移、偶合常数等不仅可将化学位移、偶合常数等参数展开在二维平面上，减少了谱线的拥挤和参数展开在二维平面上，减少了谱线的拥挤和重叠重叠, , 而且通过提供的而且通过提供的HHHH、CHCH、CCCC之间的偶合之间的偶合作用以及空间的相互作用，确定它们之间的连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，
2、有利于复杂化合物的谱图接关系和空间构型，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。分子的结构鉴定。2DNMR2DNMR也是目前适用于研究也是目前适用于研究溶液中生物大分子构象的唯一技术。溶液中生物大分子构象的唯一技术。1第一节第一节 基本原理基本原理 NMRNMR一维谱的信号是一个频率的函数，共振峰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，可记为分布在一个频率轴（或磁场）上，可记为S()S()。 二维谱信号是二个独立频率（或磁场）变量的函二维谱信号是二个独立频率（或磁场）变量的函数，记为数，记为
3、S(S(1, 1, 2 2), ),共振信号分布在两个频率轴组成的共振信号分布在两个频率轴组成的平面上。也就是说平面上。也就是说2D NMR2D NMR将化学位移、偶合常数将化学位移、偶合常数等等NMRNMR参数在二维平面上展开，于是在一般一维谱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。不同的二维之间的相互作用更为容易。不同的二维NMRNMR方法得方法得到的图谱不同，二个坐标轴所代表的参数也不同。到的
4、图谱不同，二个坐标轴所代表的参数也不同。 2一、一、1D-NMR1D-NMR到到2D-NMR2D-NMR的技术变化的技术变化（一）一维核磁共振谱及脉冲序列（一）一维核磁共振谱及脉冲序列基本脉冲序列基本脉冲序列:3预备期预备期演化期演化期混合期混合期检测检测期期t1tmt2d（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列（二）二维核磁共振谱及基本脉冲序列二维谱实验通常分为二维谱实验通常分为4 4个阶段：个阶段：1 1、预备期：预备期：预备期在时间轴上通常是一个较长预备期在时间轴上通常是一个较长的时期，使核自旋体系回复的时期，使核自旋体系回复到热到热平衡状态，平衡状态，基本脉冲序列基本脉冲序列:43 3、混合
5、期：混合期：由一组固定长度的脉冲和延迟组成。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。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）维谱的种类而定）4 4、检测期：检测期：在此期间检测作为在此期间检测作为t2 t2函数的各种横向矢函数的各种横向矢量的量的FIDFID的变化，它的初始相及幅度受到的变化，它的初始相及幅度受到t1 t1函数函数的调制。的调制。 与与t2 t2轴对应的轴对应的22（F F2 2轴），通常是轴），通常是化学化学位移位移，与与t1 t1轴对应
6、的轴对应的11（F F1 1 轴）轴）是什么，取决于是什么，取决于二维谱二维谱的类型的类型。 2 2、演化、演化期：期：在在t1 t1开始时由一个脉冲或几个脉开始时由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，冲使体系激发，使之处于非平衡状态。使之处于非平衡状态。t t1 1=t+nt=t+nt，逐步延长，其对应的核磁信号的相，逐步延长，其对应的核磁信号的相位和幅值也就不相同。位和幅值也就不相同。5t1=t+nt实验过程：实验过程：二维核磁共振谱二维核磁共振谱数据矩阵数据矩阵数据矩阵数据矩阵对对t2FT数数据据矩矩阵阵对对t1FTF2F16 用固定时间增量用固定时间增量t1t1依次递增依次递增t1 t1进行
7、系列实验，进行系列实验，反复叠加，因反复叠加，因t2 t2时间检测的信号时间检测的信号S(t2)S(t2)的振幅或相的振幅或相位受到位受到s(t1)s(t1)的调制，则接收的信号不仅与的调制，则接收的信号不仅与t2 t2有关，有关，还与还与t1 t1有关。每改变一个有关。每改变一个t1 t1，记录，记录S(t2),S(t2), 因此得到因此得到分别以时间变量分别以时间变量t1,t1, t2 t2为行列排列数据矩阵，即在为行列排列数据矩阵，即在检测期获得一组检测期获得一组FIDFID信号，组成二维时间信号信号，组成二维时间信号S(t1,t2)S(t1,t2)。因。因t1,t2t1,t2是两个独立
8、时间变量，可以分别是两个独立时间变量，可以分别对它们进行傅立叶变换，一次对对它们进行傅立叶变换，一次对t2,t2,一次对一次对t1,t1,两次两次傅立叶变换的结果，可以得到两个频率变量函数傅立叶变换的结果，可以得到两个频率变量函数S(1,2)S(1,2)的的二维谱。二维谱。7二、常用二、常用2D-NMR2D-NMR图谱的表现形式图谱的表现形式1. 1.堆积图堆积图 堆积图的优点是直观堆积图的优点是直观, ,具有立体感具有立体感. .缺点是缺点是难以确定吸收峰的频率。大峰后面可能隐藏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。小峰，而且耗时较长。82. 2.等高线图等高线图等高线图
9、类似于等高线地图，这种图的优点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。广泛采用等高线图。等高线图中最中心的圆圈表示峰的位置，等高线图中最中心的圆圈表示峰的位置，圆圈的数目表示峰的强度。圆圈的数目表示峰的强度。3. 投影图（一维谱）投影图（一维谱） 堆堆积积图图在在F1或或F2方方向向上上的的投投影影，是是一一维维谱谱形形式式，可可用用来来准准确确确确定定F1轴轴或或F2轴轴上上各各谱谱峰峰的的化学位移值。化学位移值。9-紫罗兰酮
10、紫罗兰酮10三、二维谱共振峰的名称三、二维谱共振峰的名称1. 1.对角峰对角峰2153 4 它们处在坐标它们处在坐标F1=F2F1=F2的对角线上，每组自的对角线上，每组自旋核都有一个对角峰。旋核都有一个对角峰。对角峰在对角峰在F1F1或或F2F2上的上的投影得到常规的一维投影得到常规的一维偶合谱或去偶谱。偶合谱或去偶谱。 F2F15 4 3 2 1112. 2.交叉峰交叉峰 交叉峰也称为相关峰，它们不在对角线上，交叉峰也称为相关峰，它们不在对角线上，即坐标即坐标F F1 1FF2 2。交叉峰显示了具有相同偶合常。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）。数的不同核之间的偶合（交
11、叉）。交叉峰有两个，分别出现交叉峰有两个，分别出现在对角线两侧，并以对角在对角线两侧，并以对角线对称。这两个交叉峰和线对称。这两个交叉峰和对角峰可以组成一个正方对角峰可以组成一个正方形，并且由此来推测这两形，并且由此来推测这两组核组核A A和和X X有偶合关系（或有偶合关系（或彼此相关）。彼此相关）。 2153 4F2F15 4 3 2 112第二节 二维核磁共振光谱的类型一、二维核磁共振光谱的分类二维谱可分为三类：二维谱可分为三类：1 1）J J 分解谱分解谱 J J 分解谱亦称分解谱亦称J J谱或者谱或者-J-J谱。它把化学位移和自谱。它把化学位移和自旋偶合的作用分辨开来，分别用旋偶合的作
12、用分辨开来，分别用F F2 2、F F1 1表示，包表示，包括异核和同核括异核和同核J J谱。谱。2 2）化学位移相关谱）化学位移相关谱 化学位移相关谱也称化学位移相关谱也称-谱，它把不同自旋核的谱，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，同核化学位移相关谱，异核化学位移相关谱，NOESYNOESY和化学交换谱和化学交换谱等等。133 3）多量子谱）多量子谱 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁（m=m=1 1）。发生多量子跃迁时）。发生多量子跃迁时mm为大于
13、为大于1 1的整的整数。研究多量子跃迁可以帮助解决以下问题：数。研究多量子跃迁可以帮助解决以下问题：（1 1）多量子跃迁随着阶数的增加，跃迁数目迅速）多量子跃迁随着阶数的增加，跃迁数目迅速减少，应用高阶多量子谱使谱得到简化；（减少，应用高阶多量子谱使谱得到简化；（2 2）利）利用多量子相关的特征，选择性地探测一定阶数的用多量子相关的特征，选择性地探测一定阶数的多量子信号，使不同自旋系统得以分开；（多量子信号，使不同自旋系统得以分开；（3 3）多）多量子滤波可以简化为一维和二维谱，用脉冲序列量子滤波可以简化为一维和二维谱，用脉冲序列可以检测出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维可以检测出多量子跃迁，
14、得到多量子跃迁的二维谱。谱。14二、二、 二维二维J J分解谱分解谱 二维二维J J分解谱是将不同的分解谱是将不同的NMRNMR信号分解在两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个不同的轴上，使重叠在一起的一维谱的化学位移位移 和偶合常数和偶合常数J J分解在平面两个坐标上，分解在平面两个坐标上，提提供了精确的偶合裂分关系，供了精确的偶合裂分关系，便于解析。二维便于解析。二维J J分分解谱分为同核和异核解谱分为同核和异核J J分解谱。分解谱。 （一）氢、氢同核二维（一）氢、氢同核二维J J分解谱分解谱 同核二维同核二维J J分解谱将分解谱将1 1HNMRHNMR中重迭密集的谱线多
15、重峰结中重迭密集的谱线多重峰结构展开在一个二维平面上，可将偶合常数构展开在一个二维平面上，可将偶合常数3 3J JHHHH（或（或2 2J JHHHH) )与与化学位移分别在化学位移分别在F F1 1、F F2 2二个轴上给出，在二个轴上给出，在F F1 1轴上清晰给出轴上清晰给出峰的多重性，读取峰的多重性，读取J值。值。15 在同核在同核1 1H,1H H,1H 2D J2D J分解谱中，被测定的核为分解谱中，被测定的核为1 1H H核。核。16 反式丙烯酸乙酯的反式丙烯酸乙酯的1 1H H1 1H H同核二维同核二维J J分解谱分解谱17182 2位的位的a-Ha-H和和e-He-H相互偶
16、合，相互偶合，裂分为双峰后进一步被裂分为双峰后进一步被3 3位位氢裂分而显示六重峰。同氢裂分而显示六重峰。同样，样，3-H3-H的的a a、e e质子首先裂质子首先裂分为双峰，再被邻位分为双峰，再被邻位2-H2-H分分裂为六重峰，和裂为六重峰，和4-H4-H质子质子进进一步裂分为十八重峰，但一步裂分为十八重峰，但由于有些峰相互重叠，在由于有些峰相互重叠，在2DJ分解谱中只显示分解谱中只显示9个点。个点。5位甲基没有受到偶合，因位甲基没有受到偶合，因此只在此只在F1=0轴上显示单峰。轴上显示单峰。化学等价磁不等价化学等价磁不等价19（二）碳、氢异核二维（二）碳、氢异核二维J J分解谱分解谱 在异核在异核1313C,C,1 1H H 2D J2D J分解谱中，被测定的核为分解谱中，被测定的核为1313C C核，分解谱的核，分解谱的F F2 2轴为轴为1313C C化学位移化学位移 C C，F F1 1轴为轴为1 1H H与与1313C C的偶合的偶合( (1 1J JCHCH) )多重峰，为多重峰，为1/2J1/2JCHCH。 出峰情况是出峰情况是CHCH为二重峰，为二重峰，CHCH2 2
