1、化工與環境學院化工與環境學院 二維二維核磁共振譜核磁共振譜(2D-NMR)4.4.1 4.4.1 二維核磁共振譜基礎知識二維核磁共振譜基礎知識4.4.2 4.4.2 二維核磁共振譜的分類二維核磁共振譜的分類4.4.3 4.4.3 常見二維核磁共振譜的原理及解析常見二維核磁共振譜的原理及解析4.4.4 4.4.4 核磁共振譜的綜合解析核磁共振譜的綜合解析2目 錄射 頻 脈預備期檢測期（t2）(FID)傅立葉變換S (2)S (t2)一維一維NMR實驗過程實驗過程34一維核磁共振譜一維核磁共振譜：橫坐標同時表示化學位移和偶合：橫坐標同時表示化學位移和偶合常數常數2 2種不同的核磁共振參數。共振信號

2、種不同的核磁共振參數。共振信號是一個頻是一個頻率的函數率的函數,記為記為S()。有機波譜解析 | 核磁共振波譜 | 氫譜 |5（1 1）自旋核調控脈沖技術）自旋核調控脈沖技術（2 2）自旋核特性的理論發展）自旋核特性的理論發展（3 3）計算機技術的發展）計算機技術的發展（4 4）超導磁體的發展）超導磁體的發展19711971年年JeenerJeener首先提出二維核磁共振的概念。首先提出二維核磁共振的概念。19911991年年厄恩斯特厄恩斯特(Ernst)(Ernst)教授因對脈沖傅立葉變換核磁共振技術和二教授因對脈沖傅立葉變換核磁共振技術和二維核磁共振技術發展的貢獻獲得諾貝爾化學獎。維核磁共

3、振技術發展的貢獻獲得諾貝爾化學獎。二維核磁共振譜二維核磁共振譜：是兩個獨立頻率變量的信號函數是兩個獨立頻率變量的信號函數,記為記為S(1,2)。采用不采用不同的脈沖序列技術，得到圖譜中一個坐標表示化學位移，另一個坐標同的脈沖序列技術，得到圖譜中一個坐標表示化學位移，另一個坐標表示偶合常數，或另一個坐標表示同核或異核化學位移，這類核磁圖表示偶合常數，或另一個坐標表示同核或異核化學位移，這類核磁圖譜稱作二維核磁共振譜。譜稱作二維核磁共振譜。6引入二維后引入二維后,減少了譜線的擁擠和重疊減少了譜線的擁擠和重疊,提高了核提高了核之間相互關系的新信息之間相互關系的新信息.因而增加了結構信息因而增加了結構

4、信息,有有利于復雜譜圖的解析利于復雜譜圖的解析.特別是應用于復雜的天然特別是應用于復雜的天然產物和生物大分子的結構鑒定產物和生物大分子的結構鑒定,2DNMR是目前適是目前適用于研究溶液中生物大分子構象的唯一技術用于研究溶液中生物大分子構象的唯一技術.784.4.1 4.4.1 二維核磁共振譜基礎知識二維核磁共振譜基礎知識 原則上二維譜可以用概念上不同的三種實驗獲原則上二維譜可以用概念上不同的三種實驗獲得：得： (1).(1).頻率域實驗頻率域實驗(frequency-frequency)(frequency-frequency)9(2).(2).混合時域混合時域(frequency-(freq

5、uency-time)time)實驗實驗(3).(3).時域時域(time-time)(time-time)實驗實驗. . 它是獲得二維譜的主要方它是獲得二維譜的主要方法法, ,以兩個獨立的時間變以兩個獨立的時間變量進行一系列實驗量進行一系列實驗, ,得到得到S(t1,t2),S(t1,t2),經過兩次傅立經過兩次傅立葉變換得到二維譜葉變換得到二維譜S(1,2).S(1,2).通常所指的通常所指的2D-NMR2D-NMR均是時間域二維均是時間域二維實驗實驗 雖然2D-NMR有多種形式，但二維核磁共振試驗的脈沖序列根據其時間軸可分為3或4個時期：預備期、演化期 ( 混合期 ) 和檢測期1011預

6、備期Preparation period發展期（演化期）(t1)Evolution period混合期Mixing period檢測期(t2)Detection period是一個較長的時期，使核自旋體系回復到平衡狀態，是一個較長的時期，使核自旋體系回復到平衡狀態，在預備期末加一個或多個射頻脈沖，以產生所需要在預備期末加一個或多個射頻脈沖，以產生所需要的單量子或多量子相干。的單量子或多量子相干。在在t1開始時由一個脈沖或幾個脈沖使體系激發，此開始時由一個脈沖或幾個脈沖使體系激發，此時間系控制磁化強度運動，并根據各種不同的化時間系控制磁化強度運動，并根據各種不同的化學環境的不同進動頻率對它們的橫

7、向磁化矢量作學環境的不同進動頻率對它們的橫向磁化矢量作出標識。出標識。通過相干或極化的傳遞，建立檢測條件。通過相干或極化的傳遞，建立檢測條件。檢測作為檢測作為t2函數的各種橫向矢量的函數的各種橫向矢量的FID的變化以及它的的變化以及它的初始相及幅度受到初始相及幅度受到t1函數的調制。函數的調制。實驗過程：用固定時間增量t1依次遞增t1進行系列實驗，反復疊加，因t2時間檢測的信號S(t2)的振幅或相位受到s(t1)的調制，則接收的信號不僅與t2有關，還與t1有關。每改變一個t1，記錄S(t2),因此得到分別以時間變量t1,t2為行列排列數據矩陣，即在檢測期獲得一組FID信號，組成二維時間信號S(

8、t1,t2)。因t1,t2是兩個獨立時間變量，可以分別對它們進行傅立葉變換，一次對t2,一次對t1,兩次傅立葉變換的結果，可以得到兩個頻率變量函數S(1,2)。1213二維譜的表達方式二維譜的表達方式（a a）堆積圖）堆積圖(stacked plot).(stacked plot). 堆積圖的優點是直觀堆積圖的優點是直觀, ,具有具有立體感立體感. .缺點是難以確定吸缺點是難以確定吸收峰的頻率。大峰后面可收峰的頻率。大峰后面可能隱藏小峰，而且耗時較能隱藏小峰，而且耗時較長。長。(b)(b)等高線（等高線（Contour plotContour plot） 等高線圖類似于等高線地等高線圖類似于等

9、高線地圖，這種圖的優點是容易圖，這種圖的優點是容易獲得頻率定量數據，作圖獲得頻率定量數據，作圖快。缺點是低強度的峰可快。缺點是低強度的峰可能漏畫。目前化學位移相能漏畫。目前化學位移相關譜廣泛采用等高線。關譜廣泛采用等高線。14二維譜峰的命名二維譜峰的命名交叉峰（交叉峰（cross peak）:出現在出現在12處，（即非對角線上）。處，（即非對角線上）。從峰的位置關系可以判斷哪些從峰的位置關系可以判斷哪些峰之間有偶合關系，從而得到峰之間有偶合關系，從而得到哪些核之間有偶合關系，交叉哪些核之間有偶合關系，交叉峰是二維譜中最有用的部分。峰是二維譜中最有用的部分。對角峰（對角峰（Auto peak）:

10、位于對位于對角線（角線（12）上的峰，稱）上的峰，稱為對角峰。對角峰在為對角峰。對角峰在F1和和F2軸軸的投影就是其自身的信號。的投影就是其自身的信號。154.4.2 4.4.2 二維核磁共振譜的分類二維核磁共振譜的分類（1）J分解譜分解譜(J resolved spectroscopy)把化學位把化學位移和自旋偶合的作用分辨開來，包括異移和自旋偶合的作用分辨開來，包括異核和同核核和同核J譜。譜。（2）化學位移相關譜）化學位移相關譜(chemical shift correlation spectroscopy)是二維譜是二維譜的核心，通常所指的二維譜就是化學位移相關譜。的核心，通常所指的二維

11、譜就是化學位移相關譜。（3）多量子譜）多量子譜(J resolved spectroscopy)用脈沖序用脈沖序列可以檢測出多量子躍遷，得到多量列可以檢測出多量子躍遷，得到多量子二維譜子二維譜 。同核偶合同核偶合異核偶合異核偶合NOE效應譜效應譜化學交換譜化學交換譜16有機波譜解析有機波譜解析 | 核磁共振波譜核磁共振波譜 | 基本原理基本原理橫坐標反映 1H 同核去偶化學位移，縱坐標則反映了峰的裂分和質子間的偶合信息。17H（1）（5.85）有四個點，反映了其分別與H（2）和H（3）耦合，從圖中可直接讀出耦合常數分別為J1,2=2Hz和J1,3=10Hz。同樣H（4）（4.20）與H（5）（

12、1.70）耦合，有三個點，J4,5=6.5Hz；H（5）則分別與H(4)和H（6）耦合，有9個點（其中有兩個部分重合），J4,5=6.5Hz，J5,6=8.0Hz。18橫坐標類似于13C 的質子寬帶去偶譜，反映了碳的化學位移；縱坐標反映了 C 原子的裂分情況異核-J分解譜194.4.3 4.4.3 常見二維核磁共振譜的原理及解析常見二維核磁共振譜的原理及解析（1 1）化學位移相關譜）化學位移相關譜同核化學位移相關譜（Homonuclear correlation）通過化學鍵：COSY, TOCSY, 2D-INADEQUATE。通過空間：NOESY, ROESY（Rotating-frame

13、Overhauser Effect SpectroscopY）。異核化學位移相關譜（Heteronuclear correlation）強調大的偶合常數：1H-13C COSY強調小的偶合常數，壓制大的偶合常數： COLOC(遠程1H-13C COSY) 20同核化學位移相關譜同核化學位移相關譜COSY(Correlated spectroscopy) 所謂的COSY系指同一自旋體系里質子之間的偶合相關。1H-1H-COSY可以1H-1H之間通過成鍵作用的相關信息，類似于一維譜同核去偶，可提供全部1H-1H之間的關聯。因此1H-1H-COSY是歸屬譜線，推導確定結構的有力工具。 COSY譜從左

14、下至右上有一條對角線，將譜圖分為對稱的兩部分。對角線上的峰為對角峰(diagonal peak)，對角線外的峰為交叉峰(cross peak)或相關峰(correlated peak)，每個交叉峰反映兩組峰間的偶合關系。 COSY譜的解析方法很簡單：從任一交叉峰出發做垂線，與某對角峰及其上方氫譜中的峰組相交，即表明它們是構成該交叉峰的一個峰組；通過該交叉峰做水平線，與另一對角峰相交后，再通過此對角線峰做垂線，會與另一組峰相交，表明兩組信號之間有偶合關系。因此，在COSY譜中從任一交叉峰即可確定相應兩組峰的偶合關系，不必考慮裂分的峰形。21對角峰5-H與與6-H相關相關4-H與與2-H和和3-H

15、相關相關2-H與與3-H和和4-H相關相關222-H與與4-H和和6-H相關相關5-H與與4-H和和6-H相關相關23化合物C15H22N2O2的結構如下，請根據其二維1H-1H-COSY(600MHz, CDCl3)圖譜進行信號歸屬。2411222212識別溶劑峰： 化合物1H中共有12組氫的信號峰，其中7.26為溶劑CDCl3未被完全氘代的質子信號峰。在二維COSY譜中可以看到該溶劑峰不與其它任何質子相關（紅色方框標注）。 識別雜質峰： 6.30, 5.50, 4.95, 2.35, 2.15的譜線矮小且與其它譜線的峰面積無比例關系，二維COSY譜中可以看到2.49, 2.47兩處的質子信

16、號未見與其它任何質子相關（綠色方框標注），因此可認為這些信號是雜質峰引起的。化學位移分區：扣除溶劑峰和雜質峰后，剩余的7組氫信號的峰面積比從低場至高場分別為1：1：2：2：2：2：12。低場部分（7.0-8.0）共有三組質子信號峰，應該屬于芳環上的質子信號。低場區三條譜線較難進行歸屬，可借助二維1H-1H-COSY進行識別。高場部分（2.0-5.0）有四組質子信號峰，應該屬于飽和碳上的質子信號。其中2.25為單峰，含有12個質子，應該是與雜原子相連的甲基（CH3)，可以確定為氮原子上的兩個甲基的質子H(7)信號；2.45, 2.75處的譜線均裂分為雙重峰，J=18Hz，應該是與雜原子相連的亞甲

17、基質子（-X-CH2-)，可以確定為與氮原子相連的亞甲基質子H（6）信號。由于亞甲基的兩個質子為化學不等價，發生同碳質子的耦合裂分，故耦合常數較大（J=18Hz），表現出兩組dd峰；4.50為單峰，含有2個質子，應該是與雜原子相連的亞甲基質子（-X-CH2-)，可以確定為與氧原子相連的亞甲基質子H（5）信號。25利用二維1H-1H-COSY歸屬信號：由前述分析已知低場部分的三組質子信號峰，屬于芳環上的質子信號，從7.90處的譜線出發，向F2軸做垂線，可以發現其與7.00處的多重峰相交，即二者之間有相關。二維1H-1H-COSY譜中可以看出，7.00處的多重峰實際上是兩種質子信號重疊在一起形成的

18、譜線，因此可以確定7.90為H（1）的信號，它與相鄰的H(2)存在鄰位耦合；從7.45處的譜線出發，向F1軸做垂線，可以發現其與7.00中的一組質子峰相交，可以確定7.45為H（3）的信號，它與相鄰的H(2)存在鄰位耦合。H（5）未與其它質子有耦合關系，因此在二維1H-1H-COSY譜中僅有對角線峰。 H（6）存在同碳質子的耦合關系，因此在二維1H-1H-COSY譜中只存在自身的相關峰。26異核位移相關譜異核相關譜中最常見的是13C和1H之間的位移相關譜。它又分為直接相關譜核遠程相關譜，前者是把直接相連的13C和1H關聯起來，而后者是將相隔兩只三根化學鍵的13C和1H關聯起來，有時甚至能跨越季

19、碳、雜原子等，提供的信息比直接相關譜多，因此對結構解析非常有用。27有機波譜解析 | 核磁共振波譜 | 氫譜 |28在測試技術上，異核位移相關譜有兩種方法，一是對非氫核（通常是碳）進行采樣，是正相實驗，測得的圖譜稱為“C，HCOSY”或長程“C，H COSY”、COLOC(遠程13C-1H化學位移相關譜，Correlation Spectroscopy Via Long Rang Coupling)。由于是對非氫核采樣，靈敏度低，需要樣品量較大，測試時間也較長。另一種方法為反相實驗，即對氫核進行采樣，所得圖譜為HMQC(1H檢測的異核多量子相干實驗，1H Detected Heteronucl

20、ear Muliple Quantum Coherence)、HSQC(1H檢測的異核單量子相干實驗，1H Detected Heteronuclear Single Quantum Coherence)、或HMBC(1H檢測的異核多鍵相關實驗，1H Detected Heteronuclear Muliple Boan Correlation 或Long Range Heteronuclear Multiple Quantum Coherence)譜。有機波譜解析 | 核磁共振波譜 | 氫譜 |29 對HMQC（HSQC）和HMBC圖譜的解析也很簡單：均是從已知1H信號峰出發連線，找到其相關

21、的13C信號峰；或者從已知的13C信號峰出發連線找到相對應的1H信號峰。將二者結合起來不僅能夠解決信號歸屬問題，而且能夠找到碳碳之間的鏈接關系，有助于確定化合物基本骨架。 盡管HMQC(HSQC)和HMBC譜圖給出的信息很清楚，但有時也會出現一些雜質峰或假峰的干擾，特別是在譜線重疊嚴重時容易出現。另外，HMBC中常常會因強質子峰（如甲基對應的碳）出現衛星峰，即在主峰兩側出現對稱的兩個“交叉峰”。因此在解析二維圖譜的時候，需要將這些干擾峰忽略，以免影響解析。3031HMQC (1H Detected Heteronuclear Muliple Quantum Coherence)1H檢測的異核多

22、量子相干譜 HMQC是將1H信號的振幅及相位分別依13C化學位移及1H間的同核化學偶合信息調制，并通過直接檢測調制后的1H信號，獲得13C-1H化學位移相關數據。它所提供的信息及譜圖與1H-13CCOSY完全相同。得到的是直接相連的13C與1H之間的偶合關系，即CH,CH2和CH3的相關信號，不能得到季碳的結構信息。3233HSQC(1H Detected Heteronuclear Single Quantum Coherence) 1H檢測的異核單量子相干實驗HSQC 與HMQC一樣，反映的是1H和13C以1JCH相偶合，二者的圖譜外形完全相同。HMQC實驗中t1期是雙量子和零量子相干的演

23、化，而HSQC的t1期只涉及單量子相干演化。但HSQC實驗序列中的脈沖數多于HMQC，同時單量子的分辨率優于多量子，因此HSQC對實驗參數的設置要求也高，容易得到相位難調的圖譜。同時單量子的分辨率優于多量子的優勢，也使HSQC譜在F1維的分辨率高于HMQC。另一方面，采用梯度選擇的HSQC實驗不僅減少相循環，提高二維實驗效率，而且可以抑制12C-1H信號導致的t1噪音，有效壓制溶劑峰，增強靈敏度。因此目前二維實驗普遍采用的是HSQC。34359.101216152336HMBC (multiple-bond CH correlation) HMBC是一種測定遠程1H-13C相關的十分靈敏的方法

24、，它給出遠程1H-13C相關信息。特別是適用于檢測與甲基有遠程偶合的碳（2JCH,3JCH).其基本原理是：通過1H檢測異核多量子相干調制，選擇性地增加某些碳信號的靈敏度，是孤立的自旋體系相關聯，而組成一個整體分子。對于質子相隔兩個，三個鍵（ 2JCH, 3JCH）的碳，提供了有效的相關信息，抑制了直接偶合的1JCH信號強度是譜圖簡化。該法適用于具有眾多甲基地天然產物，如三萜化合物，甾醇化合物的結構鑒定。 HMBC可高靈敏度地檢測13C-1H遠程偶合（ 2JCH, 3JCH），因此可得到有關季碳的結構信息及其被雜原子切斷地1H偶合系統之間的結構信息。3738主要二維核磁共振譜總結39404.4.4 4.4.4 核磁共振譜的綜合解析核磁共振譜的綜合解析能解決的問題：能解決的問題：1 1）確定復雜圖譜中碳原子與連接質子之間偶合常數）確定復雜圖譜中碳原子與連接質子之間偶合常數2 2）確定復雜圖譜中質子）確定復雜圖譜中質子- -質子之間的偶合常數質子之間的偶合常數3 3）建立相互偶合的質子之間的關系）建立相互偶合的質子之間的關系4 4）建立質子與碳之間的連接關系）建立質子與碳之間的連接關系5 5）建立分子中碳原子之間的連接關系）建立分