二维核磁共振谱全解

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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(ω 1,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。
F1
矩
阵
对
1t FT
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。
交叉峰有两个，分别出现
1
2
34
5
在对角线两侧，并以对角
线对称。这两个交叉峰和
对角峰可以组成一个正方 形，并且由此来推测这两
F1
组核A和X有偶合关系（或
彼此相关）。
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
1
F2
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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： 1）J 分解谱
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β-紫罗兰酮
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三、二维谱共振峰的名称
1.对角峰
1
5
它们处在坐标F1=F2 2
34
的对角线上，每组自
旋核都有一个对角峰。
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。
F1
O
CH3 CH2
CH2 CH2 C
CH3
5432
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≠F 2。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）。
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。
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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。
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实验过程： t1=t+nΔt
数据矩阵
二维核磁共振谱
数据矩阵对t2FT
数
据
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3）多量子谱 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁
（Δm=± 1）。发生多量子跃迁时Δm为大于 1的整 数。研究多量子跃迁可以帮助解决以下问题：（ 1） 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；（ 2）利用多量 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；（ 3）多量子滤 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 :
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（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
tm
t2
预备期
演化期
混合期
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，
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在同核1H,1H －2D J分解谱中，被测定的核为 1H核。
16
3
2
5
4
6
H
3
C CH3
4
O
C1
5
6
C
2
O CH2 CH3
H
F1
-10
J0 (HZ)
10
δH 6
4
2 F2
反式丙烯酸乙酯的 1H－1H同核二维J分解谱
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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。
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2.等高线图
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。
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。
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 和化学交换谱等。
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二、 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，在F1轴上清晰给出 峰的多重性，读取J值。