二维谱

第四章 二维核磁共振谱 4．1二维核磁共振的概述
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. 2D-NMR的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.
• HMBC是一种测定远程1H-13C相关的十分灵 敏的方法，它给出远程1H-13C相关信息。 特别是适用于检测与甲基有远程偶合的碳 （2JCH,3JCH). • 该法适用于具有众多甲基地天然产物，如 三萜化合物，甾醇化合物的结构鉴定。 • HMBC可高灵敏度地检测13C-1H远程偶合 （ 2JCH,3JCH），因此可得到有关季碳的结 构信息及其被杂原子切断地1H偶合系统之 间的结构信息。
4.2.1同核化学位移相关谱
一。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是归属谱线，推导结构及 确定结构的有力工具。
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, 2D-INADEQUATE。 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。
13C
Assi gnm ent 8 7 3 5 9 10 12 11 18 16 13 14 17
6.6 6.5 5.7 5.3 4.8 4.2 3.8 3.3 3.0 & 2.3 2.6 2.6 & 2.4 2.4 2.0 & 1.8
113 120 133 128 91 66 56 59 20 40 46 43 36
A
• • • •
7.7 8.15 7.4 7.5
111.6 120.6 122.6 127
2.COLOC(Correlation Spectroscopy via long range coupling)
得到一键以上的CH偶合相关信息，建立C-C 之间的关联，可以跃过N,O等其它官能团。 成为推导结构归属信号，解决由于屏蔽效应 难以解决的季碳归属的有力工具。由于该方 法能够将季碳和相邻碳的质子相关，对于确 定C-C连接非常有效。
• 常规的1H-13C-COSY没有季碳和其它质子的相 关峰。COLOC 谱图类似于C-H-COSY,两个坐 标（F1,F2)是化学位移，交叉峰也类似于CH-COSY，只是出现了小偶合的相关峰。 COLOC最大的缺点是相关峰中包含所有的 1J 信号。解析谱图时一定要对照C-H-COSY。 CH 确定1JCH,分辨出2JCH,3JCH.
1。HMQC (1-bond CH correlation) 1H检测的异核多量子相干谱
• HMQC所提供的信息及谱图与1H-13CCOSY完 全相同。及图上的两个坐标分别是1H,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
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。
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
• 利用双量子跃迁的相位特性可以压住强线，突出卫 线求出JC-C,并根据Jc-c确定其相邻的碳。
• 它只有一个双量子跃迁，其频率正比于两个偶合的 13C核的化学位移之和的平均值。所以如果两个碳具 有相同的双量子跃迁频率，即可以判断，它们是相 邻。
18 --> 11 --> 16 --> 15 --> 17 --> 13.
7.7 8.15 7.4 7.5
111.6 120.6 122.6 127
B C D
A
4。4多量子跃迁谱
• 常见的多量子跃迁谱有HMQC,HMBC.与1H13CCOSY,COLOC谱相似。由于多量子相干转移，使其 灵敏度大大提高。对于测定时间相等的条件下所需 的样品量为： • INADEQUATE 200mg (400mM) • 1H-13CCOSY 5~10mg(20mM) • COLOC 5~10mg(20mM) • HMQC 1mg(5mM) • HMBC 2~3mg(7mM) • 因此这两种方法为分子量大的微量样品的测定提供 了广阔的前景。
图4.3 堆积图
等高线
4．二维谱峰的命名
• （1）交叉峰（cross peak）:出现在ω1≠ω2 处，（即非对角线上）。从峰的位置关系 可以判断哪些峰之间有偶合关系，从而得 到哪些核之间有偶合关系，交叉峰是二维 谱中最有用的部分。 （2）对角峰（Auto peak）:位于对角线 （ω1＝ω2）上的峰，称为对角峰。对角 峰在F1和F2轴的投影。
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
6,7
3
5
9
12 10 11
Codeine在高场放大的NOESY
14
17
11
16 18 13 13’ 18’
17’
Table of NOEs
8 - 7, 12 7 - 18, 18' 3 - 5, 10 5 - 11, 16, 18' 9 - 10, 17, 17' 10 - 16 11 - 18, 16, 14, 18' 18 - 13, 18' 16 - 14, 17 13 - 14, 17, 17' 13' - 17, 17' 17 - 17‘
4.3异核化学位移相关谱-Heteronuclear Correlation of chemical
shift
•
• •
所谓异核化学位移相关谱是两个不同核的 频率通过标量偶合建立起来的相关谱.应用 最广泛的是1H-13C COSY. 1.1H-13C COSY. 常规的1H-13C COSY是指直接相连的C-H之 间的偶合相关（1JCH）。
HMQC of Codeine
HSQC-DEPT
• 这个实验有一个变化，显示CH2与CH,CH3有 不同的相位。CH2显示负的相位，在下图中 用红色表示。在Codeine中的三个CH2很容 易辨认。这种技术称之为HSQC-DEPT spectrum.
HSQC-DEPT of Codeine
HMBC (multiple-bond CH correlation)
•
5．二维谱的分类
• 二维谱可分为三类： • 1）J 分辨谱（ J resolved spectroscopy ） • J 分辨谱亦称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，包括异核和同核J谱。 • 2）化学位移相关谱(chemical shift correlation spectroscopy) • 化学位移相关谱也称δ－δ谱，是二维谱的核心，通常所指的二维 谱就是化学位移相关谱。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。 • 3）多量子谱（multiple quantum spectroscopy）用脉冲序列可以检 测出多量子跃迁，得到多量子二维谱 。
• 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。
TOCSY of codeine
9
5
12 10 11
16,13,14,13’18
3
18
3,16
3,16
3-10
3,10
3,9
3,5 3,5
TOCSY COSY
Table of TOCSY peaks: ( ' indicates the more upfield of geminal CH2 protons) 8 --> 7 3 --> 5, 9, 10, 16 5 --> 9, 10, b11, 16 9 --> 10, 16, OH, H2O 10 --> 16, OH, H2O 11 --> 16, 18, 18' 18 --> 16, 18' 16 --> 18' 13 --> 13', 17, 17' 13' --> 17, 17' 17 --> 17'
• 1H-13C-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CH偶合的信息。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。
O
A
O
B
13C-1H COSY2-丁烯酸乙酯
B C D
四。TOCSY
TOCSY也有称之为HOHAHA.可以提供自 旋系统中偶合关联信息。
选择适当的参数可通过一次实验得到独 立自旋体系所有质子相关信息。
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质子 a, b, c and d 构成 自旋体系既一个偶 合网络系统, CH3CH2构成另外一个网络系 统，这是两个独立的自旋体系 ， COSY spectrum, CH2 a与 CH2 b.相关而在 TOCSY spectrum,它不仅显示与质子b相关，而且 也与 it would also show correlations to 两 个（CH2） c and d.相关。
这是脂肪氢与脂肪 碳的偶合相关 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 C11 H-18' to C-11 H-17 to C14 and/or C-15, C-13
红线表示芳环 H-8 对 C-1 和 C-6 (三键 偶 合) 和一个弱 偶合 C-2, （二键偶 合.）。 H-7, 与C-2 and C-4, （三 键偶合）.
在此图中，显 示的是脂肪氢 与芳环碳的偶 合相关。在左 下角显示甲氧 基与C-2的三 键偶合。表明 芳环碳上连接 甲氧基。H-18 两个质子与C7和C-4相关 （三键偶合）， 与C-6相关 （两键偶合）。 H-17 to C-4.相 关。