二维核磁共振谱.ppt

第七章二维核磁共振谱 1 二维J分解谱 2DJ resolvedSpectroscopy 2DJ 2 二维化学位移相关谱 Two DimesionalChemicalShiftCorrelationSpectroscopy 1H 1H化学位移相关谱 1H 1HCOSY Heteronuclearmultiple quantumcorrelation HMQC Heteronuclearmultibondcorrelations HMBC2DNMR homonuclearthroughspacecorrelations ROESY NOESY 1H 1HCOSY谱 是最常用的同核位移相关谱 一般反映的是邻碳氢的偶合关系 从而可知同一自旋体系里质子之间的偶合关系 是归属谱线 推导结构强有力的工具 以乙酸乙酯的1H 1H相关谱 1H 1HCOSY 为例 横轴及纵轴均为该化合物的1H NMR谱 同一1H核信号将在对角线上相交 交点称对角峰 diagonalpeak 图上对角线两侧呈对称分布的两个点叫相关峰 crosspeak 或correlationpeak 相互偶合的两个 组1H核信号将在相关峰上相交 2 13C 1HCOSY谱和COLOC谱常规的13C 1HCOSY谱是反映直接键连的C H间的偶合关系 对于信号的指定非常有效 一般谱图的一轴为化合物的1H NMR谱 另一轴为13C NMR谱 直接键连的13C和1H信号会在图中出现相关点 COLOC谱 即远程偶合的异核位移相关谱 它显示2JCH 3JCH以上的13C 1H相关 从功能来看 其与远程偶合13C 1HCOSY谱相近 但效果更好 3 HMQC谱和HMBC谱 属检测1H的异核位移相关谱 HMQC把1H核和与其直接相连的13C核关联起来 所提供的信息及谱图与13C 1HCOSY谱完全相同 HMBC可高灵敏地检测13C 1H远程偶合 由此可以得到有关季碳的结构信息及因杂原子存在而被切断的1H偶合系统之间的结构信息 它同HMQC一样也是通过测定灵敏度高的1H核来检测13C 1H之间的远程偶合相关信息 灵敏度比传统的远程偶合13C 1HCOSY高得多 4 NOESY谱和ROESY谱 属NOE类的二维核磁共振谱 NOE主要用来确定两个质子在分子立体空间结构中是否距离相近 若存在NOE则表示两者接近 NOE值越大 则两者在空间的距离就越近 NOE对确定有机化合物的结构 构型和构象具有重要作用 NOESY谱采用二维方式检测NOE 显示1H核之间的NOE相关 ROESY是旋转坐标系中的NOESY 5 总相关谱总相关谱 TotalCorrelationSpectroscopy TOCSY 把COSY的作用延伸 从任一氢的峰组可以找到与该氢核在同一耦合体系的所有氢核的相关峰 这对于研究包含几个自旋耦合体系的化合物特别有用 因TOCSY可把几个体系相互区别 TOCSY的外型与COSY相似 但交叉峰的数目大大增加 另可见到HOHAHA HomonuclearHartmann HahnSpectroscopy 这一名称的二维核磁共振谱 它的基本原理与TOCSY相近 作用则完全相同 6 2DINADEQUATEINADEQUATE是incrediblenaturalabundancedoublequantumtransferexperiment的缩写 它确定碳原子的连接顺序 它测定的是13C 13C之间的耦合 13C的同位素丰度是1 1 因而两个13C相连的几率就近似为1 10000了 因此这是一个很弱的信号 最先发展起来的是一维的INADEQUATE 它有若干缺点 后来发展为二维的INADEQUATE 即2DINADEQUATE 在这样的二维谱中 横座标刻度 2 为碳谱化学位移 在该谱上方有常规碳谱 纵座标为双量子频率 1 在2DINADEQUATE谱中有一条 1 2 2的准对角线 所有耦合的 相邻的 一对碳 13核会在同一水平线上 1相同 左右对称地处于准对角线的两侧 且 2分别等于它们的 值处有相关峰 据此可以找出相邻的两碳原子 进而可以连出整个分子的碳原子骨架 采用微量样品管 魔角旋转 特殊软件 2DINADEQUATE的用样量及累加时间可大大减少 各信号的归属如下 1 41 dt H 2a 1 17 dt H 2e 2 00 1 98 br s 二个H 3 5 44 br s H 5 2 23 d H 6 6 56 dd H 7 5 99 d H 8 2 20 s H 10 1 51 s 5 Me 0 87 s 1 Me 0 78 s 1 Me 3 二维核磁共振谱的解析基于二维核磁共振谱推导未知物结构可归纳为三套方法 一 以位移相关谱为核心推导未知物结构这是目前应用最多 也是发展最成熟的方法 1 确定未知物中所含碳氢官能团结合氢谱 碳谱 DEPT H C COSY可以知道未知物中所含的所有碳氢官能团及它们在何处出峰 2 确定未知物中各耦合体系由于COSY可反映所有邻碳氢的耦合关系 因而从COSY的交叉峰可以把耦合关系一个个找出来 即从耦合体系的一起点开始 依次找到邻碳氢 直至最后一个邻碳氢 耦合体系终止于季碳或杂原子 3 确定未知物中季碳原子的连接关系季碳原子上不直接连氢 因此COSY上没有与其对应的交叉峰 要把季碳原子和别的耦合体系连接起来需要COLOC或HMBC 4 确定未知物中的杂原子 并完成它们的连接从碳谱 氢谱有可能确定杂原子的存在形式 如 C N C N OH OCH3等 从 c H的数值 可判断碳氢官能团与杂原子的连接关系 从碳 氢长程相关谱可确定杂原子与碳氢官能团之间的连接 因碳 氢长程耦合可跨过杂原子 5 通过对谱图的指认来核实结构 二 以2DINADEQUATE为核心推导未知物结构从2DINADEQUATE可以确定未知物中所有碳原子的连接关系 再按前述原则把杂原子加进去 未知物的结构就完整了 以这种方法所得结构的准确性是很高的 随着谱仪的进步及有关技术 专用探头和软件的应用 它的应用将不断推广 三 以HMQC TOCSY为核心推导未知物结构HMQC的作用相当于H C COSY 但样品的用量可大大减少 作TOCSY实验时 其中有个重要参数是等频混合时间 当它逐渐增长时 也就是说要作几次实验 得出对应不同等频混合时间的谱图 相关峰的数目逐渐增加 从某个碳原子或氢原子出发所找出的有耦合关系的碳 氢原子也就越来越多 用这样的方法 逐步得到未知物的结构 以化合物A的结构解析为例 其HRMS显示其分子式为C6H11NO 不饱和度为2 IR显示在1665 1680 strong 3250cm 1有吸收峰 表明可能有酰胺基团存在 化合物A的1HNMR谱 化合物A的13CNMR谱 化合物A的HMQC谱 化合物A的HMBC谱 分析一维1H谱 根据谱图中化学位移值 耦合常数值 峰形和峰面积找出一些特征峰 解析过程 化合物A的1HNMR谱的初步解析 CH CH2 对照13C谱和DEPT谱确定各碳原子的级数 按照化学位移分区的规律 大致确定各谱线所属的区域 化合物A的13CNMR谱的初步解析 溶剂峰 借助二维核磁共振谱 从已确定的碳氢谱线出发 找到与之相关的各氢碳谱线 由此完成对一些未知谱线的指认 确定各基团片断的连接次序 并对NMR谱图中的各峰进行归属 通过对HMQC谱进行同碳氢相关的解析 对同碳氢进行指认 包括两个化学环境相同的CH3 dH1 20 d 6H dC19 4q 一个饱和CH dH2 44 m 1H dC35 5d 一个双键CH dH6 98 ddd 1H dC128 9d 和一个末端双键CH2 dH4 39 d 1H dH4 64 d 1H dC95 2t 通过HMBC谱进行远程碳氢相关解析确定化合物A由以下BCD三个片断构成 B D C 进一步分析HMBC谱图 发现饱和CH和双键CH均与羰基碳相关 另外 CH3也和羰基碳相关 如下图 表明片断B与羰基碳直接相连 结合其它碳氢相关最终确定连接次序 从而确定化合物A的结构如下 对化合物A的各峰进行归属 例1 某黄酮苷的核磁共振波谱数据 试推断其化学结构 并将核磁共振谱数据归属 1H NMR 400MHz CDCOCD3 ppm 7 78 d 8 0 6 86 d 8 0 6 52 s 6 40 s 5 07 d 11 7 2 5 3 79 d br 9 9 3 65 q 6 1 3 57 br s 2 13 q 11 7 1 76 d 11 7 1 27 d 6 1 13C NMR 100MHz CDCOCD3 ppm 183 9 s 166 5 s 166 0 s 163 2 s 159 5 s 158 5 s 129 4 2C d 123 0 s 117 2 2C d 111 4 s 103 6 d 96 3 d 76 7 d 73 0 d 71 6 d 70 6 d 33 3 t 17 7 q HMQC谱中有下列相关 C H 103 6 d 6 52 s 96 3 d 6 40 s 129 4 2C d 7 78 d 8 0 117 2 2C d 6 86 d 8 0 73 0 d 5 07 d 11 7 2 5 76 7 d 3 65 q 6 1 71 6 d 3 57 br s 70 6 d 3 79 d br 9 9 33 3 t 2 13 q 11 7 1 76 d 11 7 17 7 q 1 27 d 6 1 HMBC谱中有下列相关 C H 33 3 t 5 07 d 11 7 2 5 3 79 d br 9 9 71 6 d 3 79 d br 9 9 3 65 q 6 1 17 7 q 3 65 q 6 1 111 4 s 5 07 d 11 7 2 5 123 0 s 6 52 s 183 9 s 166 5 s 6 52 s 166 0 s 6 40 s 例4 从茛科铁破锣属 Beesia 植物中分离到一新化合物gbc 26 为白色无定形粉末 mp 274 276 CHCl3 MeOH c D20十2 6 MeOH c 0 12 Liebermann Burchard反应阳性 Molish反应阳性 薄层水解检识有木糖 FAB MS显示m z683 M H 结合1H和13CNMR谱数据推测其分子式为C37H62O11 不饱和度为7 IR谱在3600 3100及1040 1090出现强吸收 在1720 1260cm 1显示强吸收带 1HNMR0 26d 3 9 0 50d 3 9 1 83s 1 50s 1 53s 1 28s 1 01s 1 08s 1 47s4 82d 7 4 3 97t 8 0 4 10t 8 6 4 15m 3 69t 10 6 4 32dd 11 2 5 1 5 56d 3 5 4 69dd 8 3 3 5 2 29d 8 3 1 21m 1 54m 2 03s 1 90m 2 30m 3 47 11 6 4 1 1 30m 0 65q 12 3 1 44m 1 05m 1 30m 1 801 75m 1 85m 2 72m 2 02m 2 15m 2 02m 3 76br d 9 0 13CNMR76 43 72 81 80 3488 49 90 75 79 94107 39 75 42 78 42 71 19 66 98171 5632 40 30 03 41 29 47 58 21 05 26 18 47 83 19 77 26 45 26 05 34 23 48 71 47 58 54 09 21 39 30 48 26 00 42 48 27 16 25 97 26 00 25 77 15 37 13 51 21 29 HMBC C H 80 34 1 53s 27 16 42 48 3 76br d 9 0 76 43 26 00 54 09 1 47s 88 49 4 82d 7 4 HMQC C H 32 40 1 21m 1 54m 30 03 1 90m 2 30m 88 49 3 47 11 6 4 1 47 58 1 30m 21 05 0 65q 12 3 26 18 1 44m 47 83 1 05m 1 30m 19 77 1 8034 23 1 75m 1 85m 90 75 5 56d 3 5 79 94 4 69dd 8 3 3 5 54 09 2 29d 8 3 21 39 1 83s 30 48 0 26d 3 9 0 50d 3 9 26 00 1 47s 42 48 2 72m 2 02m 27 16 2 15m 2 02m 80 34 3 76br d 9 0 25 97 1 50s 26 00 1 53s 25 77 1 28s 15 37 1 01s 13 51 1 08s21 29 2 03s107 39 4 82d 7 4 75 42 3 97t 8 0 78 42 4 10t 8 6 71 19 4 15m 66 98 3 69t 10 6 4 32dd 11 2 5 1 IR谱在3600 3100及1040 1090cm 1出现强吸收 示苷类化合物 在1720 1260cm 1显示强吸收带 提示分子结构中含乙酰基 1H和13CNMR谱提示该化合物为9 19环菠萝蜜烷型三萜单糖苷 含有一个乙酰基 H2 03 3H s c17l 563 1HNMR谱高场区显示一对AB系统质子的信号 0 29 1H d J 3 9Hz 19 H 0 50 1H d J 3 9Hz 19 H 七个叔甲基质子的单峰信号 1 01 1 08 l 28 1 47 1 50 1 53 1 833 还显示一组木糖的5个质子信号 3 69 1H t J 10 6Hz 5 H 3 97 1H t J 8 0Hz 2 H 4 10 1H t J 8 6Hz 3 一H 4 15 1H m 4 一H 4 32 1H dd J 11 2 5 1Hz 5 一H 4 82 1H d J 7 4Hz 1 H 根据端基氢的偶合常数可判断苷键为 构型 1HNMR谱低场区显示一个ABX系统连氧碳上的质子信 5 56 1H d J 3 5Hz Ha 4 69 1H dd J 8 3 3 5Hz Hb 2 29 1H d J 8 3Hz Hx HMQC谱中 Ha H 15 Hb H 16 和Hx H 17 三质子信号分别与碳谱中 90 75 C 15 79 94 C 16 和54 09 C 17 相先考虑到Ha H 15 化学位移处于较低场 推测15位连有乙酰氧基 该化合物具有部分结构B 13CNMR谱共显示37个碳信号 一组碳信号 107 39 75 42 78 42 71 19 66 98 可归属为木糖的C 1 C 5 88 49可归属为C 3 该化合物的不饱和度为7 扣除9 19环菠萝蜜烷型A D环骨架 一个糖环和一个乙酰基引起的不饱和度 分子中不再有其它环系 因此17位应连有一个8碳开环侧链 13CNMR谱低场区除了C 3 C 15 C 16和木糖碳信号外 还显示3个连氧碳信号 80 34 76 43 72 81 说明分子中还有3个羟基 1HNMR谱中甲基信号均为单峰 说明有一羟基位于25位 连氧碳信号 72 81可归属为C 25 H 17只与H 16偶合呈双峰 提示C 20为季碳 说明有一羟基连在20位碳原子上 连氧碳信号 76 43可归属为C 20 从生源上推测 另一羟基位于24位 1HNMR谱中低场区出现一质子信号 3 76 1H br d J 9 0Hz H 24 HMQC谱中 H 24与 80 34相关HMBC谱中 H 27与C 24远程相关 H 24与C 23 C 22远程相关 H 21与C 17 C 20 C 21远程相关 Fig 1 证明了3个羟基位于C 20 C24和C 25位 FAB MS出现基峰m 143 100 107 可解释为17位侧链部分分别失去一分子和三分子水所致 以上证据说明分子中存在部分结构A 1HNMR谱中3位氢出现在 3 47 1H dd J 11 6 4 1Hz 根据其偶合常数和裂分方式可判断3位氢为 构型 HMBC谱中的 4 82 H 1 与 88 49 C 3 相关证明木糖连在C 3位 结合HMQC HMBC 所有碳信号和大部分氢信号都得以归属 因此该化合物的平面结构得以确定 C 15 16和17的立体化学是通过研究1H 1H偶合常数 J15 16 3 5 J16 17 8 3Hz 确定的 H 16和H 17之间偶合常数为8 3Hz 说明16位羟基与17位侧链处于顺式位置 即16位羟基为 构型 H 15和H 16之间偶合常数为3 5Hz 说明15位乙酰基 构型 若15位取代基为 构型 则J15 16 9Hz 天然界中