二维核磁共振谱

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:HMBC2DNMRhomonuclearthroughspacecorrelations: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1HNMR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CH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1HNMR谱，另一轴为13CNMR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13C13C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110000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122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),2.001.98(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CN，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(CH):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(CH):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/z683M+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：（CH)80.341.53s；27.16，42.483.76br.d(9.0)；76.43，26.00*，54.091.47s；88.494.82d(7.4),HMQC：(CH)32.401.21m，1.54m；30.031.90m，2.30m；88.493.47(11.6，4.1)；47.581.30m；21.050.65q(12.3)；26.181.44m；47.831.05m，1.30m；19.771.8034.231.75m，1.85m；90.755.56d(3.5)；79.944.69dd(8.3,3.5)；54.092.29d(8.3)；21.391.83s；30.480.26d(3.9)，0.50d(3.9)26.00*1.47s；42.482.72m，2.02m；27.162.15m，2.02m；80.343.76br.d(9.0)；25.971.50s；26.001.53s；25.771.28s；15.371.01s；13.511.08s21.292.03s107.394.82d(7.4)；75.423.97t(8.0)；78.424.10t(8.6)；71.194.15m；66.983.69t(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、J3.9Hz，19-H)，0.50(1H，d，J3.9Hz，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，J106Hz，5-H)，3.97(1H，t，J8.0Hz，2-H)，4.10(1H，t，J86Hz，3一H)，4.15(1H，m，4一H)，432(1H，dd，J11.2，5.1Hz，5一H)，4.82(1H，d，J7.4Hz，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，J3.5Hz，Ha)4.69(1H，dd，J8.3，3.5Hz，Hb)，2.29(1H，d，J83Hz，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-1C-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，J9.0Hz，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(Fig1)，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，J116，41Hz)，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(J15,163.5，J16,178.3Hz)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J15,169H