第三章二维核磁谱

1、第第3章章 核磁共振二维谱的解析核磁共振二维谱的解析 核磁二维谱开辟了核磁共振领域的一个新时代核磁二维谱开辟了核磁共振领域的一个新时代. 基于此，基于此， 研究核磁共振二维谱理论，并作出卓越贡献的研究核磁共振二维谱理论，并作出卓越贡献的Ernst 教授独教授独自荣获了自荣获了1991 年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖. 采用核磁共振二维谱，可以完全客观、可靠地推导未知采用核磁共振二维谱，可以完全客观、可靠地推导未知物结构，物结构， 可以不依靠有关的化学知识如官能团的化学位移可以不依靠有关的化学知识如官能团的化学位移知识知识) 而仅靠核磁共振谱图氢谱、碳谱和二维谱而仅靠核磁共振谱图氢谱、碳谱和二维谱

2、)推导未知推导未知物结构，当然一般情况下需要质谱的数据物结构，当然一般情况下需要质谱的数据. 对对于结构比较简于结构比较简单的未知物可能仅依靠核磁共振谱图推出结构单的未知物可能仅依靠核磁共振谱图推出结构. 对于结构很对于结构很复杂的未复杂的未知知物，物， 利用谱学方法可能远不到确定结构的目的，利用谱学方法可能远不到确定结构的目的，这时需要来用其他方法，这时需要来用其他方法，x -射线单晶衍射射线单晶衍射.3. 1 核磁共振二维谱的一般知识核磁共振二维谱的一般知识 核磁共振二维谱的外观一般为等高线图形核磁共振二维谱的外观一般为等高线图形(圈越多的地圈越多的地方表示峰越高方表示峰越高) . 二维谱

3、的周边轮廓为矩形二维谱的周边轮廓为矩形. 核磁共振二维谱核磁共振二维谱的横坐标表示为的横坐标表示为 2或者或者F2，纵坐标表示为纵坐标表示为1 或者或者F1，或或者者F 都是频率的意思都是频率的意思. 核磁共振二维谱是把两种核磁共振谱图关联起来（如异核磁共振二维谱是把两种核磁共振谱图关联起来（如异核位移相关谱），或者揭示峰组之间的关系（如同核位移相核位移相关谱），或者揭示峰组之间的关系（如同核位移相关谱、关谱、NOE 类相关谱）。类相关谱）。 核磁共振二维谱的横坐标核磁共振二维谱的横坐标（2或者或者F2)所所对对应的物种应的物种是是测定的测定的物物种种. 例如例如：H，C-COSY 谱把氢谱和

4、碳谱关联起来，谱把氢谱和碳谱关联起来，横横坐标是碳谱，即直接测定的是坐标是碳谱，即直接测定的是13C棋棋. 在在H，C-COSY 谱中，谱中，纵坐标是纵坐标是 1或者或者F1， 对应的是氢谱对应的是氢谱。核磁共振二维谱的相关峰核磁共振二维谱的相关峰说明了这两个频率的相关说明了这两个频率的相关性性. .注意：注意：核磁共振二维谱中核磁共振二维谱中会存在假峰会存在假峰. . 判断假峰最判断假峰最简单的办法就是看相关峰简单的办法就是看相关峰的横坐标或者纵坐标是否的横坐标或者纵坐标是否不对应共振频率，如果相不对应共振频率，如果相关峰没有对准氢谱或者碳关峰没有对准氢谱或者碳谱的峰组位移，那么这个谱的峰组

5、位移，那么这个相关峰就是假峰。相关峰就是假峰。3. 2 同核位移相关谱同核位移相关谱 同核位移相关谱同核位移相关谱COSY( 或写为或写为H,H-COSY )谱，是最常谱，是最常用的核磁共振二维谱用的核磁共振二维谱. COSY 谱图的轮廓外形为谱图的轮廓外形为矩形矩形或者正方形或者正方形（取决于横坐取决于横坐标和纵坐标的比例标和纵坐标的比例)，最常见的为矩形最常见的为矩形. COSY 谱的横坐标谱的横坐标（ 2，F2) 和纵坐标和纵坐标（ 1，F1) 方向的投影都是方向的投影都是该该化合物的化合物的氢谱，因此其横坐标和纵坐际都标注氢谱化学位移氢谱，因此其横坐标和纵坐际都标注氢谱化学位移. 在在

6、COSY 谱的上方谱的上方（或者再加或者再加-个侧面个侧面)有对应的核磁共振氢谱有对应的核磁共振氢谱. 氢谱的氢谱的化学位移数值和化学位移数值和COSY 谱的化学位移数值是一致的谱的化学位移数值是一致的. COSY 谱中有谱中有-条对角线条对角线. 通常的走向是从左下到右上通常的走向是从左下到右上. 对角线上有对角线上有若干峰组，若干峰组， 它们和氢谱的峰组完全对应它们和氢谱的峰组完全对应. 对角线上的峰对角线上的峰(组组)称为对角线峰或者自动相关峰，它们没有提供相关信息称为对角线峰或者自动相关峰，它们没有提供相关信息. 在在COSY 谱中还有另外一类峰谱中还有另外一类峰(组组) .它们处于对

7、角线外，称为相它们处于对角线外，称为相关峰或者交叉峰关峰或者交叉峰. 每个相关峰都反应一组耦合信息每个相关峰都反应一组耦合信息. COSY 谱主要反映的是谱主要反映的是3J 的耦合信息的耦合信息. 选取任意一个选取任意一个相相关关峰作为出发点，通过它作条垂线，会与某对角线峰组及氢峰作为出发点，通过它作条垂线，会与某对角线峰组及氢谱中的某峰组相交，谱中的某峰组相交， 该峰组即是参与该峰组即是参与(对应这个相关峰对应这个相关峰)耦合耦合的一个峰组的一个峰组. 通过所选定的相关峰作一水平线，会与某对角通过所选定的相关峰作一水平线，会与某对角线峰相交，再通过该对角线峰作一垂线线峰相交，再通过该对角线峰

8、作一垂线，会与氢谱中的另外会与氢谱中的另外一一个峰组相交，此峰组即是参与对应这个相关峰耦合的个峰组相交，此峰组即是参与对应这个相关峰耦合的另外一个峰组另外一个峰组. 因此，通过因此，通过COSY 谱中的任意一个相关峰，谱中的任意一个相关峰， 可以直接确定有关的一对峰组的耦合关系可以直接确定有关的一对峰组的耦合关系.不用分析氢谱中峰不用分析氢谱中峰组的峰型组的峰型(不用分析峰组间的等间距不用分析峰组间的等间距)。 COSY 谱一般反映的是谱一般反映的是3J的耦合信息的耦合信息. 如果如果4J的数值不小，的数值不小， 在在COSY 谱中也可能出现相关峰，这在芳环体系中常可以看谱中也可能出现相关峰，

9、这在芳环体系中常可以看到到. 在芳环体系甚至可能出现在芳环体系甚至可能出现5J的耦合相关的耦合相关峰峰. 另外另外.如果如果3J 的的数值小如影响数值小如影响3J数值的二面角接近数值的二面角接近90 ），可能在，可能在COSY 谱谱中的相关峰很弱中的相关峰很弱，甚至消失甚至消失.COS Y 谱中的对角线把谱中的对角线把COSY 谱分为两个部分谱分为两个部分. 因为常见因为常见COSY 谱的对角线从左下到右上，谱的对角线从左下到右上， 所以所以COSY 谱的这两部分谱的这两部分就是左上和右下就是左上和右下. 由于由于COSY 谱中的相关峰是沿着对角线对谱中的相关峰是沿着对角线对称分布的，称分布的

10、， 四此四此COSY 谱中两个部分所含的信息相同，谱中两个部分所含的信息相同， 只只分析其中的任一部分即可分析其中的任一部分即可.3.3 NOESY 谱和谱和ROESY谱谱 NOESY 谱和谱和ROESY 谱都属于谱都属于NOE 类相关谱类相关谱. 这俩种这俩种二维谱的原理和效果有些差别，主要根据所研究的有机化合二维谱的原理和效果有些差别，主要根据所研究的有机化合物选择物选择.但是这两种二维谱的外形和解析方法是一样的但是这两种二维谱的外形和解析方法是一样的. 在测定常规核磁共振氢谱之后，在测定常规核磁共振氢谱之后， 如果化合物的结构中有如果化合物的结构中有两个两个H，它们之间的空间距离比较近（

11、小于，它们之间的空间距离比较近（小于5X10-10 m) ，照，照射其中一个射其中一个H的峰组时测定氢谱的峰组时测定氢谱. 与该与该H相近的另外一个相近的另外一个H的的峰组面积会变化，这就是峰组面积会变化，这就是NOE 效应效应. 做做NOE 差谱，把后面差谱，把后面测得的氢谱减去原来的测得的氢谱减去原来的(常规常规）氢谱，面积有变化的地方就氢谱，面积有变化的地方就会出峰，这就可以发现会出峰，这就可以发现NOE 效应效应. 上述的方法是用一维谱的上述的方法是用一维谱的方式测定方式测定NOE 效应效应. 如果一个化合物中有若干成对的氢原子如果一个化合物中有若干成对的氢原子空间距离相近，需要照射若

12、干次，空间距离相近，需要照射若干次， 这样显然不方便这样显然不方便. NOE 类类的二维谱则是通过一张的二维谱则是通过一张NOE类的二维谱找到类的二维谱找到-个化合物内所个化合物内所有空间距离相近的氢原子对有空间距离相近的氢原子对. NOESY 谱和谱和ROESY 谱的外观与谱的外观与COSY 谱相同，只是谱相同，只是NOE 类相关谱中的相关峰反映的是有类相关谱中的相关峰反映的是有NOE效应的氢原子对效应的氢原子对. 当然由于具有当然由于具有3J耦合的两个氢原子的距离也不远，因此在耦合的两个氢原子的距离也不远，因此在NOE类相关谱中也常出现相关峰（作图时采取措施尽量去除，类相关谱中也常出现相关

13、峰（作图时采取措施尽量去除，但是难以完全除掉但是难以完全除掉) . 所以，在分析所以，在分析NOE 类相关谱时要特别类相关谱时要特别注意不是注意不是3J耦合的相关峰耦合的相关峰. 某个相关峰所对应的两个氢原子某个相关峰所对应的两个氢原子跨越的化学键数目越多，从跨越的化学键数目越多，从NOE 效应的角度来看意义越大效应的角度来看意义越大.化古物化古物C3 - 7 的结构如下的结构如下:其其NOESY 谱和谱和NOESY 谱的局部放谱的局部放大谱分别如图大谱分别如图3.1 9 和图和图3. 20 所示所示.通过通过NOESY 谱的数据，确定如下谱的数据，确定如下NOE 效应，因而也就可以效应，因而

14、也就可以确定侧链的方向：确定侧链的方向： 再以上面讨论过的化合物再以上面讨论过的化合物C3 - 1 为例为例. 化合物化合物C3 -1 的的NOESY 谱及其局部放大谱分别如图谱及其局部放大谱分别如图3.2 1 和和3.22 所示所示.由于这两个氢原子跨越由于这两个氢原子跨越5 5 根化学键，不能存在耦合关系，根化学键，不能存在耦合关系，因此这个结果说明它们所在的六元环为船式构象因此这个结果说明它们所在的六元环为船式构象. .从从NOESY 谱可以看到如下谱可以看到如下NOE 效应效应:从从NOESY 谱可以看到如下谱可以看到如下NOE 效应效应:从从NOESY 谱可以看到如下谱可以看到如下N

15、OE 效应效应:解析：两个通过氢谱难以辨别此化合物是那个结构，但用过NOESY可以看到叔丁基只和a一个氢有NOE相关信号，所以可以确定结构 ，如果是 ，那么叔丁基应该与c,b两个氢有NOE相关信号。通过羰基对苯环的拉电子作用可以区分通过羰基对苯环的拉电子作用可以区分1，1和和2，2的化学的化学位移；但通过位移；但通过3位置氢与位置氢与1，1氢有氢有noe，而与，而与2，2氢没有氢没有noe，通过这一点也可以区分通过这一点也可以区分1，1和和2，2的化学位移的化学位移从从NOESY 谱可以看到如下谱可以看到如下NOE 效应效应:从从NOESY 谱可以看到如下谱可以看到如下NOE 效应效应: 解析

16、：上面是解析：上面是C6D6和和CDCl3两种不同溶剂中的氢谱。由氢两种不同溶剂中的氢谱。由氢谱可以看出在谱可以看出在C6D6中的中的2，2两个氢明显分开。在二维谱两个氢明显分开。在二维谱图中可以看到图中可以看到1与与2，2有有NOE信号，信号，3与与2，2没有没有NOE信信号，所以确定结构为：号，所以确定结构为：通过氢谱也可以识别，因为前者结构中两个通过氢谱也可以识别，因为前者结构中两个Ph是等价的，是等价的，化学位移相同，而后者不同。化学位移相同，而后者不同。从从NOESY 谱可以谱可以判断分子组装判断分子组装:从从NOESY 谱可以谱可以判断分子组装判断分子组装:H1ROESY 光谱清楚地显示了环糊精内腔的光谱清楚地显示了环糊精内腔的H-3, H-5 质子与质子与呋喃环质子的呋喃环质子的NOE 相关峰相关峰(峰峰A, B, C, D, E, F), 表明呋喃环表明呋喃环进入了环糊精的空腔进入了环糊精的空腔. 图中呋喃环上的质子图中呋喃环上的质子(HF5,HF4)与环糊与环糊精空腔质子精空腔质子(H-3)的较强相关峰的较强相关峰(A, C), 强于质子强于质子(HF5, HF4)与与环糊精空腔质子环糊精空腔质子(H-5)的相关峰的相关峰(B, D);这些质子相关峰的强这些质子相关峰的强弱说明了取代基呋喃环更靠近环糊精的质子弱说明了取代基呋喃环更靠近环糊精的质子