二维谱

二维核磁共振二维傅立叶变换核磁共振（2D-FT-NMR）是八十年代发展起来的核磁共振新技术。二维谱是将NMR提供的信息，如化学位移和偶合常数，氢化学位移和碳化学位移等在二维平面上展开绘制成的图谱。二维谱可分为同核化学位移相关谱和异核化学位移相关谱前者如1H-1HCOSY谱，13C-13CCOSY谱，后者则为各种13C-1HCOSY谱等。4常见的二维谱1H-1HCOSY(相互偶合的氢核给出交叉峰)NOESY(空间相近的氢核的关系)HMQC(13C-1HCOSY)13C,1H直接相关谱1JCHHMBC(远程13C-1HCOSY)13C,1H远程相关谱2JCH,3JCH谱学知识介绍氢-氢相关谱（1H-1HCOSY谱）是二维谱中昀常用的。在氢-氢相关谱上的横轴和纵轴均设定成为氢的化学位移，两个坐标轴上则画有通常的一维谱。一、1H-1HCOSY谱（1）对角峰与相关峰下面是乙酸乙酯的1H-1HCOSY谱•因相邻两原子间或有远程偶合关系的原子间的偶合而引起的，出现在对角线两侧对称的位置上的峰叫做相关峰。如图中a和a’•在相关谱中，位于对角线的峰叫做对角峰如图中信号3A方式：从信号2向下引一条垂线和相关峰a相遇，再从a向左划一水平线和信号1相遇，则可确定信号1和2之间存在着偶合关系。B方式：先从信号2向下划一垂线和a相遇，再从a向右划一水平线至对角峰[1]，再由[1]向上引一垂线至信号1，即可确定偶合关系。（2）偶合关系的确定偶合关系的确定有四种方式：C方式：按照与B方式相反方向进行。D方式：从1H-1HCOSY谱的高磁场侧解析时，除C方式外，也常常采用D方式。即从1向下引一条垂线，通过对角峰[1]至a’，再从a’向左划一条水平线，即和1的偶合对象（2）的对角峰[2]相遇，从[2]向上划一垂线至信号2即可确定。应用1H-1HCOSY谱解析化合物的结构就是基于分子中相互偶合的氢之间在谱中会出现相关峰，出现相关峰的质子之间可以是间隔3个键的邻偶，也可以是间隔4个键以上的远程偶合，特别是偶合常数较小的远程偶合，在一维氢谱中有时很难观察到，因而成为1H-1HCOSY谱的一个优势。下图是化合物6-hydroxykynurenicacid的芳香区域的1H-1HCOSY谱NHHOOCOOH12345678H8H7H5H3H8H7H5H3在该化合物的二维1H-1HCOSY谱中，H-7和H-8的相关峰最强，H-5和H-7的相关峰强度次之，H-5和H-8的相关峰最弱，这也说明两个质子之间的偶合常数越大，相关峰越强，两个原子之间的偶合常数越小，相关峰越弱，这也是1H-1HCOSY谱的普通规律。一般说来，在解析1H-1HCOSY谱时，应首先选择一个容易识别，有确切归属的质子，以该质子为起点，通过确定各个质子间的偶合关系，指定分子中全部或大部分质子的归属，这就是我们通常所说的“从头开始”法。在此基础上，再根据其13C-1H直接相关谱，确定有关碳的归属，而季碳一般要通过各种13C-1H远程相关谱归属。14β紫罗兰酮的1H-1HCOSY图谱二、HMQC谱和HSQC谱由于对偶合常数范围做了设定，图谱上表现出来的只是1JCH范围内的偶合关系。在二维图谱的一侧设定为1H的化学位移，而另一侧设定为13C的化学位移，则所得二维谱称作13C-1H相关谱1613C-1HCOSYSpectrum（HMQC）HMQC：归属直接相连的碳氢之间关系。13C-1H直接相关谱是异核相关谱中最主要的一种。异核相关谱中确定偶合关系只要顺着碳、氢信号分别向下和水平方向引直线，其交点处出现的信号峰即为相关峰，在13C-1H直接相关谱中相关峰则表示与此相应的碳氢直接相连。常规的13C-1H直接相关谱样品的用量较大，测定时间较长。HMQC技术很好地克服了上述缺点，HMQC是通过多量子相干间接检测低磁旋比核13C的新技术。HMQC的F1维（δC）分辨率差是其较大的缺点。此外，在HMQC谱的F1方向还会显示1H，1H之间的偶合裂分，它进一步降低F1维的分辨率，也使灵敏度下降。由于这个原因，近年来，HSQC常用来代替HMQC，它不会显示F1方向1H，1H之间的偶合裂分。HMQC和HSQC除在F1维可能有微小的差别之外，二者外观是很近似的。HMQC和HSQC，尤其是HSQC由于测试要求的样品量相应减少，特别适用于中药和天然药物有效成分的结构测定，是目前国内外获得碳氢直接连接信息昀主要的手段。伯碳（CH3）只与一组氢（3个H）出现一个相关峰（氢被裂分除外），叔碳（CH）也只与相应的一个氢出现相关峰。仲碳（CH2）在有些情况下，如连接着不对称碳原子，可能与两个化学位移值相差较大的不等价质子出现两个相关峰。在HSQC和HMQC谱中三、HMBC谱最早应用的碳氢远程相关谱是13C-1HLongRangeCOSY谱，随后进一步开发应用了COLOC谱。这两种技术存在灵敏度低，需要样品量大，测试时间长的缺点。近年开发并得到广泛应用的HMBC谱则克服了上述不足，是迄今为止最强有力、而且应用最普遍的二维核磁共振技术。22HMBC为1H检测的异核多键相关谱，是通过多量子相干间接检测低磁旋比核13C的新技术。其目的是突出表现相隔2个键（2JCH）和相隔3个键（3JCH）的碳氢之间的偶合。但由于技术上的原因，尚不能完全去掉直接相连的碳氢之间的偶合（1JCH）解析图谱时要注意区别。HMBC谱特别方便地应用于结构中存在较多角甲基的三萜和甾体等类化合物的结构研究。下图是三萜化合物lycoclavanol的HMBC谱HMBC谱反映的是相隔2个键和3个键的碳氢之间的相关信息，而中间相隔的原子可以是碳，也可以是氧、氮等其他杂原子。应用HMBC谱可较容易地确定苷分子中糖和糖以及糖和苷元之间的连接位置。五、NOESY谱NOESY谱是为了在二维谱上观察NOE效应而开发出来的一种同核相关的二维新技术。在NOESY谱上，分子中所有在空间上相互靠近的质子间的NOE效应同时作为相关峰出现在图谱上，借此我们可以观察到整个分子中质子间在立体空间中的相互关系，推定分子的结构，特别是分子的立体结构。NOESY谱是确定化合物立体结构时普遍应用的一种二维技术，但对于中等大小的分子，有时NOE的增益为零，从NOESY谱上得不到相关的信息。而旋转坐标系中的NOESY，我们称之为ROESY谱则有效地克服了上述NOESY谱的不足，是一种解决中等大小化合物立体结构的理想技术，ROESY谱的解析方法和说明的问题与NOESY谱一致。28NOESYSpectrumNOE：当两个质子Ha和Hb在立体空间中的位置相近时，若照射Ha使其饱和，则Hb的强度增加，这种现象称为NOE。NOE主要用来确定两种质子在分子立体空间结构中是否距离相近。NOE差光谱：照射某个氢核(Ha)，与其空间相近的氢核（Hb）产生的NOE效应有时不是特别明显，或者Hb与其它氢信号有重叠现象，则可测试NOE差光谱。29β紫罗兰酮的NOESY谱各二维谱所需样品量约为:2D-INADEQUATE谱200mg13C-1HCOSY谱5-10mgCOLOC谱5-10mgHMBC2-3mgHMQC1mg做谱的一般顺序：1H-NMR13C-NMRDEPT(135°)HSQCHMBCNOESYTOCSY例1分子离子峰分子离子峰MM--CHCH33IROHOHCHCH33苯环骨架振动苯环骨架振动苯环邻二氢苯环邻二氢1HNMRDEPTCOSYHMQCHMBC