二維核磁光譜分析簡介

孟昭瑞+高寧

摘要：二維-NMR近年來發(fā)展很快，它以直觀、明快、可靠等特點(diǎn)在用于解析復(fù)雜化合物的分子結(jié)構(gòu)中取得了很大的成功。在二維核磁中，有很多不同類型的譜圖，其中化學(xué)位移相關(guān)譜運(yùn)用最多，并且在有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析中發(fā)揮著不可替代的作用，本文將用2個(gè)化合物（石竹烯氧化物、乳糖）詳細(xì)介紹二維核磁中的化學(xué)位移相關(guān)譜（包括雙量子濾波1H-1H相關(guān)DQF-COSY譜、HMQC譜、HMBC譜、INADEQUATE譜、TOCSY譜以及NOESY譜）。

關(guān)鍵詞：二維核磁；化學(xué)位移相關(guān)譜；光譜分析

脈沖—傅立葉變換核磁共振波譜儀的問世使低同位素豐度、低靈敏度的同位素的核磁共振測定得以實(shí)現(xiàn)，其后解決了測定碳原子級數(shù)（伯、仲、叔、季）的方法。這又稱為碳-13譜線多重性的確定，因?yàn)樘荚由舷噙B的氫原子數(shù)目不同將導(dǎo)致碳譜譜線分裂數(shù)目的不同。以后核磁共振二維譜的出現(xiàn)開創(chuàng)了核磁共振波譜學(xué)的新時(shí)期。對鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)來說，解決問題更客觀、可靠，而且大大提高了所能解決的難度和增加了解決問題途徑的多樣性。

一維NMR譜是把共振信號展示在一個(gè)頻率坐標(biāo)軸上；而二維NMR譜的特征是共振信號分別在兩個(gè)獨(dú)立的頻率坐標(biāo)軸上展開，從而把化學(xué)位移、耦合常數(shù)等信號在平面上構(gòu)成了2D-NMR平面圖。2D-NMR是利用多脈沖序列對核自旋系統(tǒng)進(jìn)行激發(fā)，在多脈沖序列作用下的核自旋系統(tǒng)得到兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間變量的信號S（t1，t2），再經(jīng)過兩次Fourier變換，最后得到二維-NMR信號。

1.二維核磁譜的分類

2D-NMR一般有以下三種類型：

第一種類型是化學(xué)位移相關(guān)譜（Chemical Shift Correlation Spectroscopy），或稱COSY譜，也稱δ-δ譜，可以看出共振信號的相關(guān)性，是2D-NMR的主要內(nèi)容。

（1）1H-1H相關(guān)COSY譜和雙量子濾波1H-1H相關(guān)DQFCOSY譜：圖上有兩類峰，一類為對角峰，它們處在坐標(biāo)F1=F2的對角線上。對角峰在F1或F2上的投影得到常規(guī)的去偶譜。第二類為交叉峰它們不在對角線上，即坐標(biāo)F1≠F2。交叉峰顯示了具有相同偶合常數(shù)的不同核之間的偶合。交叉峰有兩組，分別出現(xiàn)在對角線兩側(cè)，并以對角線對稱。這兩組對角峰和交叉峰可以組成一個(gè)正方形，并且由此來推測這兩組核A（δA，δA）和X（δX，δX）有偶合關(guān)系，1H-1H COSY譜中的偏對角峰或是相關(guān)峰表示質(zhì)子間自旋—自旋耦合，簡單地說，相關(guān)峰表示耦合的質(zhì)子；雙量子濾波的作用是除去或“濾掉”單量子過渡態(tài)，只保留雙量子或更高的過渡態(tài)。從實(shí)際出發(fā)，雙量子濾波的脈沖序列針對的至少是雙自旋體系（至少AB或AX體系），因此甲基信號（非耦合）將會大大降低。1H-1H DQF-COSY譜圖比1H-1H COSY譜圖“干凈”，尤其是沿對角線峰附近，使解析變得容易。由于DQF-COSY脈沖序列改善了圖的外觀，1H-1H DQF-COSY譜漸漸取代了1H-1H COSY譜。

（2）檢測碳13C-1H COSY（HETCOR譜）和檢測氫1H-13C COSY（HMQC譜）：13C-1H COSY（HETCOR）實(shí)驗(yàn)表示碳與直接相連氫的相關(guān)（即耦合），這是碳?xì)湟绘I耦合（1JCH），F(xiàn)1和F2的頻率軸分別表示不同的核，所以譜圖上沒有對角線峰和對稱性。13C-1H COSY（HETCOR）實(shí)驗(yàn)也是表示碳與直接相連氫的耦合。HETCOR實(shí)驗(yàn)是檢測碳信號，而HMQC實(shí)驗(yàn)是檢測氫信號。由于天然豐度和靈敏度的巨大差異，使得HMQC實(shí)驗(yàn)非常實(shí)用。（注：反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)比直接檢測實(shí)驗(yàn)有優(yōu)勢在于反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)直接檢測的是最高γ值的核—通常是氫核）

（3）（質(zhì)子檢測）遠(yuǎn)程1H-13C異核相關(guān)譜（HMBC譜）：HMBC實(shí)驗(yàn)也是檢測氫的信號，它顯示碳?xì)鋬涉I（2JCH）和三鍵（3JCH）的相關(guān)信號。實(shí)質(zhì)上，簡介得到了碳碳相關(guān)信號（盡管不是13C-13C相關(guān)），此外，還可能觀察到季碳和鄰近質(zhì)子的相關(guān)信號。使人困惑的是，偶爾還能觀察到碳?xì)渌逆I的相關(guān)信號，相關(guān)信號的可變性是由于2JCH，3JCH和4JCH耦合常數(shù)的變化。

（4）13C-13C相關(guān)譜（INADEQUATE譜）：COSY實(shí)驗(yàn)提供質(zhì)子-質(zhì)子相關(guān)信號，HMQC實(shí)驗(yàn)提供碳?xì)湟绘I相關(guān)信號，HMBC實(shí)驗(yàn)提供兩鍵、三鍵碳?xì)漶詈闲盘?，INADEQUATE實(shí)驗(yàn)提供碳—碳（一鍵）直接相關(guān)信號。在INADEQUATE譜中，所有成對雙峰的中點(diǎn)都在“對角線上”，這是一個(gè)重要現(xiàn)象，因?yàn)樗兄谖覀儏^(qū)分真正的相關(guān)信號和假信號。

（5）（接力相干轉(zhuǎn)移）全相關(guān)譜（TOCSY譜）：TOCSY譜中，對于所有相同自旋體系部分的質(zhì)子都可以看到交叉峰信號。如在AMX體系中，不僅A和M、M和X可以看到交叉峰，而且A和X之間也有交叉峰。二維TOCSY譜的形貌和COSY非常類似。F1和F2軸都是表示氫譜，對角線提供一維譜信息，甚至交叉峰都類似；不同的是，TOSY譜中的相關(guān)峰是直接耦合引起的，而TOCSY譜中的交叉峰來自接力相干轉(zhuǎn)移。TOCSY譜分為2-D TOCSY譜和1-D TOCSY譜。

⑹NOESY譜：在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中記錄下一個(gè)分子中所有1H-1H的核間奧氏效應(yīng)（NOE效應(yīng)）的二維譜稱為NOESY譜。從譜圖上看它像是一個(gè)1H-1H的COSY譜，每一個(gè)垂直的軸是質(zhì)子的化學(xué)位移，通常信號出現(xiàn)在對角線上。然而，重要的是NOESY譜的交叉峰指出的是在空間上相互接近的質(zhì)子，即它們給出的信息是通過空間而不是通過化學(xué)鍵的相互作用。因此，NOESY譜提供了有關(guān)分子立體結(jié)構(gòu)的很重要的信息。

第二種類型是J分解2D-NMR譜（J Resolved Spectroscopy），又稱δ- J譜，它把化學(xué)位移和耦合常熟在兩個(gè)坐標(biāo)軸上展開。δ- J譜包括同核J譜和異核J譜。

第三種類型是多量子2D-NMR譜（Multiple Quantum Spectroscopy），一維譜測定的核磁共振譜線為單量子躍遷（Δm=±1），而多量子躍遷時(shí)Δm為大于1的整數(shù)，脈沖序列能夠檢出多量子躍遷，得到多量子躍遷的2D-NMR譜。

2.二維化學(xué)位移相關(guān)譜的具體實(shí)例

下面將用兩個(gè)有機(jī)化合物的二維化學(xué)位移相關(guān)譜來介紹如何識別二維譜，以及表明各種譜圖之間的區(qū)別、特點(diǎn)及作用。

2.1兩個(gè)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)

表一列出了石竹烯氧化物、乳糖的分子結(jié)構(gòu)，并且相應(yīng)的碳原子上標(biāo)注了序號，以便容易對二維譜進(jìn)行解析。

圖1是石竹烯氧化物DQF-COSY譜，由于石竹烯氧化物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以根據(jù)圖可以看出，石竹烯氧化物的DQF-COSY譜比較復(fù)雜。圖2～圖4是石竹烯氧化物的INADEQUATE譜，在INADEQUATE譜中，所有成對雙峰的中點(diǎn)都在“對角線”上，這是一個(gè)重要現(xiàn)象，因?yàn)樗兄谖覀儏^(qū)分真正的相關(guān)信號和假信號，并且“垂線”上的交點(diǎn)可以判斷與幾個(gè)碳相連；“水平線”上的交點(diǎn)可以判斷與哪個(gè)碳相連。在圖4中可以清楚地看出石竹烯氧化物中與C-11相連碳的信號。

說明：2-D DQF-COSY譜能提供碳—碳直接相關(guān)信號，便于清楚地勾勒出碳骨架，由于極低的靈敏度，2-D DQF-COSY譜很少用。

在乳糖的二維譜中，半乳糖的共振信號標(biāo)記為Gn，其中n表示質(zhì)子或是碳的位置，αn和βn分別表示α-葡萄糖和β-葡萄糖。這里主要介紹TOSCY譜和2-D NOESY譜：圖6是乳糖的2-D TOSCY譜，以5.25ppm處葡萄糖α-異構(gòu)體質(zhì)子信號作為起點(diǎn)，就能找出所有α-異構(gòu)體質(zhì)子的共振信號；圖7是乳糖的1-D TOSCY譜，混合時(shí)間為20ms時(shí)，只發(fā)現(xiàn)了β2的共振信號，化學(xué)位移在3.29ppm，呈三重峰。40ms后，極化轉(zhuǎn)移到β3，但是觀察不到β4的信號，80ms時(shí)，可以看到β4的微弱信號，120ms后，也可以看到β5的微弱信號，400ms后，穿越整個(gè)自選體系的極化轉(zhuǎn)移表現(xiàn)的非常明顯。一維、二維TOCSY在解析來自不同自旋體系中的重疊信號方面有很廣泛的應(yīng)用。一維TOCSY尤其令人興奮，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)地增加混合時(shí)間，一維TOCSY能讓我們“漫步”在一個(gè)自旋體系中。圖7是乳糖的2-D NOESY譜，如圖7下圖，α-異構(gòu)質(zhì)子只有一個(gè)相關(guān)信號，原因是α-異構(gòu)體C-1上的羥基處在直立鍵位置，而C-1上的質(zhì)子（α- 1）處于平伏鍵位置，沒有空間作用，并且也沒有觀察到；對于β-差向異構(gòu)體來說，其β-1異構(gòu)質(zhì)子處于直立鍵的位置，導(dǎo)致了H-1（β-1）和H-3（β-3）以及H-1（β-1）和H-5（β-5）之間的雙軸向（雙直立）相互作用，所以β-1異構(gòu)質(zhì)子有三個(gè)相關(guān)信號。

3.結(jié)語

通過以上對二維化學(xué)位移相關(guān)譜的詳細(xì)解析，充分表明了二維核磁在有機(jī)化合物（尤其是高分子有機(jī)化合物）機(jī)構(gòu)解析上起著不可替代的作用。在利用二維核磁譜對有機(jī)化合物進(jìn)行分析時(shí)，首先必須以一維核磁譜為基礎(chǔ)，如果能用一維核磁譜就能解決問題，就不必進(jìn)行二維核磁測試。

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