NMR波谱解析要点 沈月毛 山东大学 2014年12月11日

1H-NMR波谱解析 1. 仪器的兆数 2. 溶剂峰的辨认 3. 常见杂质峰包括“水峰”的辨认 4. 判断化合物的纯度 5. 甲基质子信号的识辨 6. 低场质子信号的识辨 7. 活泼氢信号的识辨

CD3OD CH3OD H20

CH3OD

H2O DMSO

DMSO

7.20 8.71 7.56

活泼氢

甲基质子信号提供的结构信息 化学位移值

甲基质子信号提供的结构信息 峰型及耦合常数

CH3- 积分线

低场质子信号提供的结构信息 化学位移

酰基化效应

AB system

低场质子信号提供的结构信息 影响3J耦合常数的因素 1、二面角

2、取代基的电负性 随着取代基电负性的增加，耦合常数的数值下降 3、键长 耦合常数随键长的减小而增大 4、键角 耦合常数随键角的减小而增大

不饱和碳质子的常见耦合常数

J = 3.5Hz

Double bond or oxygen-substituted mthylene and/or methine protons

影响1H化学位移的主要因素 1、诱导效应 2、共轭效应 3、氢键

Absolute qNMR Using Internal Calibration

Absolute qNMR Using External Calibration

Absolute qNMR Using an Externally Calibrated Solvent Signal as Internal Calibrant

13C-NMR波谱解析 1、溶剂峰的辨认 2、判断化合物的纯度 3、判断碳原子的类型

从碳信号可以解读的化合物结构信号 1. 甲基的类型：甲氧基、乙酰基、不饱和碳上的甲基 2. 亚甲基的类型：羟甲基、末端双键亚甲基 3. 次甲基的类型：不饱和次甲基、氧原子取代的次甲基、氮原子取代的次甲基 4. 季碳的类型：不饱和季碳，1个氧原子取代的季碳，2个氧原子取代的季碳，饱和季碳

甲氧基

乙酰基

不饱和碳上的甲基

羟甲基

末端双键亚甲基

不饱和次甲基

氮原子取代的次甲基 氧原子取代的次甲基

不饱和季碳

不饱和季碳

1个氧原子取代的季碳

1个氧原子取代的季碳

2个氧原子取代的季碳

无杂原子取代的饱和季碳

DEPT法 DEPT (distortionless enhancement by polarization transfer) “不失真地极化转移增强” 讨论DEPT法宜用量子力学密度矩阵的方法。 取q = 90o可得到只给出CH峰的图谱； 用差谱方法可得到单纯的CH2或CH3的谱图； 用DEPT法得不到季碳的信号。

二维核磁共振谱

二维核磁共振谱概述 自由感应衰减FID信号通过傅立叶变换，从时畴信号转换成频畴谱——谱线强度与频率的关系，这是一维谱，只有一个变量——频率。 二维核磁共振谱是有两个时间变量，经两次傅立叶变换得到的两个独立的频率变量的谱图。

二维核磁共振时间轴方块图 二维谱有多种方式，但其时间轴可归纳为下图： 预备期 发展期 混合期 检出期 预备期：在时间轴上通常是一个较长的时期，它使实验前体系能回复到平衡状态； 发展期 (t1)：在t1开始时，由一个脉冲或几个脉冲使体系激发，使之处于非平衡状态。发展期的时间t1是变化的； 混合期 (tm)：在这个时期建立信号检出的条件。混合期有可能不存在； 检出期 (t2)：在检出期内以通常方式检出FID信号。 与t2轴对应的是通常的频率轴；与t1轴对应的，取决于发展期的过程。

二维核磁共振谱的分类 1、J分辨谱 (J resolved spectroscopy) J分辨谱亦称J谱，或称d-J谱，它把化学位移和自旋耦合的作用分辨开来。J谱包括异核J谱和同核J谱。 2、化学位移相关谱(chemical shift correlation spectroscopy) 化学位移相关谱也称d-d谱，是二维核磁共振谱的核心。它表明共振信号的相关性。有三种位移相关谱：同核耦合、异核耦合、NOE和化学交换。 3、多量子谱 (multiple quantum spectroscopy) 通常所测定的核磁共振谱线为单量子跃迁 (Dm = ±1)。发生多量子跃迁时Dm为大于1的整数。用脉冲序列可以检出多量子跃迁，得到多量子跃迁的二维谱。

J谱 同核J谱一般用于1H谱信号峰重叠较多的化合物的结构鉴定，可获得峰组的裂分和J值信息； 异核J谱主要用于碳原子级数的确定，现在很少使用。

异核位移相关谱 1H-13C COSY (correlated spectroscopy) 是1H和13C核之间的位移相关谱，它把直接相连的1H和13C核关联起来。 常用，与HMQC用途相同。 COLOC谱 (heteronuclear shift) correlation spectroscopy via long range coupling，长程耦合的 (异核位移)相关谱。 常用，与HMBC用途相同。

同核位移相关谱 同核化学位移相关谱就是通过同核1H-1H之间的J耦合或NOE来建立核与核之间的联系的NMR谱，常见的有： COSY (又分为相敏COSY和幅度COSY) DQF-COSY E-COSY TOCSY NOESY ROESY

1H-1H COSY 一般反映的是3J耦合关系，有时也会出现少数反映长程耦合的相关峰。但是，当3J太小时 (如二面角接近90o)，也可能没有相应的交叉峰。

DQF-COSY

DQF-COSY的对角峰与其交叉峰一样也是正负交替的纯吸收峰，因此DQF-COSY对角线附近的谱峰结构比相敏COSY和幅度COSY好得多，适合于观察对角线附近的交叉峰，也可用来测量J耦合常数 。另外由于DQF-COSY只允许双量子信号通过，而水中的两个质子是磁等性核，不可能转换成双量子，因而水峰的干扰小.

TOCSY COSY的交叉峰表明二个质子之间有J耦合，而TOCSY的交叉峰表明二个质子同属一个自旋系统

(a) 一个三自旋体系AMX ; (b) 两个三自旋体系AMX、AMX COSY谱（不考虑其精细结构） (a) 一个三自旋体系AMX ; (b) 两个三自旋体系AMX、AMX

(a) AMX体系，(b) AMX和A'M'X'体系 TOCSY谱 (a) AMX体系，(b) AMX和A'M'X'体系

TOCSY是同相谱，可提供整个自旋体系的连接，而且信号强，对于谱峰证认很有用。

NOE类二维核磁共振谱

NOE (nuclear Overhauser effect) NOE产生的机制磁性核之间的偶极耦合 (dipole coupling)。 磁性核具有磁矩 (magnetic moment)，两个磁矩通过空间有相互作用。因此只要二者空间距离在一定范围内，这种作用就能反映出来。由于是磁矩之间的作用，因而称为偶极耦合。 NOE与化学健的存在与否无关，决定因素仅在于空间距离的远近。

NOESY 二维NOE (nuclear Overhauser effect spectroscopy) 对于确定有机化合物的构型、构象、蛋白质分子在溶液中的二级结构非常重要。 NOESY是通过NOE效应来建立核与核之间的联系的，NOESY的交叉峰表明二个质子之间有足够强的NOE效应，由交叉峰强度可得出核与核之间的距离 通常二个质子之间的距离不大于5Å时才可能观测到NOE效应

ROESY ROESY是旋转坐标系中的NOESY (rotating frame Overhauser effect spectroscopy)。 有时中等大小的分子NOE的增益为零，此时测定在旋转坐标系中的NOESY，则是一种理想的解决方法。 不管分子量的大小，在旋转坐标系中二个质子间的交叉弛豫速率总是正的, 因而交叉峰与对角峰符号相反，通常对角峰调成正峰，而交叉峰为负峰。

异核位移相关谱

磁化 磁化(向量): 单位体积中某种核的磁矩的总和 <Iz>=(P1-P2+P3-P4)/2 <Sz>=(P1+P2-P3-P4)/2

极化 (自旋)极化: 核自旋在磁场中形成的不同能级上的布居数之差 I核的极化= P1-P2= P3-P4  I S核的极化= P1-P3= P2-P4  S 观察到的核磁信号正比于该核的极化

极化转移 若对I核施加一个选择性180度脉冲,使能级1和2的布居数反转 S核的磁化不变,但是极化发生变化: 由于一种核的极化改变导致与之耦合的其他核的极化改变，这种现象称为极化转移 S核的极化 = P1-P4 P2-P3 现在2-4能级跃迁的信号强度正比于P1-P4  S+ I 原来2-4能级跃迁的信号强度正比于P2-P4  S 现在1-3能级跃迁的信号强度正比于P2-P3  S - I 原来1-3能级跃迁的信号强度正比于P1-P3  S

通过1H检测的异核位移相关谱

HSQC 1H（I核）信号通过INEPT序列极化转移到S核（如13C或15N），进行时间标记，然后再通过极化转移传回1H，进行检测。

HMQC HMQC谱提供的信息与HSQC类似，出现交叉峰表明二个核通过单键耦合

HMBC HMBC主要用于获得碳－氢间的远程耦合信息

Bax A, Subramanian S. Sensitivity- Enhanced Two-Dimensional Heteronuclear Shift Correlation NMR Spectrocopy. J Magn Reson 1986, 67, 565-569 Bax A, Summers M F. 1H and 13C Assignments from Sensitivity- Enhanced Detection of Heteronuclear Multiple-Bond Connectivity by 2D Multiple Quantum NMR. J Am Chem Soc 1986, 108, 2093-2094.