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NMR波谱解析要点 沈月毛 山东大学 2014年12月11日
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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
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CD3OD CH3OD H20
6
CH3OD
7
H2O DMSO
8
DMSO
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7.20 8.71 7.56
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活泼氢
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甲基质子信号提供的结构信息 化学位移值
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甲基质子信号提供的结构信息 峰型及耦合常数
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CH3- 积分线
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低场质子信号提供的结构信息 化学位移
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酰基化效应
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AB system
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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
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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
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不饱和碳质子的常见耦合常数
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J = 3.5Hz
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Double bond or oxygen-substituted mthylene and/or methine protons
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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
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Absolute qNMR Using Internal Calibration
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Absolute qNMR Using External Calibration
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Absolute qNMR Using an Externally Calibrated Solvent Signal as Internal Calibrant
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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
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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
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甲氧基
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乙酰基
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不饱和碳上的甲基
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羟甲基
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末端双键亚甲基
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不饱和次甲基
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氮原子取代的次甲基 氧原子取代的次甲基
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不饱和季碳
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不饱和季碳
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1个氧原子取代的季碳
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1个氧原子取代的季碳
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2个氧原子取代的季碳
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无杂原子取代的饱和季碳
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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。
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二维核磁共振谱
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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DQF-COSY
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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.
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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
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(a) 一个三自旋体系AMX ; (b) 两个三自旋体系AMX、AMX
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、AMX
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(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
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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。
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NOE类二维核磁共振谱
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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。
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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
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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。
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异核位移相关谱
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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
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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
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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
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通过1H检测的异核位移相关谱
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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。
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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
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HMBC HMBC主要用于获得碳－氢间的远程耦合信息
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Bax A, Subramanian S. Sensitivity- Enhanced Two-Dimensional Heteronuclear Shift Correlation NMR Spectrocopy. J Magn Reson 1986, 67, 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,
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