使用二维 NMR 光谱进行有机化合物的结构分析 |专栏 |日本日本株式会社

本专栏介绍了使用二维核磁共振 (2D-NMR) 光谱进行有机化合物结构分析的方法。

通过一维核磁共振 (1D-NMR) 进行结构分析

一维NMR是NMR光谱中最基本的测量方法，光谱沿一个轴定向（化学位移）。
本专栏介绍的二维谱分析方法遵循基本流程，因此无论分析对象如何，都可以广泛使用。此外，即使是初学者也可以按照基本步骤机械地进行结构分析。

什么是二维核磁共振 (2D-NMR)？

二维核磁共振（2D-NMR）是一种比一维核磁共振更详细地检查更复杂的分子结构的方法，测量方法有很多，这里我们将介绍一些最流行的测量方法。

测量名称	您可以找到什么
舒适	同一核素的相邻成员（常见：¹H/¹观察H)耦合的方法
不充分	相邻¹³观察Cs之间耦合的方法
HMQC/HSQC	直接连接的异质核（常见：¹H/¹³观察C)耦合的方法
HMBC/H2BC	通过 2-3 个键形成异质核（常见：¹H/¹³C)的相关信号观测方法
足够	¹通过 H 观察¹³C-¹³检测C键的方法
诺西/罗西	空间接近（与 NOE 交互）¹观察H之间相关信号的方法

使用自旋耦合相关性进行结构分析

这次我们将介绍一个利用“自旋键关联”（一种由化学键介导的相互作用）的结构分析方法的示例。通过以下四个步骤，我们进行对象的结构分析。

第 1 步¹³从 C 和 DEPT 的一维谱中识别原子团并估计原子团和官能团。

第 2 步，使用 HMQC¹使用H的一维谱直接组合¹³C 和¹查找 H 的组合。

在第 3 步中，使用 COSY 并将它们并排放置¹检查哪些 H 相同。

通过结合步骤2和步骤3的信息，您可以在一定程度上确定部分结构。

在第 4 步中，使用 HMBC 移得更远¹³C 和¹让我们检查H之间的联系并确定其余部分的结构。

C₆H₁₀O₂的结构分析示例

现在，我们将实际解释一个样本的结构分析。
这次的分子式：C₆H₁₀O₂已获得，溶解在重氯仿中。

第 1 步¹³C (1D-NMR) 和 DEPT

第 1 步¹³我们将使用C的一维谱和DEPT的谱来识别原子团。
首先如图1所示，¹³为C的一维频谱中的每个信号分配符号。从频谱右侧开始，从高磁场侧的信号开始，分配符号A、B、C等。
然后读取每个信号的化学位移到小数点后一位。读取到的信息总结如表1所示。

图 1 C₆H₁₀O₂的¹³C 谱

表 1¹³C谱信息

信号	化学位移
A	141 ppm
B	176 ppm
C	598 ppm
D	1228 ppm
E	1440 ppm
F	1662 ppm

接下来，检查 DEPT 谱结果。
DEPT观察与氢直接键合的碳，因此可以确定目标碳原子的系列（与目标碳直接键合的氢的数量）。即CH₃，中文₂,
DEPT通过改变测量参数获得三种类型的光谱。（DEPT135、DEPT90、DEPT45）

表 2 列出了三种类型的 DEPT 谱中的信号出现模式。
DEPT135CH₃的信号向上检测CH的信号，CH₂的信号向下（相反相位）₃或 CH，并且在许多情况下，仅测量 DEPT135 就足够了。
如果仅用 DEPT135 难以确定，请测量 DEPT90，其中仅检测到 CH 信号。

表2 DEPT信号出现模式

我们将使用 DEPT 谱来识别此样本中的原子团。
如图2所示。¹³比较 C 的一维谱和 DEPT 谱的信号出现模式，以识别每个信号中的原子团。

-----
DEPT135上行信号：CH₃或CH，下行信号：CH₂
DEPT90检测到的信号：CH
¹³仅在 C 的一维光谱中检测到信号，在 DEPT 光谱中未检测到信号：季碳
-----

使用此信息，
从右边开始，每个信号的原子团是 A (CH₃)，B（中文）₃)，C（中文）₂), D (CH), E (CH), F (季碳)

图 2₆H₁₀O₂的¹³C谱和DEPT谱

表 3 总结了迄今为止的信息。使用此信息来推断原子组和官能团。

表 3¹³C谱信息(2)

信号	化学位移	原子团
A	141 ppm	中文₃
B	176 ppm	中文₃
C	598 ppm	中文₂
D	1228 ppm	中文
E	1440 ppm	中文
F	1662 ppm	C

图3是¹³C化学位移表。
大约 100 ppm 时，在右侧检测到饱和碳信号，在左侧检测到不饱和碳信号。让我们将表 3 中总结的信息与化学位移表进行比较。
首先，如果我们看一下 D (1228 ppm) 和 E (1440 ppm)，它们位于不饱和碳区域，因此我们可以看到该 CH 源自不饱和碳。
接下来看F，化学位移值为1662ppm，位于酯区。
另外，该物质的分子式为C₆H₁₀O₂中有两个O，因此推测F的季碳源自COO基团。

图 3¹³C化学位移表

表 4 总结了迄今为止的信息。

表 4¹³C谱信息(3)

信号	化学位移	原子团
A	141 ppm	中文₃
B	176 ppm	中文₃
C	598 ppm	中文₂
D	1228 ppm	CH=
E	1440 ppm	CH=
F	1662 ppm	首席运营官

第 2 步 HMQC &¹H

第 2 步，使用 HMQC¹使用H的一维谱直接组合¹³C 和¹让我们找到H的组合。
HMQC中是直连的¹H 和¹³可以看到C的组合，自旋耦合用符号¹J_中文在J的左上角写出键数，代表自旋键，在J的右下角写出键合核。

图 4 显示 HMQC 谱。二维光谱在每个轴上显示高分辨率的一维光谱。 X 轴上的 HMQC¹H 谱，Y 轴¹³将显示 C 谱。
第 2 步，第 1 步¹³对 Y 轴上 C 频谱中的每个信号使用相同的符号¹³附加到 C 频谱中的信号。 Y轴上，上侧为强磁场侧

接下来，在 Y 轴上¹³来自 C 信号¹³直接与C结合¹检查 H。例如，¹³如果您关注 C 的信号 C，请横向画一条线，当您遇到相关信号时，从那里向上画一条线。我到达这里¹H信号是，¹³C是信号C直连的伙伴，这样就对应¹如果找到H，那么¹H 对对手¹³添加与C相同的符号。
¹³这是C的信号C的对方，所以这个¹将符号 C 添加到 H 中。所有相关组合都具有相似的符号系统。

图4 HMQC谱

第 3 步¹H-¹温馨舒适

图5 通过三个键¹H 之间的相关性

第 3 步¹H-¹H¹我们来看看H是哪个。在 COSY 中，它是自旋耦合¹可以看到H的连接。主要观察到的是¹H之间的相关性。这用符号表示³J_HH
如图5³J_HH有关系¹如果H排成一排，一个接着一个¹你可以追踪H的联系。
这很舒适³J_HH此外，通过两个连接²J_HH或远程⁴J_HH还可以观察到诸如此类的情况。
但是，重要且必要的信息是相邻的¹³附加到 C¹H、之间的相关性³J_HH

图6是COSY的测量光谱。 COSY既是X轴又是Y轴¹将显示 H 谱。在步骤 1 中，¹³我为 C 的每个信号添加了一个符号。在步骤 2 中，使用 HMQC，¹³直接与C结合¹我为 H 的每个信号添加了一个符号。
第3步，首先是X轴和Y轴¹将与步骤 2 中相同的符号分配给 H 频谱信号。之前使用的 HMQC 频谱（图 4）¹按原样复制附加到 H 频谱信号的符号。

在图 6 中，它们从强磁场侧开始按字母顺序排列，但这只是本样本中的巧合。¹请注意，H 信号符号并不总是按字母顺序排列。
此外，在 COSY 谱中，当您绘制对角线时，信号会在对角线上排列（称为对角信号），但这些信号不会用作结构分析的信息。位于对角线之外的信号是 COSY 相关信号。

从相关信号向 X 轴和 Y 轴光谱绘制一条线并进行自旋耦合¹找到 H。
例如，如果你关注绿色圈出的相关信号，如果你跟随它到X轴¹H 信号 C，当追踪到 Y 轴时¹您将遇到 H 的信号 A。因此，信号 C 和 A 彼此自旋耦合。³J_HH相关¹请指定它们都是H。另外，由于COZY相关信号出现在与对角线对称的位置，因此所有相关信号都是³J_HH寻找合作伙伴

图 6 COSY 频谱

一旦我们获得了所有 COSY 相关信号信息，我们将为每个信号创建一个相关表。
表5是COSY相关表。
垂直和水平¹H 信号符号，¹H-¹H
例如，如果是C和A之间的相关信号，则标记C和A的交集。
这样，所有相关信号都将输入 COSY 相关表中。

表5 COSY相关表

这里是COSY的相关信号（图7）
在此示例中，C¹H 和 A¹H期间观察到COSY相关信号。
还有 HMQC 谱中的 C¹H 和 C¹³C被发现直接键合。同样，A¹H 和 A¹³C也是直接连接的。
因此，C 和 A 之间的 COSY 相关信号为 C¹³C 和 A¹³可以推导出C是相邻的。

换句话说，使用 COSY 信息，它们是相邻的¹由于H的连接而间接相邻¹³C 连接。

图7 COSY相关信号

目前收集到的信息是¹³C谱信息（表4）和COSY相关表（表5）。
来自 COSY 相关表¹³C的信号A-C、B-E和D-E的碳原子彼此相邻。另外，由于 E 与 B 和 D 都相邻，所以我们知道 B-E-D。¹³如果将其与C谱信息结合起来，并将符号重写为原子团，AC：「中文₃-CH₂-」、早-午-晚：「中文₃-CH=CH-” F是步骤1中的“首席运营官''，我们发现该化合物由以下三个子结构组成。

----
子结构 1：CH3-CH2-A-C
子结构2：CH3-CH=CH-B-E-D
子结构 3：COOF
----

接下来，我们将连接每个子结构并思考它会变成什么样的分子。₃位于结构的末尾，因此 CH₃的子结构，很容易理解。
这一次，有两种可能的结构。子结构 1 和 2 是 CH₃，所以你可以看到它是分子结构的边缘。
由于 1 和 2 位于边缘，我们可以预测子结构 3 夹在 1 和 2 之间。根据子结构 3 的方向，有两种类型的估计结构（I、II）。

图8 三个子结构的组合

第 4 步 HMBC

图 9 通过两个或三个键的 CH 相关性

在第 4 步中，使用 HMBC¹³C 和¹让我们看看H的长程自旋耦合。在HMBC中，如图9所示，²J_中文或通过三个键³J_中文的相关性

图10是HMBC的测量光谱。 HMBC的轴与HMQC相同，在X轴¹H 谱，Y 轴¹³将显示 C 谱。
在步骤 4 中，为 X 轴和 Y 轴的一维频谱中的每个信号分配与步骤 2 中的 HMQC 频谱中分配的符号相同的符号。
接下来，从相关信号¹³C 和¹找到 H 的组合。这里，橙色包围的两个并排信号是¹H 和¹³C的直接组合¹J_中文的信号这些是残余信号，因此全部直接耦合
在 HMBC 频谱中，直接耦合信号被忽略，仅读取远程信息。
例如，如果你看绿色圈出的相关信号，如果你追踪它的Y轴，它会是C，如果你追踪它的X轴，它会是A，所以C¹³C 和 A¹H 彼此长程自旋耦合。
一旦你认识了对方，就在相关信号中添加一个符号，例如A/C，²J_中文或³J_中文，长程自旋耦合¹H 和¹³让我们证明它是 C。
对于所有相关信号，以同样的方式找到长程自旋耦合伙伴，并用符号标记相关信号。写出HMBC相关信号信息后，创建相关表。

图10 HMBC谱

表6为HMBC的相关表。侧身¹H 信号符号，垂直¹³根据频谱写出C信号的符号。 (¹请注意，H信号符号不一定按字母顺序排列）
输入 HMBC 谱的相关信号。
例如，C¹³C 和 A¹如果是H的相关信号，则相关表中，¹³C之C¹标记 A 和 H 的交集。
这样，所有相关信号都会进入HMBC相关表中。

表6 HMBC关联表

使用 HMBC 信息连接子结构。
您之前填写的 HMBC 关联表（表 7）

表7 HMBC关联表(2)

对于估计的结构 I 和 II，COO 附着的方向是正确的结构？
首先，在F的估计结构I中¹³C 和 C¹H 有三个键，所以³J_中文，F¹³C 和 D¹H 用于两个连接²J_中文，F¹³C 和 E¹H是三键³J_中文
接下来，我们来看看估计结构 II。
F¹³C 和 C¹H 用于两个连接²J_中文，F¹³C 和 D¹H是三键³_JCH，F¹³C 和 E¹H是四个键⁴J_中文
⁴J_中文的概率低，我们可以预期估计的结构 I 是一个合理的结构。