二維核磁光譜分析簡介

2024年3月28日發(作者：初中文言文翻譯)

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二維核磁光譜分析簡介

作者：孟昭瑞 高寧

來源：《西部資源》2017年第05期

摘要：二維-NMR近年來發展很快，它以直觀、明快、可靠等特點在用于解析復雜化合物

的分子結構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，其中化學位移相關

譜運用最多，并且在有機化合物結構解析中發揮著不可替代的作用，本文將用2個化合物（石

竹烯氧化物、乳糖）詳細介紹二維核磁中的化學位移相關譜（包括雙量子濾波1H-1H相關

DQF-COSY譜、HMQC譜、HMBC譜、INADEQUATE譜、TOCSY譜以及NOESY譜）。

關鍵詞：二維核磁；化學位移相關譜；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

測定得以實現，其后解決了測定碳原子級數（伯、仲、叔、季）的方法。這又稱為碳-13譜線

多重性的確定，因為碳原子上相連的氫原子數目不同將導致碳譜譜線分裂數目的不同。以后核

磁共振二維譜的出現開創了核磁共振波譜學的新時期。對鑒定有機化合物結構來說，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頻率坐標軸上；而二維NMR譜的特征是共振信號

分別在兩個獨立的頻率坐標軸上展開，從而把化學位移、耦合常數等信號在平面上構成了2D-

NMR平面圖。2D-NMR是利用多脈沖序列對核自旋系統進行激發，在多脈沖序列作用下的核

自旋系統得到兩個獨立的時間變量的信號S（t1，t2），再經過兩次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：

第一種類型是化學位移相關譜（Chemical Shift Correlation Spectroscopy），或稱COSY

譜，也稱δ-δ譜，可以看出共振信號的相關性，是2D-NMR的主要內容。

（1）1H-1H相關COSY譜和雙量子濾波1H-1H相關DQFCOSY譜：圖上有兩類峰，一類

為對角峰，它們處在坐標F1=F2的對角線上。對角峰在F1或F2上的投影得到常規的去偶譜。

第二類為交叉峰它們不在對角線上，即坐標F1≠F2。交叉峰顯示了具有相同偶合常數的不同核

之間的偶合。交叉峰有兩組，分別出現在對角線兩側，并以對角線對稱。這兩組對角峰和交叉

峰可以組成一個正方形，并且由此來推測這兩組核A（δA，δA）和X（δX，δX）有偶合關

系，1H-1H COSY譜中的偏對角峰或是相關峰表示質子間自旋—自旋耦合，簡單地說，相關峰

表示耦合的質子；雙量子濾波的作用是除去或“濾掉”單量子過渡態，只保留雙量子或更高的過

渡態。從實際出發，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

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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）實驗表示碳與直接相連氫的相關（即耦合），這是碳氫一鍵耦合

（1JCH），F1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）實驗也是表示碳與直接相連氫的耦合。HETCOR實驗是檢測碳信號，

而HMQC實驗是檢測氫信號。由于天然豐度和靈敏度的巨大差異，使得HMQC實驗非常實

用。（注：反轉實驗比直接檢測實驗有優勢在于反轉實驗直接檢測的是最高γ值的核—通常是

氫核）

（3）（質子檢測）遠程1H-13C異核相關譜（HMBC譜）：HMBC實驗也是檢測氫的信

號，它顯示碳氫兩鍵（2JCH）和三鍵（3JCH）的相關信號。實質上，簡介得到了碳碳相關信

號（盡管不是13C-13C相關），此外，還可能觀察到季碳和鄰近質子的相關信號。使人困惑的

是，偶爾還能觀察到碳氫四鍵的相關信號，相關信號的可變性是由于2JCH，3JCH和4JCH耦

合常數的變化。

（4）13C-13C相關譜（INADEQUATE譜）：COSY實驗提供質子-質子相關信號，

HMQC實驗提供碳氫一鍵相關信號，HMBC實驗提供兩鍵、三鍵碳氫耦合信號，

INADEQUATE實驗提供碳—碳（一鍵）直接相關信號。在INADEQUATE譜中，所有成對雙

峰的中點都在“對角線上”，這是一個重要現象，因為它有助于我們區分真正的相關信號和假信

號。

（5）（接力相干轉移）全相關譜（TOCSY譜）：TOCSY譜中，對于所有相同自旋體系

部分的質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譜中的相關峰是直

接耦合引起的，而TOCSY譜中的交叉峰來自接力相干轉移。TOCSY譜分為2-D TOCSY譜和

1-D TOCSY譜。

⑹NOESY譜：在一個實驗中記錄下一個分子中所有1H-1H的核間奧氏效應（NOE效應）

的二維譜稱為NOESY譜。從譜圖上看它像是一個1H-1H的COSY譜，每一個垂直的軸是質子

的化學位移，通常信號出現在對角線上。然而，重要的是NOESY譜的交叉峰指出的是在空間

上相互接近的質子，即它們給出的信息是通過空間而不是通過化學鍵的相互作用。因此，

NOESY譜提供了有關分子立體結構的很重要的信息。

第二種類型是J分解2D-NMR譜（J Resolved Spectroscopy），又稱δ- J譜，它把化學位移

和耦合常熟在兩個坐標軸上展開。δ- J譜包括同核J譜和異核J譜。

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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Δm為大于1的整數，脈沖序列能夠檢出

多量子躍遷，得到多量子躍遷的2D-NMR譜。

2.二維化學位移相關譜的具體實例

下面將用兩個有機化合物的二維化學位移相關譜來介紹如何識別二維譜，以及表明各種譜

圖之間的區別、特點及作用。

2.1兩個有機化合物的結構

表一列出了石竹烯氧化物、乳糖的分子結構，并且相應的碳原子上標注了序號，以便容易

對二維譜進行解析。

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圖1是石竹烯氧化物DQF-COSY譜，由于石竹烯氧化物的結構復雜，所以根據圖可以看

出，石竹烯氧化物的DQF-COSY譜比較復雜。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都在“對角線”上，這是一個重要現象，因為

它有助于我們區分真正的相關信號和假信號，并且“垂線”上的交點可以判斷與幾個碳相連；

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“水平線”上的交點可以判斷與哪個碳相連。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。

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在乳糖的二維譜中，半乳糖的共振信號標記為Gn，其中n表示質子或是碳的位置，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-異構體質子信號作為起點，就能找出所有α-異構體質

子的共振信號；圖7是乳糖的1-D TOSCY譜，混合時間為20ms時，只發現了β2的共振信

號，化學位移在3.29ppm，呈三重峰。40ms后，極化轉移到β3，但是觀察不到β4的信號，

80ms時，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

個自選體系的極化轉移表現的非常明顯。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用。一維TOCSY尤其令人興奮，因為當系統地增加混合時間，一維

TOCSY能讓我們“漫步”在一個自旋體系中。圖7是乳糖的2-D NOESY譜，如圖7下圖，α-異

構質子只有一個相關信號，原因是α-異構體C-1上的羥基處在直立鍵位置，而C-1上的質子

（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-差向異構體來說，其β-

1異構質子處于直立鍵的位置，導致了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異構質子有三個相關信號。

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3.結語

通過以上對二維化學位移相關譜的詳細解析，充分表明了二維核磁在有機化合物（尤其是

高分子有機化合物）機構解析上起著不可替代的作用。在利用二維核磁譜對有機化合物進行分

析時，首先必須以一維核磁譜為基礎，如果能用一維核磁譜就能解決問題，就不必進行二維核

磁測試。

參考文獻：

[1]寧永成.有機化合物結構鑒定與有機波譜學[M].科學出版社，

[2]西爾弗斯坦.有機化合物的波譜解析[J]. 2007.

[3]王乃興.核磁共振譜學：在有機化學中的應用[J]. 2010.

2014.