5.1 一维谱不足时的实验选择 · 氢核磁共振谱解析

一维氢谱的位移、积分与裂分能够限制候选，却可能留下信号重叠、片段连接和无氢碳归属的歧义。本节承接第4章的谱图诊断，以两个同分子式酯为例，比较碳谱与常用相关实验各自提供的约束。实验选择从候选的预期差异出发，并把相关缺失、灵敏度和采集条件纳入判断，形成可以继续核验的实验决策。

先读图解和核心解释；需要细节时再展开。

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补充实验从候选的具体差别出发

先写需要区分的结构差别，再选择最直接的实验。

图 5.1-1 本页概念关系图。箭头表示本页采用的检查顺序。

读图时保留这项条件：没有交叉峰只有在检出条件可信时才适合用于排除。

5.1.1 先写出一维谱缺少哪条证据

本节以第4章的处理、模拟和问题谱诊断为先修。读者已经能够区分谱线与信号，检查积分、裂分和一阶近似；这里的学习任务是把尚未解决的结构问题转成可检验的实验目标。补充实验之前，先检查相位、基线、谱宽、线宽以及溶剂峰污染。若相邻多重峰只是因加窗过强而难以分辨，重处理原始数据可能恢复已有信息；若两个环境偶然同频，增加显示点数则不能产生原来不存在的频率差。

展开说明与推导

信号重叠(signal overlap)使一个积分区间包含多个环境。例如，四个氢落在同一段谱线中，只能先记作总氢数约为四，不能直接指认为一个亚甲基。连接歧义(connectivity ambiguity)则发生在片段已经识别、接法仍有多种可能时：识别出乙基与酯基，不等于确定乙基接在酰基侧还是氧侧。还有一种缺口来自无氢碳(non-protonated carbon)，如酯的羰基碳没有直接相连的氢，一维氢谱不能为它提供一个独立积分。

因此，实验申请应写成“确认含氧亚甲基与哪个片段连接”或“找到羰基碳并检验片段到它的关系”，而非只写“需要二维谱”。前者给出了判读标准。接下来介绍的实验名称都对应一种有限的证据；它们的详细形成机制从5.3节开始讨论。

定义

判别实验(discriminating experiment)是使当前候选给出不同可观察预测的实验。预测还须有足够的分辨率、信噪比和合适的采集条件，才有机会成为实际判据。候选全都预言同一个峰时，观察到该峰可支持共同片段，却不能据此选出其中一个候选。

5.1.2 两个原子计数闭合的酯候选

考虑一份明确限定的信息不足的教学资料：外部证据给出分子式 \(\mathrm{C_5H_{10}O_2}\)；氢谱目前只能可靠划出两个积分区间，约 \(0.8\text{–}2.5\,\mathrm{ppm}\) 合计八氢，约 \(3.9\text{–}4.3\,\mathrm{ppm}\) 合计二氢，前一区间的裂分尚未解析。这些范围与积分是本节设定，并非实测峰表。它们不表示一张分辨良好的常规谱会把下面两种物质显示成相同谱形。

展开说明与推导

候选A为丙酸乙酯，\(\mathrm{CH_3CH_2C(=O)OCH_2CH_3}\)；候选B为乙酸正丙酯，\(\mathrm{CH_3C(=O)OCH_2CH_2CH_3}\)。两者都含五个碳、两个氧，氢数均为 \(3+2+2+3=10\)。各含两个甲基、两个亚甲基和一个无氢羰基碳，因而仅有碳类型总数仍不能区分二者。对只含碳、氢、氧的中性闭壳层分子，分子式给出的不饱和度为

\[\mathrm{DBE}=\frac{2n_{\mathrm C}+2-n_{\mathrm H}}{2}=\frac{2\times5+2-10}{2}=1.\]

(5.1-1)

这里 \(n_{\mathrm C}\)、\(n_{\mathrm H}\) 为碳、氢原子数，DBE无量纲；氧不进入此计数式。两候选的一个碳氧双键恰好耗尽这一不饱和度，没有再添环或双键的余量。原子账闭合只说明它们符合必要条件；这份粗资料也未穷尽所有符合分子式的结构。

图 5.1-2 同分子式候选的具体差异。M、N为甲基碳，X为另一亚甲基碳，U为含氧亚甲基碳，Q为羰基碳；字母按局部角色命名，不表示两种结构具有同一逐峰指认。所列耦合关系是教学预期，未声称其他长程相关必然为零。

展开说明与推导

若重处理或重采后能够可靠辨认B的乙酰甲基单峰，或A的两组乙基裂分，应先利用这一维证据。以下保持裂分未能充分解析的设定，以研究还需要什么关系。图中U直接连氧这一局部解释尚需验证；它只是两候选共有的假设，不能由一个偏低场的峰无条件推出。

习题 5.1-1　核验分子式与信息缺口

逐项核对图 5.1-2中A、B的碳、氢、氧及不饱和度。若新碳类型证据仅给出“两个甲基、两个亚甲基、一个无氢碳”，能否选出A？请给出下一项有判别价值的预期。

参考解答

A的碳为M、X、Q、U、N共五个；B同样五个。两个氧分别为羰基氧与桥氧。A、B都由M与N贡献六氢，X与U贡献四氢，Q贡献零氢，总计十氢。\(\mathrm{DBE}=(12-10)/2=1\)，对应唯一的羰基双键。给出的碳类型在两结构中完全相同，故二者均保留。可比较U的耦合对象：A的主要邻位关系为U—N，B为U—X；需辨别相关端点属于甲基还是亚甲基，不能只在重叠氢区看到一片信号便作决定。

5.1.3 每种实验先给一种约束

交叉峰(cross-peak)可以先理解为一对频率坐标上的信号。两条坐标轴都为氢时，它报告两组氢之间由该实验选出的关系；一条为氢、另一条为碳时，它报告相应的氢—碳关系。二维中的“二维”指两个频率坐标，不表示分子的空间平面，也不保证两条轴上的每个可能位置都有峰。横纵轴如何获得、对角峰与等高线如何读取，留到5.3节展开。牛津官方指南也先比较各实验能回答的问题，再讨论适用限制（Odell、Claridge，2009）。

展开说明与推导

COSY(correlation spectroscopy)用来寻找可观测的氢—氢标量耦合关系。它常有助于沿相邻含氢位点追踪片段，但一个相关也可能来自同一碳上的两个氢，或可观测的较长程耦合；因此耦合网络不能直接等同于所有碳—碳键。无氢中心可能中断这种追踪，耦合过小、对角附近重叠也可能掩盖关系。读峰方法见5.4节。

HSQC(heteronuclear single quantum coherence)通常按一键氢—碳耦合设计，主要把氢信号关联到直接相连的碳。碳坐标的分散有机会拆开氢坐标上的重叠，如图 5.1-3所示。它不覆盖没有直接相连氢的碳；也不能把OH峰配给一个“邻近碳”。同一亚甲基的两个不等价氢可对应同一碳坐标，不能把交叉峰数当作碳数。参数偏离适宜耦合范围、谱宽或脉冲设置不当时，预期一键峰仍可能缺失；细节见5.6节。

图 5.1-3 同一氢坐标不必对应同一碳环境。图中两点只是相关位置示意，并非实测等高线；位移与总积分均为人工设定。若碳坐标也重叠，单靠HSQC便不能完成拆分。

展开说明与推导

常规质子去耦碳谱(carbon-13 spectrum)可补充碳环境及无氢碳的信息，但弱峰、偶然重叠和结构等价会影响可见信号数，普通碳峰面积也不宜直接换算碳数。DEPT(distortionless enhancement by polarization transfer)用编辑方式帮助区分带氢碳类型；通常DEPT-90保留CH，DEPT-135使CH与CH3同相、CH2异相，常规二者不保留无氢碳。APT可包含无氢碳，并按连氢数奇偶分相，但相位必须依据实验设置判读。DEPT-Q等变体另有规则，详见5.2节。

HMBC(heteronuclear multiple bond correlation)主要利用长程氢—碳耦合，可寻找片段与羰基等无氢碳的关系。常见相关跨两键或三键，也可能出现其他键数；峰本身没有固定键数标签，更不能表示两个相关原子直接成键。Bax与Summers（1986）的原始工作说明了长程氢—碳关系对指认的用途；实际可见范围须结合样品与参数解释，原理和变体见5.7节。

5.1.4 从候选差异安排第一项补充实验

对A与B，最直接的区别是U另一侧的含氢邻居。首先可用COSY寻找U与高场区的关系。若U所关联的高场信号已经能独立判定为三氢甲基，该关系支持A的氧侧乙基；若它是二氢亚甲基，并且继续与三氢甲基相连，则支持B的氧侧正丙基。这个判断要求相关归属可靠，并排除把长程耦合、重叠或伪影当作普通邻位关系的情况。

表 5.1-1 酯候选的预期差异与后续动作（教学预测，非实测）
拟检验的关系	A的主要预期	B的主要预期	下一步
U的COSY端点	甲基N	亚甲基X	确认端点氢数及碳类型
另一含氢片段	X与M构成乙基片段	X继续关联N；M无普通邻位氢	检查完整网络与一维裂分是否相容
U到羰基Q	H—U—O—Q为三键路径	同样为三键路径	可支持酯连接，不能单独区分A、B
X到羰基Q	H—X—Q为两键路径	H—X—U—O—Q为四键路径	比较HMBC支持；缺峰时仍保留条件性候选

展开说明与推导

高场区尚在重叠时，COSY端点的氢数可能无法单独读出。此时HSQC增加碳坐标；编辑HSQC或碳谱配合DEPT再帮助确定该端点为CH2还是CH3。普通HSQC只有一键归属信息，不能仅靠交叉峰颜色判碳类型；颜色只有在明确编辑序列及相位约定后才有此意义。若所有相关端点在氢、碳两个方向都重叠，应记录为未分辨，转而考虑选择性一维实验或改善样品条件，见5.9节。

方法

先列“候选差异—预期观测—失败条件”。本例的差异是U连到甲基或亚甲基，预期观测是有碳类型支持的COSY端点，失败条件包括端点重叠或相关过弱。这样可在采集前判断一次COSY是否够用，或是否需要HSQC辅助归属。不能将未分辨端点先命名为N，再用这个命名支持A。

习题 5.1-2　由正相关选择酯候选

教学设定得到U、X各二氢，M、N各三氢；编辑HSQC支持U与X为CH2、M与N为CH3。经核验的主要COSY关系为U—X和X—N。HMBC另见U—Q。在A、B中如何选择？U—Q为什么不是单独的判据？

参考解答

首先相加\(2+2+3+3=10\)，带氢碳共四个，补上无氢Q得到五碳。U—X—N将氧侧片段连成O—CH2—CH2—CH3，对应B。A的U在氧侧只邻接甲基N，而X位于羰基另一侧；在题设已确认的主要邻位耦合解释下，A不能满足U—X—N网络。U—Q在两结构中都可经H—C—O—C三键路径产生，因此只支持共有的氧侧羰基关系。结论限于这两个候选及题设归属；仍应核对M的乙酰位置、Q的碳谱信号和其余峰，不能宣称所有同分子式候选已经排尽。

5.1.5 无氢位点与相关缺失怎样解释

HSQC没有给出Q，符合“Q无直接相连氢”的预期，但尚不能因此认定任意未关联碳都是无氢碳。先在覆盖羰基区的碳谱中寻找Q，检查采集时间、信噪比和弱峰，再与编辑实验及原子账对照。无氢碳未出现在常规DEPT中是序列选择的结果；无氢碳未出现在碳谱中则需要检查检测能力。这两种缺失不能使用相同解释。

展开说明与推导

在A中，X到Q是两键，M到Q是三键；在B中，M到Q是两键，X到Q是四键。HMBC可为这种差异补充支持，但不能把峰强当作键数尺，也不能看到X—Q便绝对排除B，因为四键相关有时可以观察到。更不能因没有X—Q便否定A：长程耦合可能很小，实验延迟可能未适配，展宽、重叠或显示阈值也可能使它不可见。Saurí等（2016）专门指出，耦合与优化延迟不匹配会使“缺相关意味着距离远”这一推断失效。

阴性证据(negative evidence)需要说明检测条件。若预期关系未出现，先记录谱宽是否覆盖双方、附近强峰是否遮蔽、已知关系能否作为采集成功的检查，以及目标耦合是否有合理可检出的依据。仅调整等高线到噪声以下寻找一个弱点，可能把噪声升格为关系。必要时改变长程优化条件并检查重复性；仍缺峰时，应保留“A在该条件下未检出X—Q”这一记录，而不改写成“A的X不能连接Q”。

警示

本例若只见U—Q、未见X—Q，A、B均可保留：前者可能因长程响应过弱而缺峰，后者本来就不要求常规HMBC稳定显示四键关系。阳性相关也须排除一键泄漏、重叠和伪影。相关证据的边界见5.11节，它们应进入候选说明，不宜省略在结论之后。

5.1.6 比较成本，确定何时停止

实验成本包括机时、样品量、稳定性及后续判读工作。更耗时的实验不自动提供更多判别信息。若两个酮候选的差异是有无CH，碳类型编辑可能比长程相关更直接；若剩余差异围绕无氢中心，重复采集只报告一键归属的HSQC不会补齐该中心的连接。需要比较“本次采集有机会排除哪些候选”，并检查这些差异能否在当前样品浓度和线宽下观察到。

展开说明与推导

例如，若本例已确认U—X—N，再增加一个两候选都预期的U—Q相关，主要作用是核对共同的酯片段。若端点类型还不清楚，能把X与甲基分开的编辑证据更有判别价值。采集顺序因已有证据而改变，不能把一套固定实验清单当作每个未知物的充分条件。向仪器负责人提交候选结构和目标关系，也有助于检查默认谱宽与编辑参数是否适合这次任务。

补谱后应维护一份逐峰指认表和矛盾表，写清每个峰属于哪个原子、每个相关由哪条路径解释，以及仍未指认的信号。候选违反可靠的氢数、碳类型或已确认关系时，才写出相应排除理由；缺失关系保留前述条件。模拟或拟合可检验整体线形是否相容，但小残差仅表示模型与输入数据接近，不能证明结构唯一。不同接法可能在有限观测下都得到接近结果，遗漏候选也不会因拟合良好而自动补入。

停止点取决于任务。仅需在本例A、B中判别时，可靠的U—X—N网络可达到限定目标；若要报告未知物完整结构，还应核对全部原子、无氢碳、杂质、共同片段以外的可能接法，并注明尚未确定的立体问题。Nowick（2020）的课程与Smith、Boggess、Zajicek的官方题集提供多谱联合练习；本节的下一步是碳谱与编辑实验，随后再逐项学习相关的读法与形成条件。

习题 5.1-3　用碳类型减少候选，并保留缺峰条件

候选C为2-戊酮，\(\mathrm{CH_3C(=O)CH_2CH_2CH_3}\)；候选D为3-甲基-2-丁酮，\(\mathrm{CH_3C(=O)CH(CH_3)_2}\)。外部证据给出\(\mathrm{C_5H_{10}O}\)，目前氢谱重叠。请核验原子与碳类型计数。一次经相位核验的DEPT-90出现样品CH峰时选哪一个？若没有该峰，能否立即选C？

参考解答

C有五碳、一氧，氢数\(3+2+2+3=10\)，碳类型为2个CH3、2个CH2、1个无氢羰基碳。D有五碳、一氧，氢数\(3+1+3+3=10\)，类型为3个CH3、1个CH、1个无氢羰基碳。二者DBE均为1。D的两个支链甲基在普通非手性介质及适宜平均条件下可等价，因此碳信号数可能少于碳原子数。经核验的样品CH峰支持D并与C的碳类型矛盾，在二者间选D。若CH峰缺失，仍需检查灵敏度、设置、重叠和样品来源；D可能未被充分检测，故不能仅据缺峰立即选C。下一步可用编辑HSQC寻找该CH的一键归属，或改善编辑条件，再核对C所需的两个CH2信号。

关键术语

信号重叠 (signal overlap): 多个环境的谱线在有限分辨率下占据共同区域，区域积分可能含多组氢。
连接歧义 (connectivity ambiguity): 已有片段与计数约束仍允许不止一种原子连接方式。
无氢碳 (non-protonated carbon): 没有直接相连氢的碳，包括羰基碳和其他无氢中心。
判别实验 (discriminating experiment): 针对候选预期差异，且有合理机会观察到该差异的实验。
交叉峰 (cross-peak): 二维谱中对应一对频率坐标、其关系由所用实验决定的信号。
COSY (correlation spectroscopy): 用于寻找可观测氢—氢标量耦合关系的相关实验。
HSQC (heteronuclear single quantum coherence): 本节指主要按一键氢—碳耦合形成相关的实验，不覆盖无氢碳。
HMBC (heteronuclear multiple bond correlation): 利用长程异核耦合寻找氢—碳关系的实验，相关不附固定键数。
DEPT (distortionless enhancement by polarization transfer): 利用极化转移与编辑帮助判断带氢碳类型的方法，须区分具体变体。
阴性证据 (negative evidence): 未检出预期信号所提供的证据，其强度取决于检测与实验条件。

参考文献与延伸阅读

Odell B, Claridge T. 2009. A User Guide to Modern NMR Experiments. University of Oxford, Chemistry Research Laboratory. 官方讲义；讲义入口。年份据文档页眉，在线文件名含2013；实验信息与当地操作指令应分开使用。
Nowick JS. 2020. Chem 203: Organic Spectroscopy. University of California, Irvine OpenCourseWare. 官方课程。参见第18、19及22讲，分别讨论碳谱、二维谱入门与HMBC结构应用。
Smith BD, Boggess B, Zajicek J. 未注明出版年份. Organic Structure Elucidation: A Workbook of Unknowns. University of Notre Dame. 官方题集。用于联合证据练习；本页没有转载其整套谱图或答案。
Bax A, Summers MF. 1986. Proton and carbon-13 assignments from sensitivity-enhanced detection of heteronuclear multiple-bond connectivity by 2D multiple quantum NMR. Journal of the American Chemical Society, 108: 2093–2094. 原始论文；作者机构存档。
Saurí J, Liu Y, Parella T, Williamson RT, Martin GE. 2016. Selecting the Most Appropriate NMR Experiment to Access Weak and/or Very Long-Range Heteronuclear Correlations. Journal of Natural Products, 79: 1400–1406. 原始论文；官方书目与摘要。用于长程耦合、延迟选择与缺峰的证据边界。
Claridge TDW. 2016. High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, 3rd edition. Elsevier. 出版社书目与目录。第4至7章提供一维编辑、二维及同核与异核相关的系统背景。

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