HSQC 把一个氢对应到直接连氢的碳
一键氢碳对应可以把氢信号与碳环境合在同一张表中。
读图时保留这项条件：没有直接连氢的碳通常不能靠常规 HSQC 完成指认。
用 HSQC 把氢分组接到碳环境
选择入口氢，再点相应坐标，核对一键氢碳对应。
5.6.1 相关峰提供的是直接相连核的对应关系
在 COSY 与 TOCSY 中，两个坐标都属于氢核；现在把间接维换成异核，便能给氢信号增加一个独立的位移标签。本节以溶液小分子的 ¹H—¹³C 实验为主，氢—氮部分指 ¹H—¹⁵N。先修是二维谱坐标、标量耦合与相位处理。学习任务是从一个相关峰读出核对，利用编辑相位区分碳类型，并把未检出的位点留在证据表中。
展开说明与推导
异核单量子相关(heteronuclear single quantum coherence, HSQC)与异核多量子相关(heteronuclear multiple quantum coherence, HMQC)通常用较大的一键氢—碳标量耦合建立相关。常规谱中，横轴为氢化学位移，纵轴为碳化学位移；应先看轴标，因为软件可以交换显示方向。位于氢 3.70 ppm、碳 52.0 ppm 的可信主相关峰，支持这个氢环境连接在具有该碳位移的碳环境上。这比仅凭氢位移猜测官能团多了一条核间约束。Oxford 实验指南的异核相关部分按这一用途解释两种实验（Odell 与 Claridge，2009）。
一键相关(one-bond correlation)是常规 HSQC/HMQC 主要检出的直接成键核对。解释前提包括正确设置核种与谱宽、主峰确实来自预期传递路径，以及足够的信噪比。实验名称本身不能排除弱长程相关或传递伪影。
展开说明与推导
氢—碳谱没有氢—氢 COSY 意义下的对角线，也不要求出现关于对角线成对的镜像峰。一个 CH₃ 的三个等价氢通常共同贡献同一个氢坐标，因而不应把它数成三个独立相关峰。反过来，一片多重峰含有数条等高线或谱线，也不能直接换算成数个氢环境。先确定相关峰组的中心，再读取核对。
同样的实验思想也用于氢—氮相关，但要把异核通道、谱宽和传递延迟改为针对氮核的设置。氢—氮 HSQC 主要约束直接相连的 N—H 核对；没有直接连氢的氮位点不能据此完整列出。天然丰度氮实验的灵敏度及可交换 NH 的线宽可能成为限制。氢连在碳上、该碳又连着氮，属于另一种连接关系，不能据常规一键氢—氮峰作同等解释。
5.6.2 两种实验为何能得到相似的核对表
两种实验都借助异核标量耦合，让最终检测的氢信号携带异核频率信息。实验先激发氢磁化，通过耦合演化与脉冲产生所需相干；在逐步增加的间接演化时间中编码异核位移，随后转回可检测的氢相干，记录直接维信号。这里的“传递”描述自旋状态和磁化信息的变化，不表示氢原子发生迁移。Bodenhausen 与 Ruben 的原始工作采用双重极化传递提高低灵敏核的检测能力（Bodenhausen 与 Ruben，1980）。
展开说明与推导
HSQC 在间接演化期使用异核单量子相干；HMQC 使用涉及氢与异核的多量子相干。名称中的“多量子”指相干类型，与“跨多个化学键”没有对应关系。HMQC 仍主要提供一键核对，下一节的 HMBC 才专门讨论较小的长程异核耦合。用缩写中同一个字母 M 判断相关键数，会把两类实验混淆。
展开说明与推导
氢检测能提高低灵敏异核相关实验的检测效率，同时要求抑制大量未与目标异核耦合的氢信号。Bax 与 Subramanian（1986）的 HMQC 工作专门处理了这类背景和动态范围问题，说明“检测氢”并不等于“保留所有氢信号”（原始论文）。常规碳去耦 HSQC 中，直接维的一键氢—碳裂分被去除，氢—氢裂分仍可保留；一个核对的峰形因此仍可能复杂。
常规 HMQC 的间接维可能带有氢—氢耦合调制，使碳维峰形更复杂。HSQC 通常在拥挤碳区更易分辨相关，但实际选择还受序列版本、脉冲校准和样品影响。Oxford 指南给出的分辨率比较适用于其讨论的常规实验；不能据此宣称所有 HSQC 变体在所有样品上都有固定的灵敏度优势。
5.6.3 编辑相位如何限制碳类型
多重性编辑 HSQC(multiplicity-edited HSQC)在一键核对之外，把与碳直接相连的氢数类别编码到相关峰的相对相位中。常用显示约定是 CH 与 CH₃ 为正，CH₂ 为负。若把全谱相位反转，正负会一起交换，类别之间的相反关系仍保留。颜色只是软件给符号指定的显示方式。Willker 等（1993）讨论了梯度选择的相位敏感异核相关及 HSQC 编辑（原始论文）；Bruker 的官方应用说明也把 CH/CH₃ 与 CH₂ 显示为两类相反符号（Bruker BioSpin，2025）。
| 碳类型 | 本页采用的相位 | 相关数的常见情况 | 仍需判断的内容 |
|---|---|---|---|
| CH | 正 | 一个氢坐标对应一个碳坐标 | 与 CH₃ 同相，单凭符号无法区分 |
| CH₂ | 负 | 一个或两个不同氢坐标对应同一碳 | 两氢重合与否需结合一维谱、分辨率和环境 |
| CH₃ | 正 | 通常一个氢环境对应一个碳环境 | 三个等价氢不会因此形成三个独立峰 |
| 无直接连氢的碳 | 通常无主相关 | 不能由此实验完整列出 | 与弱峰、重叠和传递失败造成的缺峰区分 |
展开说明与推导
CH 与 CH₃ 的区分应回到可信的一维氢积分、已有结构约束或 DEPT-90 等证据。常规 HSQC 峰体积受耦合匹配、弛豫、脉冲效率与处理方式影响，不能直接用峰高比判为一氢与三氢。编辑给出的是类别约束，普通 HSQC 的强度也不自动具备定量意义。若两个相反相位的相关恰好在两维都重叠，还可能部分抵消，使峰比预期弱。
先确认实验确为编辑版本，再检查相位和图例；用已有依据的碳类型核对符号约定，随后对整个相关峰组判相。幅度模式只显示大小，会丢失正负信息。若出现正负混杂的色散线形，先复核处理，不逐条等高线给同一个核对指定不同碳类型。
展开说明与推导
对于一个非对映异位 CH₂，两个氢可以具有不同位移，却都直接连接同一碳，因此在相同碳行上出现两个同类编辑相位的峰组。它们可以先标为 Ha 与 Hb，这只是记录标签。共同碳坐标不赋予 pro-R/pro-S 或轴向/赤道向的立体身份；这类具体指认需另取立体证据，见6.5 非对映异位氢的具体指认。两个峰碰巧同处一碳行，也可能是碳位移偶然重合，须检查其他证据。
5.6.4 教学例：五条相关对应几个碳环境
以下数值全部是教学设定，不作为某种化合物的实测位移引用。设定单一纯组分的分子式为 C₅H₁₀O₃；在一个能分辨所列信号的溶液条件下，一维碳谱有五个环境，位移为 23.0、43.0、52.0、67.0 和 173.0 ppm。编辑 HSQC 的正负约定已核对，相关见表与图。氢积分按可靠的一维谱归一化；4.90 ppm 信号在教学设定的 D₂O 检验后消失。
| 氢标签 | 氢位移 / ppm | 一维积分 / H | 相关碳位移 / ppm | 编辑相位 |
|---|---|---|---|---|
| HA | 1.22 | 3 | 23.0 | 正 |
| HBa | 2.42 | 1 | 43.0 | 负 |
| HBb | 2.58 | 1 | 43.0 | 负 |
| HC | 3.70 | 3 | 52.0 | 正 |
| HD | 4.25 | 1 | 67.0 | 正 |
| HE | 4.90 | 1 | 未检出 | 不判定 |
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先合并共同碳坐标。Ba、Bb 都在 43.0 ppm 行，且均为负相位，两个一氢积分合为二氢；这支持同一个 CH₂ 的两氢不同位移。其余三行都为正相位，再借一维积分把 23.0 与 52.0 ppm 分别归为 CH₃，把 67.0 ppm 归为 CH。于是五条主相关对应四个带氢碳环境，连接于碳的氢数为三加二加三加一，共九个。计数过程中，Ba 与 Bb 只增加氢环境数，不增加碳环境数。
再把这四个环境与完整碳谱对照。第五个环境 173.0 ppm 没有主相关，位移支持羰基类候选；分子式的不饱和度为一，与一个羰基相容。第十个氢来自可交换信号 E，它在氢—碳实验中未检出并不意外。D₂O 检验支持可交换氢的解释，但还不能仅凭这一结果确定它具体连在哪个氧上。此时应把 E 写作“可交换氢，连接待定”，而非直接把所有空白峰归成 OH。
最后才引入已学的 COSY。再设定 A 与 D 有相关，D 与 Ba、Bb 有相关，Ba 与 Bb 有偕耦合相关。在这些相关可信且没有重叠误配的条件下，可建立 CH₃—CH—CH₂ 片段；HSQC 将片段中的氢标签对应到 23.0、67.0、43.0 ppm 三个碳。52.0 ppm 的三氢环境与氧取代甲基相容，67.0 ppm 的 CH 与含氧次甲基相容。结合羰基和分子式，可以提出 3-羟基丁酸甲酯这一一致候选。
这个候选还需要连接证据：HSQC 没有直接给出 CH₂ 到羰基的键，也没有给出甲氧基通过氧连接羰基的路径。应在5.7 HMBC 与相关变体中检验相应长程相关，并检查其他可行候选。HSQC 在这里完成了核对、碳类型和原子计数，尚未独立完成整个分子的连接证明。
习题 5.6-1 相关数、环境数与氢数
使用表 5.6-2，分别求主相关峰组数、具有主相关的碳环境数、连接于碳的氢数，以及包含 E 的氢环境数。能否仅用 HSQC 算出总碳数？
参考解答主相关峰组数为五。43.0 ppm 行出现两组，其余三行各一组，故带主相关的碳环境数为四。结合一维积分，碳上氢数为 3＋1＋1＋3＋1＝9。Ba 与 Bb 是不同氢环境，连同 A、C、D、E，共六个氢环境；六个环境合计十氢。HSQC 不能完整计入无直接连氢的碳，本题的第五个碳环境来自一维碳谱，总碳原子数则还要结合分子式与环境等价的判断。
5.6.5 季碳与缺峰：如何保留实验边界
非质子化碳(non-protonated carbon)没有直接连接的氢，通常不能沿预期一键路径给出主 HSQC 相关。解谱中常把这类位点统称“季碳”，包括无氢的芳环碳与某些羰基碳；这是一种谱学计数口径，范围宽于有机结构分类中连着四个碳的季碳。醛羰基直接连有氢，属于 CH，不能把“羰基碳”一概视作 HSQC 不可见。
展开说明与推导
无主相关还可能来自检测条件。传递延迟按预设的一键耦合选择，实际耦合若偏离较大，转移效率会降低；末端炔氢就是检查耦合匹配时应特别留意的类型。偏离射频有效带宽、谱宽遗漏或折叠、弛豫展宽、浓度不足与过高的等高线阈值也会改变可见性。处理时应同时保存阈值附近的可疑峰和噪声依据，不能只截取一张干净等高线图作为完整峰表。
未检出相关(undetected correlation)只说明在给定采集、处理与判峰条件下没有获得可接受相关。检测失败不能作不存在证明。把碳归为非质子化位点时，应有完整碳谱、可靠 HSQC 覆盖及其他碳类型证据共同支持。
展开说明与推导
对一个疑似缺失的 CH，先查一维氢和碳信号是否存在，再核对谱宽、偏置、延迟与处理；有必要时重采合适的序列。对于已经由其他证据支持的非质子化碳，继续增加常规 HSQC 扫描数不能补出其不存在的直接连氢路径。此时需要的是能联系附近氢与该碳的实验，而非把空白行删除。
额外弱峰也要验证。Bruker 的官方说明指出，部分 HSQC 序列会残留 COSY 类型的传递相关，使氢与邻近碳之间出现附加峰。若某氢似乎指向两个碳，先比较强主峰、弱附加峰及其所属氢耦合网络，再考虑序列相关伪影、长程泄漏、折叠或重叠。不能立即画出同一个氢同时直接连两个碳的结构。
习题 5.6-2 相位反转后如何判型
某编辑 HSQC 中，已由一维积分和结构确认的孤立 CH₃ 为负相位，而一对同碳行的两个一氢峰均为正。应如何判定后一行？若只有幅度谱可用，还能否依赖这些符号？
参考解答先以已确认 CH₃ 核对本谱约定：CH/CH₃ 为负，与本页约定整体相反。两个一氢峰均为正且共用碳行，结合无重叠等条件，支持一个 CH₂ 的两氢。不能照搬“正峰就是 CH/CH₃”的颜色口诀。幅度谱不保留正负相位，须取得相位敏感数据或借其他碳类型实验判断；幅度图上两种颜色若只是强度配色，不具备编辑类别意义。
5.6.6 把核对表用于结构判断
结构指认表应把“观测核对”与“结构解释”分列。观测列记录两维位移、编辑符号、峰组与重叠情况；解释列记录候选碳类型、氢积分来源和支持它的实验。这样可以在某个弱相关被重新判为伪影时，只撤回受它影响的连接，不把整份归属表同时推翻。对于一维氢重叠，两个不同碳坐标能将它拆为多个核对；但原有的一维重叠积分仍是总面积，不能未经证据就分给各核对。
展开说明与推导
实验选择取决于剩余歧义。若问题是两个氢是否属于同一 CH₂，编辑 HSQC 与更好的碳维分辨率可能直接减少歧义。若问题是甲氧基连到哪个无氢碳，一键相关通常无法完成任务，应转向长程相关并保留其可见性条件。提交结果时列出未归属碳、未检出氢和仍需检验的连接，再将核对表带入后续的分子图构建。
习题 5.6-3 一次缺峰能否排除候选
候选甲要求一个无氢芳环碳，候选乙要求同位移区域内一个芳香 CH。当前一维碳谱有弱峰，一维氢谱该区重叠，HSQC 没有可接受主相关。能否立即排除乙？提出有顺序的检查方案。
参考解答不能立即排除乙，因为其预期 CH 可能因弱信号、重叠、采集覆盖或处理阈值而未检出。先核对碳峰和氢重叠区域的真实性，检查两维谱宽、偏置、脉冲带宽、一键耦合设置及相位；再检视低阈值原谱是否有可重复峰组，必要时提高分辨率或重新采集。随后结合 APT/DEPT 等碳类型证据判断该位点是否带氢，并用后续长程相关检查邻接关系。只有实验确实具备检测乙所需 CH 的能力，并出现与乙矛盾的可靠证据，排除才有依据。
关键术语
- HSQC (heteronuclear single quantum coherence)
- 间接演化采用异核单量子相干，常用于一键氢—碳或氢—氮核对。
- HMQC (heteronuclear multiple quantum coherence)
- 间接演化采用异核多量子相干，常规用途仍主要是一键核对。
- 一键相关 (one-bond correlation)
- 以直接相连核的一键标量耦合建立的主要相关。
- 氢检测 (proton detection)
- 将异核编码的信息转回氢相干后，以氢信号读取。
- 多重性编辑 (multiplicity editing)
- 把带氢碳类别编码到相关峰的相对相位等谱学特征中。
- 相对相位 (relative phase)
- 峰组间同相或反相的关系，全谱整体反转不改变类别关系。
- 非质子化碳 (non-protonated carbon)
- 无直接连氢的碳；普通一键 HSQC 通常不提供其主相关。
- 未检出相关 (undetected correlation)
- 在已声明的实验与判峰条件下没有可接受相关，不自动证明结构连接不存在。
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；参见第 6 节。官方 PDF（文档页眉标 2009，在线文件名含 2013）。
- Bodenhausen G, Ruben DJ. 1980. Natural abundance nitrogen-15 NMR by enhanced heteronuclear spectroscopy. Chemical Physics Letters, 69: 185–189. DOI: 10.1016/0009-2614(80)80041-8.
- Bax A, Subramanian S. 1986. Sensitivity-Enhanced Two-Dimensional Heteronuclear Shift Correlation NMR Spectroscopy. Journal of Magnetic Resonance, 67: 565–569. NIH 作者文献库原文；DOI: 10.1016/0022-2364(86)90395-1.
- Willker W, Leibfritz D, Kerssebaum R, Bermel W. 1993. Gradient selection in inverse heteronuclear correlation spectroscopy. Magnetic Resonance in Chemistry, 31: 287–292. DOI: 10.1002/mrc.1260310315.
- Bruker BioSpin. 2025. Exploring 2D HSQC NMR: A Comprehensive Guide Using Bruker Parameter Sets. Application Note BS-100104，版权标记 09/2025。官方入口；官方 PDF。