分类目录归档:核磁实验

关于核磁实验的一些介绍内容

1D-INADEQUATE

其实对判定结构而言,C核比H核更为重要,因为C是构成有机物的骨架,而H只是骨架上生出来的枝叶。遗憾的是,98.9%的12C由于自旋为0而不能被核磁检测到,而余下1.1%的13C因为旋磁比仅为H的1/4以及较长的弛豫时间导致核磁学家最终将H作为核磁实验中最重要的核。但C核绝没有被忽视。

之前已经提过,为了得到占C元素1.1%的13C信号,需要付出比H核多出数千倍的扫描时间。那么C-C相关信号呢?这个问题等价于分子中两个13C正好挨在一起的几率为多大——1.1%的平方。也就是说,10000个分子中只有一个分子某两个13C正好相邻,而要观察到这一个分子的CC相关,难度不仅在于如何“万里挑一”将这个很弱的信号采集出来,更在于如何“以一敌万”排除余下9999个分子大军的信号干扰。而描述这一问题的实验,科学家称之为INADEQUATE。

先给出这一结构的1D-INADEQUATE谱图。与2D相比,1D时间所花费的时间要少的多,但即使如此,这张谱图依然花费了我数小时的时间(还是在样品很浓的情况下)。由于脉冲演化的关系,1D-INADEQUATE实验中的信号常以反相位双重峰来呈现(其实稍微修改一下脉冲就可以实现相位同一化,但是我觉得这样反而不利于谱图解析),这是因为不管碳链多长,我们观察到的C-C相关通常就是一键相关(三个13C恰好相连的概率有多大?),而双重峰的波峰与波谷间距离是CC耦合常数,但遗憾的是,在1D-INADEQUATE中要分辨这一信号并不容易。

大家或许还记的之前在H归属中对于H10以及H11的归属曾经一度出现困难——HNMR中14N核四极矩造成的展宽以及H-N HMBC中相关信号的强弱都支持将高场H定为H11,但HMBC,COSY都明确给出了与之相反的结论。其实从C-C角度上来看这个问题会简单很多——C11仅受C10耦合,而C10却要受到C11和C3的耦合作用。图一中C10能明显读出49Hz的耦合作用,而红线标出的37Hz的反相位峰显得很弱,需要注意的是,在两个反相位双重峰中间位置出现的峰并不是三重峰,而是没有压制完全的13C单峰。图二给出的C11峰信号较弱,这可能是与之直接相连的14N所引起,34Hz的耦合值暗示着C10与C11的耦合关系。C3由于与C6与C7相互重叠,耦合变得难以辨认,使这一实验在解决C归属问题上不够严密,而我之后讲到的选择性1D-INADEQUATE将解决这个问题。

1D-选择性NOESY

由于NOE信号增强很弱,因此NOESY常常需要扫描很长的时间(数小时到数天不等)。而通常情况是,实验人员并不需要得到整个结构的NOE关系,往往几个关键H之间的距离远近就足以对化合物结构做出一个准确的判断。在这种情况下,1D-选择性NOESY可以通过有目的地照射目标峰来快速得到需要的信息。

为了保持一致,这一实验的混合时间仍然定在1.0 s,选择性脉冲照射在了甲基的H上。在相同的扫描次数下,1D仅需要2D实验1/256的时间,却在H14上得到了和二维实验相同的结果。如果化合物浓度很低,那么节省下来的时间又可以成倍地用在增加扫描次数来提高信噪比上。事实上,在实际应用中,我更倾向于使用NOESY实验的1D版本。

需要注意的是,正负信号都有可能在空间上与照射峰接近,具体原因参见NOESY中正负峰的分析。

一维选择性TOCSY

作为TOCSY的1D版本,这一实验能在很短的时间内,通过选择性脉冲,观测到与激发峰相关的H-H远程耦合信号。

如图所示,红色箭头所标示的是选择性激发的核,随着自旋锁定下接力相干传递,相关峰在谱图上以正相位显现出来。在混合时间相同的情况下,实验结果与2D实验一致。需要注意的是,当激发的H与相邻峰靠的比较近时,需要调节选择性脉冲的激发范围来避免“误伤”。

1D实验极大地缩短了实验时间(尤其在之后要提到的NOESY中),专一地提高了感兴趣信号的信噪比(与2D相比,NS可以设的很大),在不需要得到结构所有相关信号的情况下发挥着比其2D版本更为实用的作用。

氘谱(DNMR)

14N相比,氘的核四极效应要小的多,从而能被核磁检测到。不过由于大部分核磁以D核作为锁场匀场观测核,因此采集D谱通常只能在脱锁状态下进行(有些专门做D谱的仪器则以F来锁场)。上图为我在脱锁状态下做的氘谱,2.5的单峰是氘代DMSO的甲基峰,核四极作用对峰型宽度影响不大。从图中可以看到,氘谱中D出峰的化学位移值与H几乎相同。

常见杂核谱(FNMR,PNMR,SiNMR)

19F,31P以及29Si均为在核磁中做的比较多的杂核。与1H及13C一样,这类核在核磁共振检测中有一个很明显的优势——均为1/2核,因此谱图线型好,便于分析。通常杂核谱都对H核去耦而去除了H的耦合信息(类比于C13CPD),而通过化学位移来判断结构。由于我们的“单一化合物”并没有这三种核,因此我临时做了三张其他化合物的谱图来做一个简单说明。

氟谱(FNMR)

19F的核磁灵敏度与1H核相近,一般出峰范围在100—负300 ppm之间,通常用CF3Cl来标定0点,也可以用CF3COOH的-78.5 ppm来做标定。通常可以做F谱来判断化合物中是否含有F元素。

磷谱(PNMR)

31P的灵敏度强于13C但弱于19F,但一般在较短的扫描时间内也能得到较为满意的谱图。谱图出峰集中在230—负200 ppm范围,通常用H3PO4标定0点。

硅谱(SiNMR)

29Si灵敏度与13C接近,但是由于其旋磁比为负因此弛豫期间对H照射产生的NOE效应并不利于信号增强(甚至还会减弱)。核磁管玻璃中的29Si信号通常会对谱图产生干扰,因此需要核磁人员小心地进行基线处理扣除背景信号。29Si谱的出峰集中在100—负400,和大部分氢谱一样,TMS作为0点的标定。

总体而言,这三种1/2核是核磁常做的3种杂核,通常可以利用核磁来做一个快速的判断。而15N由于灵敏度太低通常需要同位素标记或富集后长时间扫描得到,之前提及的反向检测技术(见H-N HSQC/HMBC)在应对周围连有1H的15N核有特效。

C溶剂峰压制

Bruker官方给出的标准脉冲中并没有碳溶剂峰压制实验,所以我自己编了一个碳溶剂压制脉冲,依然是拿我们的“标准化合物”下手。不过这一实验在我们高浓度的样品峰下除了能让谱图看起来更加直观,并没有任何效果。但是可以预计,在稀浓度的样品中,这一实验将会有它的用武之地。

H溶剂峰压制

溶剂峰压制在核磁中是一个很重要的技术,尤其在做生物大分子或者LC-NMR联用时,溶剂信号甚至会是样品信号的10万倍,由于计算机的采样位数是固定的,大量的溶剂信号会几乎占满计算机的动态范围,而只留下很少的位数用来描述夹杂在噪音峰中的目标峰。上图中是回收乙腈的核磁谱图,在溶剂压制之前,几乎只能看到乙腈和水的信号;而在压制了两个溶剂峰之后,回收溶剂中的杂质峰渐渐显现。

F去耦氢谱

与H同核去耦谱相比,F去耦氢谱显得更为实用一些。

由于之前的化合物没有F核,因此在杂核实验中我会临时选用一些新的化合物。熟悉核磁的人都知道,除了1H核外,19F和31P都是较为灵敏的1/2核。尤其是19F,其在自然界100%的丰度以及极为接近1H的旋磁比,使得其在核磁中如H谱一样容易得到,但同时带来了一个问题:F对于H谱造成的影响也不可小视。而与H核的相互耦合不同,F对于H的耦合常数即使相隔多键仍然很大,这就导致了含氟化合物的谱图十分复杂,而当有多个F原子时,即使简单的结构也变得难以辨认。如本例的结构,在未对F去耦前较难对H进行归属,但去耦之后H之间的耦合关系一目了然。

H同核去耦谱

与C13CPD对氢的全去耦不同,H同核去耦谱通过照射某个很窄频率的H信号,起到将原先耦合的复杂峰变得单纯化的作用。为了便于讨论,我将上图6.4-7.6 ppm的谱图放大。

通过之前的H谱及J-分辨谱分析我们已经知道,这个范围内的4个峰从做往右依次是H6,H2,H9以及H7。其中H7与H6的J3耦合较大(8.8 Hz),从而使H6呈现d峰;H9与H7较小的J4耦合(2.4 Hz)使H9呈现d峰;H7同时受到H6和H9的耦合形成如图所示的dd峰。而同核去耦通过照射某个H,使得此H核在短时间内在两种自旋状态中快速变化,以至于相邻的核无法观察到其所处自旋状态,因此达到去耦的目的。

图中红色箭头标示的是照射的H核位置。谱一为普通H谱;谱二通过照射H6,去除了H6对H7的J3耦合,使dd峰型的H7变为d峰;谱三对于H9的照射同样去除了H9对H7的耦合作用。这一结果相对于二维谱快速而直接,对于简化谱图和指认结构耦合关系有一定的作用。不过缺点在于照射的峰必须独立,否则容易“眉毛胡子一把抓”。总体而言,实用性不是太大。