主题：【线上活动】论坛线上活动第六期：如何更有效率的使用核磁共振(时间2008年10月14日-24日 主讲人:sslin)

绪论：核磁共振在线交流讲座

仪器信息网请核磁共振论坛板块举办在线交流讲座, 针对某几项专题进行讨论, 这是很有意义的活动, 我们乐观其成. 题目的拟定, 考虑到这些年来国内在核磁共振谱仪使用的现象和观念, 以及讨论人员的适用性, 最后选定了以下两个题目 "核磁共振谱仪对粗产品检测取代 TLC 作反应监控" 以及 "如何正确合理而快速的解析自己手中的图谱", 希望能获得广泛回响, 期盼大家踊跃发言讨论交流.

按照以前在线交流讲座的作法, 这十天内对此二论题的交流帖都集中一起 (跟帖/问帖/回帖), 最终汇集成一个十几页 (或数十页) 的大长帖. 以后回顾阅览, 就像一次讲座记录, 应该是很有意思的. 积极参与讨论者可以获得奖分, 希望大家珍惜此次机会, 畅所欲言. 我们也乐于将所了解的各种信息资料好好整理和大家交流共享.

核磁共振谱仪对粗产品检测取代 TLC 作反应监控


前言: 核磁论坛中常有讨论样品检测纯度要求的问帖, 其实这是对完全未知化合物的结构鉴定而言. 核磁共振用在混和物检测的场合很多. 对于反应粗产品的检测以及反应进程监控应用, 国外的研究生一直都如此使用. 现在国内多所学校核磁谱仪开放学生操作, 费用降低, 这种粗产品检测的使用逐渐得到推行, 也应该是提倡这种应该观念与作法的时候. 在反应进程监控检测时, 如果没有观察到预期产物的信号峰, 便可宣告反应失败, 不必浪费时间和试剂进行后处理. 得到预期产物的信号峰再比较反应物残存峰的情况, 便可以判断反应时间. 整个应用过程, 让人强烈感觉到核磁就像个眼睛, 有助于对于实验的充分掌控.

TLC 是 Thin Layer Chromatography (薄层色谱) 的缩写, 俗称 “点板”, 用来简洁快速判断化合物的纯度. TLC 常用在柱层析纯化物质的鉴定; 以及反应进程中时间的监控判断. 在硅胶板点上反应体系溶液与反应物, 走板 (溶剂展开) 后由色点判断反应物点是否消失以及是否有新点生成. 在核磁共振使用不方便的环境下, TLC 对反应进程的监控是不可缺的. 但 TLC 存在以下缺点: 对于首次测定的化合物或未知物, 很难找到合适的展开剂, 而每次试验走板需花费十几分钟. 除了对照已知物的 Rf, 色点能提供的信息有限, 并得提防有些样品无法在碘燻或紫外光中显色.

相较于 TLC, 核磁氢谱可以一次提供溶液中所有化合物的信息, 而且检测快速 (如果只看情况不细匀场与处理谱图, 2 min 内可以完成). NMR 粗产品氢谱提供的信息有: 预期产物是否得到, 反应物的残存量,`副产物的生成情况, 反应体系的脏乱程度.

NMR 检测反应进程样品的制备方法: 吸取少量反应溶液放入小烧杯 (视浓度定, 样品量约 3 mg), 吹风机吹干, 若得到胶状物加少许氯仿 (不是氘代氯仿, 避免浪费), 吹风机吹干, 反复加氯仿/吹干两三次, 之后加氘代氯仿 (0.5 mL), 转移到核磁管进行检测. 对于有些反应体系需要小处理, 则可用小试管快速萃取后吹干.

混合物谱图解析: 找寻预期产物的信号峰, 比较相对积分. 和事先备好的已知物氢谱 (包括各反应物/催化剂/溶剂/有机碱等) 作比较.

检查粗产品的好处: 可以确定得到产物. 如果经纯化后产物消失, 则可以肯定不是实验失败而是后处理出问题. 例如不应高温蒸馏, 不应用酸性硅胶作柱层析; 不应用碱萃取等. 将一个难得成功的实验 (正确的反应条件/温度/时间) 宣判为失败实在太可惜, 甚至会影响整个课题.

核磁检测这么贵, 怎好作粗产品检测? 这是制度以及观念的问题. 待未来检测费用降低或仪器开放使用, 便水到渠成. 目前开放操作的单位费用大约一小时30-60 元, 每小时可以检测一二十张谱 (若存谱不处理, 可以检测更多). 要实验有效率, 谱仪必须开放, 而利用 NMR 作反应监控与粗产品检测的作法也是必然的趋势.

如何正确合理而快速的解析自己手中的图谱


现在一些学校要求学生在答辩或预答辩时提供实验记录以及化合物谱图数据供老师检阅. 在查阅学生提供的核磁共振谱图时, 发现大多数谱图都没有进行归属, 甚至只有代号而没有结构图, 无法立即判定该化合物结构的正确性, 也怀疑学生如何应用这张谱图. 进一步了解许多学生对于谱图的解析流程不熟悉, 解谱过程零乱没有系统, 因此觉得有必要在这方面作强化交流.

每张核磁共振谱图最起码应该给出结构图, 并且对每个信号峰进行归属, 进一步对溶剂峰以及各杂质峰也都应该标记出来.

很多人归属标记的习惯不同, 有用数字/大小写英文字母/其他符号. 比较不合理的作法是先在结构图上标上 a,b,c,… 次序 (包括活泼氢), 然后才在氢谱信号峰上标记对应的 a,b,c,…. 这种标记法对于归属的查找更正很不方便, 因为两者次序都是跳跃的.
我们建议: 标记的次序以谱图的化学位移次序为主, 但不包括活泼氢峰 (因峰的化学位移不定, 另行标记). 对于氢谱使用英文字母 a,b,c…; 对于碳谱建议使用数字 1,2,3…..(氢谱和碳谱分别用字母与数字, 有利于未来 hsqc 与 hmbc 的标记, 例如 2b).

下面给出合理的谱图归属步骤.

核磁氢谱的解析流程 (以乙基苯为例):


图例 EtBz_H-1
1.    首先画出化合物结构 (C6H5-CH2CH3)
2.    得到分子式 (C8H10), 知道有 10 个氢 (只考虑 CH, 若有活泼氢扣除, 另处理).
3.    从氢谱中, 对于可能是信号峰的积分进行四舍五入, 找出符合 10 个氢数的氢峰. 粗略判断在高场区与低场苯环区 (~7) 的信号峰数符合 5:5.
4.    对上述可能为样品信号峰, 由右往左给依次给予 a, b, c, ……. 标记 (活泼氢不在标记之列, 另行处理, 标记如 OH, NH, NH2, CO2H)).      图例 EtBz_H-1         
5.    正式进行归属, 在结构图上标记 a, b, c……..(此需要化学位移/积分/耦合裂分等信息判断)
6.    标记其它峰: 溶剂峰 (如 TMS, H2O, CHCl3, acetone); 反应物峰 (可简略都标记为 R或仔细标记), 对未知的副产物杂质可暂时标记问号 (?)
7.    在谱图上给小评述: 佳, 一般, 纯度差, 有误等.                图例 EtBz_H-final




图例 EtBz_H-final

核磁碳谱的解析流程 (以乙基苯为例):


图例 EtBz_C

1.    画出化合物结构 (C6H5-CH2CH3)
2.    由结构判断应该有 6 种碳峰 (扣除对称), 判断在三个区段 (<70,  ~120, ~170) 的碳峰数符合 2 / 4 / 0..
3.    从碳谱种找出符合上述 6 个碳峰.
4.    按照次序, 符合的碳峰由右往左给出 1, 2, 3……. 数字标记.     
5.    正式进行归属, 在结构图上标记 1 2, 3,  (此需要化学位移/峰高低的信息判断).
6.    标记其它峰: 溶剂峰 (TMS, CDCl3, DMSO, acetone)
7.    在谱图上给小评述: 佳, 一般, 纯度差, 有误等.  图例 EtBz_C-final             




图例 EtBz_C-final

欢迎对核磁感兴趣的朋友前来与sslin教授进行交流切磋。以上为sslin教授所著,未经sslin和仪器信息网同意任何个人和单位禁止转载!!!

核磁共振主要应用于哪些方面?
样品如何制备?

原文由 lylsg555 发表: 核磁共振主要应用于哪些方面? 样品如何制备?

这是比较基本的问题. 趁此机会和大家交流一下我们以为比较合理的样品制备方法.
目前讨论的核磁多是液体核磁 (北京地区固体核磁只有 4 台, 液体核磁近百台), 就是先得把样品溶解成溶液. 溶液量大约 0.5 mL, 内含样品量大约 3-10 mg (检测氢谱). 若要检测碳谱, 样品量可以增加到 50 – 200 mg, 以节省检测时间.

比较正确的样品制备步骤: 先将样品 (无论液体还是固体) 置入小试管, 加入氘代试剂 (约 0.5 mL), 用玻璃滴管略拌均匀, 然后转移到核磁管. (建议先在试管配样, 另外强调使用玻璃滴管防止 0.8/1.2 峰的污染).
对于液体样品, 不要加太多, 否则浓度太大氢谱检测容易信号超溢 (ADC overflow). 固体样品因为有溶解度的天然限制, 比较没有这种顾虑. 如果固体样品溶液浑浊, 可以吸取上面比较澄清的部分检测 (固体下去也没关系, 但可能影响匀场效果). 可以考虑稍微过滤, 在小玻璃滴管中放些微玻璃绵, 过滤滴入核磁管中.

如果产物比较复杂，氢峰比较多，目标产物的氢峰被覆盖，如何通过谱图判断是否有目标产物生成？

还有如果目标产物不溶于氯仿，那检测样品如何进行前处理？

原文由 ll1985313 发表: 还有如果目标产物不溶于氯仿，那检测样品如何进行前处理？

如果确定产物不溶于氯仿, 仍然可按照建议步骤进行 (吹风机吹干, 得到胶状物加少许氯仿), 此时或许会发现胶状物不溶于氯仿. 仍然加氯仿吹干处理, 因为可以带走反应溶剂 (例如乙酸乙酯).
如果使用氘代氯仿检测不到信号, 表该产物 "完全不溶" 于氘代氯仿 (因为微溶也可以得到信号). 则试验该物质 (胶状物或已成为固体) 溶解度, 溶于重水或 d6-DMSO 进行检测.
预期产物的结构以及溶解度如何, 在设计反应时应该早已心里有数. 这类样品的处理可能会涉及到研磨法 (trituration), 去除不溶的有机溶液后再进行检测.