编者按:核磁是一门很深、很重要的学问,所涉重要概念、专有名词必有错漏之处,细节之多不能一一涵盖,编写本部分之困难前所未有。恳请读者海涵。无特殊说明,非氢核磁均对氢去耦(decoupling)。

内容摘要:
一、我们为什么要打核磁?
二、不是所有的原子核都可以打核磁
三、不同的核磁长什么样,有什么用,好扫吗?
四、不同原子的核磁兆数换算
五、溶剂、匀场与核磁兆数对谱图的影响
六、锁场为什么会失败,如何处置?
七、匀场为什么会失败,如何处置?
正文部分:
一、我们为什么要打核磁?

与TLC一样,核磁也是验证性的、马后炮式的监测手段。换言之,你要先推测化合物的结构,并对特征峰有哪些、特征峰的峰型和积分情况、哪里不可能出峰等问题形成主观判断。核磁的客观数据是为了验证或修正你的判断。不是说随便给一张谱图就能画出该化合物的结构。

这也意味着,即使主观判断能被客观数据完全印证,核磁结构仍然有可能是错的。例如,5-exo-dig和6-endo-dig环化的产物是一对区域异构体,二者的核磁一定有区别,但区别太小以至于核磁无法区分。α-炔基烯酮与KRA的[4+1]环化产物与[2+1]环化产物也是一对区域异构体,也很难通过核磁区分(后续经验发现可由苄基氢区分)。有人底物拓展时写错了核磁编号,只靠核磁无法区分两个不同苯基上的对甲基产物,也无从区分对氯苯基和对溴苯基的两种化合物。

注意,一对对映异构体的核磁是完全一样的。一对非对映异构体的核磁必有区别,但即使计算耦合常数,也难以通过核磁确定其构型(环丙烷行,五元环不行)。换言之,相对构型一致,核磁就一致。绝对构型不同,核磁不一定不同。

个人认为,核磁虽起手先入为主,但最终要实事求是。核磁的目的不是按部就班、应付公事,是为人提供化合物结构与纯度的信息,而这些信息又需要人的处理和分析才能发挥作用。草草打完核磁,扔在一边看都不看,数据也不下载保存,有何用处?

二、不是所有的原子核都可以打核磁

核磁的全称是“核磁共振波谱”。只要原子核自旋量子数I ≠ 0就有核磁共振效应。由于 I = 1/2的原子核的信号易于检测和解析‌,故1H、11B、13C、19F、31P等I = 1/2的原子核才有核磁谱图

读者须知:1/11/13/19/31等原子符号左侧的数字必须上标。但公众号编辑器做不到,故下文全部采用以上写法。

三、不同原子的核磁长什么样,有什么用,好扫吗?

氢谱(1H NMR)长得像心电图,但基线平滑。氢谱给出的信息最丰富:化学位移(靠校准+标峰)、偶合常数(由峰的位移计算)、积分。利用上述信息,可以推测氢在碳链上的位置、种类和数量。氢谱既可以积分,也可以标峰——既可以定量也可以定性。由于能产生核磁共振的氢同位素(1H)的自然丰度极高,所以氢谱扫起来很方便。除高分子化合物或加内标定量分析等特殊情况,氢谱自动上样时的ns(number of scans)默认等于8(俗称“扫8圈”,下同),多扫无益。

碳谱(13H NMR)像许多竖线(信号峰)垂直插在水平地面(基线)上。常见的碳谱是定性碳谱:化学位移、偶合常数(仅限含氟化合物等)和碳的种类(一条竖线代表一种碳)。除定量碳谱之外,否则原则上不能积分。由于能产生核磁共振的碳同位素(13C)自然丰度较低,所以碳谱出峰困难,自动上样时默认扫200圈,扫的圈数越多,信号越清晰,而杂质也会愈发明显。测试时,碳谱需要对氢去耦(记作13C{1H} NMR),否则即使化合物不含氟,碳谱也会裂分。

氟谱(19F NMR)、磷谱(31P NMR)长得像碳谱,提供的信息也与碳谱一致(一条竖线代表一种氟/磷)。氟、磷产生核磁共振的同位素(19F、31P)自然丰度很高,扫起来与氢谱一样迅速。测定时二者需要对氢去耦(记作19F{1H} NMR/31P{1H} NMR)。以氟谱为例,多数时候芳环上仅有一个F,去耦与否没有区别。如F在烷基链上或芳环上有两个以上的氟,未去耦的氟谱会出现裂分,而不是清晰可辨、易于研判的单峰。

硼谱(11B NMR)像粗糙的HPLC谱图,往往有两个包峰。δ = 9.7 ppm的是核磁管所用硼化玻璃的峰,使用昂贵的石英核磁管可以最大限度地压制此峰。另一个是目标化合物的硼峰。硼产生核磁共振的同位素(11B)的丰度不算低,但硼谱出峰却很困难,可以理解为难扫的碳谱

四、不同原子的核磁兆数换算

核磁的兆数简写为M,全称MHz。核磁兆数,无论300M、400M、500M、600M、850M等均按氢谱计。换言之,在400M打氢谱,氢谱就是400M。理论值和Mestrenova的自动显示一致。

500M的碳谱兆数为125M,600M的碳谱兆数为150M,恰是氢谱兆数的1/4。Mestrenova上自动显示为126M和151M(比理论值+1)。具体写哪个看课题组习惯。

500M的氟谱兆数为470M,600M的氟谱兆数为564M,是氢谱兆数的0.94倍。Mestrenova上自动显示为471M和565M(比理论值+1)。具体写哪个看课题组习惯。

500M的硼谱兆数160M,600M的硼谱兆数192M,是氢谱兆数的0.32倍。Mestrenova上自动显示为161M和193M(比理论值+1)。具体写哪个看课题组习惯。

兆数直接关系到耦合常数的计算。可惜碳谱兆数经常有人写错,例如明明是150M打的,非要写成125M乃至600M。

五、溶剂、匀场与核磁兆数对谱图的影响

同一个样品,同一种氘代溶剂,放在500M和600M下打,氢谱化学位移和峰型都不变,唯一变化的是耦合常数(化学位移差与核磁兆数的乘积)。如果化合物不含氟,碳谱几乎一致。如果含氟,每个裂分峰的位移会变。

同一个化合物,在不同氘代溶剂中打核磁,谱图可能完全不一样。峰的化学位移、峰型都会大变。

同一个样品,高质量的匀场(shim)使峰的区分度高、细节清晰;低质量的匀场,峰会矮胖变宽,相近的峰会粘连在一起。故如下情景完全可能发生:文献上报道为m峰,你看到的却是d、t的混合峰。此外,受氟原子的影响,含氟化合物的氢谱会带花纹,细节比不含氟的化合物更丰富。

概括地说,匀场与装样关系最大,锁场几乎只与氘代溶剂有关

因此,与文献核磁进行对比时,必然存在偏差。一般是所有化学位移集体变大或变小且幅度相同,峰型也会有出入,但积分变化不大。如果不同峰偏移方向各异,不一定是你错了,因为文献也不一定准确。

假设底物拓展时,存在两个结构相似的化合物A与B,TopSpin显示匀场均正常。化合物A谱图细节丰富,某个峰虽然长得像d,但多了个小裂口故记为m;化合物B谱图细节不足,峰的裂口被抹匀了,故记为d峰且耦合常数位于正常范围。这很常见且两者都可接受,因为这是样品浓度、均匀度、核磁管清洁度乃至核磁仪器本身引起的随机波动。换言之,打核磁时显示匀场正常,不一定代表匀场质量高(有概率难看),但打核磁时匀场报错,你的谱图一定很难看。

整理数据时,氢谱细节越丰富越好,不要擅自使用lb指令将谱图细节抹平(个人愚见renova做不到,但是TopSpin和NUTs可以)。

六、锁场为什么会失败,如何处置?

①未使用氘代试剂或忘记上样(手动进样时);②使用特制核磁管(无水无氧式)或在核磁管外粘标签导致核磁管卡住,未能下行进入磁体;③核磁管外壁太脏(指纹、汗渍、灰尘等);④核磁管内有沉淀或呈浑浊状;⑤使用氘代DMSO作配样,但赶路、等待时气温降低致其凝固;⑥锁场时选择的氘代试剂与实际使用的氘代试剂不符;⑦样品存在顺磁性物质,例如部分有机铜物种。

针对第六条,有两点注意事项:① 如果所选与所用结构相似,比如用氘代DCM配样却选择氘仿的锁场程序,锁场反而有可能成功,结果本应是5.32 ppm的溶剂峰位移偏至7.26 ppm,谱不能用。②若使用混合溶剂,应首先找锁场程序中预装的混合溶剂选项,如果没有,请选用含量较多的一种进行锁场。

七、匀场为什么会失败,如何处置?

匀场报错一般提示“Too many points lost during fit”或“FieldMap-signal-to-noise is too low”。可能原因:①样品存在不溶物(氘代试剂选错、温度降低析出)或在低气温下用氘代DMSO测样;②核磁管内壁存在白色痕迹或灰尘、硅胶等杂质;③氘代试剂加少了,高度不足3 cm;④样品浓度过高,配样时能看见粘稠液流(理论上样品太稀也会导致匀场失败但我没遇到过);⑤核磁管放错位置:核磁管底端距量规白色衬底高1 mm,而不是非要照着量规侧面的导引框调节高度;⑥磁体本身问题:存在温度梯度、需要优化等。

针对第五条,解决方法有二:①当报错为“Too many points lost during fit”,可以在指令行输入rsh调用最近一次匀场文件重新匀场,但这是手动操作,需要请教管理员学习;②请管理员进行氘的90°脉冲定期校准(核磁优化)。