
有机化学硕博经验分享(15):氘代试剂与核磁溶剂峰
2025年08月04日 18 次浏览编者按: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)。
五、氯仿“带一下”有何诀窍?
几乎所有溶剂都含氢,故打核磁时样品和溶剂的H都会出峰。而溶剂的量远远大于样品量,溶剂峰会掩盖样品峰,所以用氘取代溶剂中的氢就能大大减少溶剂对样品信号的干扰。有人会问,四氯化碳或二硫化碳等溶剂不含氢、沸点高还性质稳定,用来打核磁不好吗?可惜,核磁共振波谱仪的高分辨率是根据氘的信号锁场(lock)而实现。因此打核磁只能使用氘代溶剂。
氘的数量越多,氘代溶剂价格越高。易知氘代氯仿是最便宜的氘代溶剂(常用100 mL或100 g包装,平均约200元一瓶),加之氯仿溶解性好,所以也是最常用的氘代溶剂。氘代二氯甲烷(2个氘)10 mL售价约500元,氘代苯(6个氘)100 g 售价约2800元,氘代DMSO(6个氘)25 g 售价约700元,氘代四氢呋喃(8个氘)5 g 售价约1500元,个个贵得离谱还容易断货,万不得已要用时请务必珍惜。
样品如果在氘代氯仿中溶解度差,建议尝试氘代DMSO。注意氘代DMSO容易吸潮,如果水峰高得离谱就要换新一瓶使用。如果是稠环化合物,还可以考虑在氘仿中加入适量氘代三氟乙酸助溶。
“定标值”是所有论文SI的general information(实验通则)必然包含的内容。 但是总有人整理数据时会忽略。须知,氘(2H)的I =0,故没有核磁共振效应。因此,溶剂的氢被氘代后是不出峰的,下文所有定标峰都是氘代溶剂上残留的H的峰。换言之,一瓶氘代试剂中,并不是每一个分子都被完全氘代,极少数没被完全氘代的分子在核磁中产生了溶剂峰,也就是“定标峰”。
氢谱:氘代氯仿(CDCl3,简称氘仿或氘氯)一般以7.26 ppm的单峰定标;如果含有四甲基硅烷(TMS)内标则以0.00 ppm的单峰定标(除了氯仿外其他氘代溶剂都不会加入TMS),具体选哪个看课题组习惯。氘苯(C6D6)以7.16 ppm的单峰定标;氘代DMSO(DMSO-d6)以2.50 ppm的五重峰(p)定标;氘代二氯甲烷(CD2Cl2)以三个峰(等高)的中间值定为5.32 ppm为准;氘代甲醇(CD3OD)以3.31 ppm的五重峰(p)定标;氘代乙腈(CD3CN)以1.94 ppm的五重峰(p)定标。实操中,由于核磁分辨率有限,氘代DMSO和氘代二氯甲烷看起来都很像单峰。
碳谱:氘代氯仿以三个峰(等高)的中间值定为77.16或77.10 ppm为准,具体选哪个看课题组习惯。氘苯(C6D6)以128.06 ppm定标;氘代二甲亚砜以39.52 ppm的七重峰(sept)定标,氘代二氯甲烷(CD2Cl2)以54.00 ppm的五重峰(p)定标,氘代甲醇(CD3OD)以49.00 ppm的七重峰(sept)定标,氘代乙腈(CD3CN)以1.32 ppm的七重峰(sept)或118.26 ppm定标。
氟谱:以三氯氟甲烷(CFCl3)0.00 ppm 定标。硼谱:以三氟化硼乙醚(F3B·OEt2)0.00 ppm 定标。上述二者不需要进行人为定标操作,打开谱图后化学位移是多少就记录为多少。如使用NUTs,可能出现位移错乱,此时以Mestrenova为准。
请注意,一份工作中所有化合物都遵循一致的定标标准。如果氢谱以TMS定标,少数化合物打核磁时用了不带TMS的氘代氯仿,建议重新收谱。不要搞特殊,不要心存侥幸,不要幻想着老板发现不了。
三、核磁中常见哪些溶剂峰?
常见溶剂峰总结如下(溶剂氘仿,单位ppm):①真空硅脂 (grease)的氢谱峰是0.07 (s) 或 1.26 (s),碳谱峰是0或29.8 ppm;②石油醚氢谱峰 1.2-1.4 (m),碳谱峰是 29-33 的三个单峰;③EA的氢谱峰有三个,同时出现且积分正确才能确定:1.2 (t, 3H), 2.1 (s, 3H), 4.12 (q, 2H);④水氢谱峰1.6 (s),但如果核磁管内有水珠,则在5.0左右出现诡异大包;⑤THF氢谱峰是 1.9 (m) 和 3.8 (m);⑥甲苯氢谱峰 2.4 (s),芳香区往往与产物交杂看不清;⑦甲醇氢谱峰3.5 (s);⑧dioxane与DCE的氢谱峰都是 3.7 (s),与甲氧羰基和甲氧基苯基相似;⑨DCM氢谱峰5.35 (s),碳谱峰53.5,注意有些苄基氢、烯基氢的化学位移也可能在此;⑩氯仿氢谱峰7.26 (s),碳谱峰77.36(位于氘仿三个峰的左、中峰之间)。
四、怎么去除核磁溶剂峰?
溶剂峰是打核磁时最常见也较容易去除的杂质峰。注意:①收纯谱时,溶剂杂峰比较矮可以接受(不必重收),至于“比较矮”是多么矮,取决于主观判断。如果溶剂峰与信号峰(1H)一样高,谱肯定是不能用的。② 不该出现的溶剂峰不能出现。例如,粗谱中除了石油醚(原料带入)、水峰、反应和后处理所用溶剂峰(EA/DCM)之外,不应有其他溶剂峰,否则数据有造假嫌疑。之所以作此提醒,是因为有人记录本写EA萃取实际用了DCM,有的在反应/后处理中加错了溶剂(本该DMF却加成PhMe,回过味来抽干甲苯再补加DMF),导致粗核磁引入其他溶剂峰。只要不上称就不是个大事儿,问题是秤在别人手里。
下文所有数据均以氯仿为溶剂,单位ppm。
① 真空硅脂
真空硅脂的化学位移,不同文献说法各异,实操中都遇到过。一般地,如果硅脂在氢谱上是位移略大于TMS的单峰,那么即使其浓度大到在碳谱上出现(0左右单峰)也无可厚非。然而,如果硅脂是石油醚附近(1.26)的图钉式单峰就令人非常头疼。原因①该种硅脂一旦出现,其在碳谱上几乎必然十分显眼(~30),故即使氢谱看着不错,碳谱也不能要;②现有纯化手段很难去除该种硅脂,石油醚冲淋收效甚微,重结晶也不能完全保证效果。
故样品一旦被该种硅脂污染,应考虑重新开反应,并确保①原料没有被该种硅脂污染;②使用拧口瓶而不是带旋塞的支口瓶开反应:防止溶剂受热蒸发、冷却并将支口处硅脂溶解带入反应体系;③后处理所用的所有旋塞、真空塞均未涂抹硅脂。
② 石油醚
常用石油醚沸程60-90℃,核磁中的石油醚峰主要来自其中残余的高沸点石油醚或塑化剂(很罕见,可能从塑料桶和塑料滴管引入)。要么石油醚峰几乎没有或很矮,要么明显到用油泵抽、氯仿“带”等常规手段也收效甚微。处理方法:① 固体使用重结晶或超声:固体浸入正己烷后超声1-3分钟,吸净所有液体再抽油泵;② 油则使用低沸点石油醚(沸程30-60℃)、正己/戊烷或重蒸石油醚:纯PE冲40 mL,再用比化合物极性略大的极性冲下来(比如化合物正常过柱用10/1,重新过用8/1)。因为石油醚中有些杂质需要略带点极性才能冲掉。其中方法②是通用方法,无论固体、泡沫或油均适用。
预防石油醚杂峰的手段:①建议实验室采购并使用Adamas的石油醚,这是诸多品牌中质量最稳定的一款;②建议实验室搭建重蒸石油醚的永固装置(80℃回流);③正常石油醚的气味醇厚而略寡淡,一旦闻到石油醚中有汽油味或杀虫剂味,说明其已被高沸点物质污染,切勿使用并协调退货。
一些经验:①如果旋蒸浓缩时注意到瓶子内壁出现乳白色液膜或苍白色蜡状薄层,几乎可以确定其中存在抽不掉、带不走的高沸点杂质。如果产物不怕热,可以抽油泵的同时用热风枪吹,可见瓶颈与抽头弯口处“发汗”,说明大部分已被吹走,核磁可能依然明显,但算产率准确多了;②一般地,如果过柱所得化合物小于20 mg,大概率存在不可忽视的PE峰;如果小于10毫克,PE峰必然高到不可容忍;换言之,如果化合物量少,那么即使重新过柱,石油醚峰也很难除去;③有时氢谱的PE较明显,但碳谱怎么都扫不出来;有时氢谱PE比较矮,但碳谱却能扫出峰来。
③ 乙酸乙酯
与刻板印象不同的是,乙酸乙酯并不是常用溶剂中最难去除的,DCM才是(后文会解释原因)。一般只有使用PE/EA=5/1及以上的大极性洗脱剂或产物较多(≥1 mmol)时,即使已经抽成泡沫,核磁也可能有EA残留。如果泡沫状样品量少却保持油状粘在内壁(没起泡),那么EA一定没抽干。处理方法:①油泵抽到起泡并抽久一点;②用氯仿“带一下”;③两者兼用。
④ 二氯甲烷
由于滴管和核磁管等细长玻仪,烘干可能不到位(75℃烘30分钟以上);重结晶所得固体(哪怕像晶体)会包夹DCM等原因,DCM反而是不容易除掉的溶剂。注意,如XRD测试用的单晶晶胞中包含DCM,打谱时DCM峰即使有也一定不高,可以接受,不要紧张。
五、氯仿“带一下”有何诀窍?
氯仿(三氯甲烷)与化合物内残留的溶剂形成共沸物,在旋蒸、抽油泵时将其去除,足以有效清理绝大多数溶剂峰。只要没有高沸点石油醚或其他杂质,氯仿“带一下”几乎能确保拿到纯谱。另外,氘代氯仿(简称氘仿)是最常用的氘代溶剂,只有一个氘,必然存在的少量未氘代的氯仿就是普通氯仿,故即使核磁氯仿峰较高,也没关系。
但是,氯仿沸点较高,容易抽不干净,因此带来两个疑点:① 氢谱氯仿峰高(7.26)一般会引起碳谱氯仿峰明显(77.36,在氘代氯仿左中两峰中间长出一根刺),严格来说不算纯谱;② 上一条说明氯仿残留严重,所以产率也有水分。此外,氯仿是易制毒化学品,买起来麻烦,用得太快易引起不满。所以,万一导师较真,真不好收场。
我有三个建议:① 主要靠油泵抽(技巧参见第十二章),不要依赖珍贵的氯仿;② 100 mg及以下的化合物,氯仿用量在1.0 mL左右足够,而且只在去除EA时才用,严禁浪费;③ 自费购买氘代氯仿(贵但不管制),用它“带一下”,可保万无一失。