核磁共振在化学中的应用

核磁共振技术在有机化学构型等方面的应用
摘要: 本文综述了核磁共振在复杂分子结构解析、光学活性化合物构型确定、有机合成反应机理研究、组合化学、高分子化学等方面的应用进展。

关键词: 核磁共振、化学构型
1 概述
核磁共振( Nuclear Magnetic Resonance ,NMR) 现象是1946 年由哈佛大学的伯塞尔( E. M.Purcell)和斯坦福大学的布洛赫( F. Bloch) 用不同的方法在各自的实验室里观察到的[1]。

六十年来,核磁共振波谱技术取得了极大的进展和成功.检测的核从1H 到几乎所有的磁性核;仪器不断向更高频率发展;从连续波谱仪到脉冲傅立叶变换谱仪,并随着多种脉冲序列的采用而发展了各种二维谱和多量子跃迁测定技术;固体高分辨核磁技术和核磁共振成像技术的出现[2]。

随着这些实验技术的迅速发展,核磁共振的研究领域不断扩大。

核磁共振提供分子空间立体结构的信息,是分析分子结构和研究化学动力学的重要手段。

在化学领域,核磁共振为化学家提供了认识未知世界的有效途径。

2 应用核磁共振确定有机化合物绝对构型
有机化学家常常需要确定合成或分离得到的光学活性化合物的绝对构型。

应用核磁共振方法测定有机化合物的绝对构型,主要是测定R和S手性试剂与底物反应的产物的1 H 或13 C NMR 化学位移数据,得到Δδ值与模型比较来推定底物手性中心的绝对构型[3] 。

包括应用芳环抗磁屏蔽效应确定绝对构型的NMR 方法和应用配糖位移效应确定绝对构型的NMR 方法。

表中,将计算的Δδ值与表中的配糖位移效应比较,确定底物仲醇手性中心的绝对构型。

2.1 芳环抗磁屏蔽效应确定绝对构型
利用芳环抗磁屏蔽效应测定有机化合物绝对构型最为典型的方法是应用 1 H NMR 和应用19 F NMR 的Mosher 法[4-5]。

1H NMR 的Mosher 法是将仲醇(或伯胺) 分别与(R) 和( S)-MTPA (α2甲氧基三氟甲基苯基乙酸) 反应形成酯(Mosher 酯) ,然后比较( R) 和( S)-MTPA 酯的1 H NMR 得到Δδ(Δδ=δS -δR ) , 在与Mosher 酯的构型关系模式图比较的基础上,根据Δδ的符号来判断仲醇手性碳的绝对构型。

19F NMR 的Mosher 法的应用前提是β位取代基的立体空间大小不同。

通常情况下,两个非对映异构体(R)和(S)-MTPA 酯中其它影响19 F NMR化学位移因素是相对固定的,19 F NMR 化学位移的不同主要是由于两个非对映异构体中羰基对19 F 的各向异性去屏蔽作用不同引起。

通过比较( R) 和(S)-MTPA 酯的19 F NMR 的化学位移值结合模型图确定手性中心的绝对构型。

2.2 配糖位移效应确定绝对构型
应用配糖位移效应通过核磁共振可确定二级羟基绝对构型,如运用13 C 的配糖位移效应来测定仲醇的绝对构型[6 -7]。

这种方法包括5 个步骤( 13 CNMR 图谱在吡啶里测定) :测定仲醇的13CNMR 图谱;合成仲醇β-D-或α-D-葡萄吡喃配糖体;测定β-D-或α-D-葡萄吡喃配糖体的13CNMR 图谱;计算葡萄糖单元端基碳、仲醇α碳和两个β碳的配糖位移;将已知绝对构型的仲醇的配糖位移Δδ值总结列于表中,将计算的Δδ值与表中的配糖位移效应比较,确定底物仲醇手性中心的绝对构型。

3 应用核磁共振解析复杂化合物结构
核磁共振技术是复杂化合物结构解析最为主要的技术。

利用该技术可以获得化合物丰富的分子结构信息,广泛应用于天然产物的结构解析。

其近期技术革新主要在于以下几个方面:探头、线圈和核磁管相关技术、固相核磁新技术、核磁共振
样品前处理技术和二维波谱新技术等[8]。

在天然产物分析中,核磁共振仪的检出限较其它波谱分析仪器为高,这对于产率较低的天然产物化合物来说无疑是一种瓶颈制约因素。

所以,研究和发展新的核磁共振技术来降低检出限就显得尤为重要。

除了提高有限的磁场强度外,更多集中在对核磁共振仪的探头、线圈和核磁管等的改进。

常规的5 mm 核磁管及相匹配的探头、线圈在NMR 谱测定时所需样品一般在mg 级以上。

近年来逐步发展了微量核磁管及相匹配的探头、线圈,使得样品的检出限大为降低,达到μg 级,甚至ng 级。

有关探头、线圈和核磁管相关技术的最新典型应用是Rus2sell 等应用3 mm 低温探头在500 MHz 核磁共振仪上测定了溶解在150μL 氘代苯中的40μg 士的宁的HSQC 谱,在相同的信噪比下比应用传统探头下所需积分时间降低12—16倍[9 ]。

此技术对于解析质量和容积有限的复杂天然化合物样品结构具有非常大的优点。

4 核磁共振在有机合成反应中的应用
核磁共振技术在有机合成中不仅可对反应物或产物进行结构解析和构型确定,在研究合成反应中的电荷分布及其定位效应、探讨反应机理等方面也有着广泛应用。

4.1 研究合成反应中的电荷分布及其定位效应
配合物中金属离子与配体的相互作用强弱虽然可以用紫外光谱、红外光谱、电化学等方法来研究和表征,但核磁共振谱能够精细地表征出各个H 核或 C 核的电荷分布状况,通过研究配合物中金属离子与配体的相互作用,从微观层次上阐释配合物的性质与结构的关系。

芳环上原子周围的电子云密度大小可以通过化学位移值得到反映,芳环碳上的电子云密度大小又与其连接取代基的电子效应有关,取代基对苯环的影响为诱导效应和共轭效应的综合。

可以通过单取代苯的13 C 化学位移计算常见基团的诱导效应、共轭效应及电子效应,进而根据电子效应强度值定量地表征定位效应、定位规律和苯环的活化与钝化[10 ]。

4.2 推测反应机理
有机合成反应对反应机理的研究主要是对其产物结构的研究和动力学数据的推测来实现的。

1H NMR 可以由积分曲线得到总质子数和部分质子数,以及由化学位移鉴别羧酸、醛、芳烃(有取代) 烷基、链烷基的质子和杂原子,断定邻接不饱和键等的甲基、亚甲基和次甲基的相关氢信息,从自旋2偶合讨论邻接基团, 或鉴别C1 至C4 的各种烷基结构;而13 C NMR 则可以确定碳数,同时还可以从碳的偏共振去偶法确定键合于碳上的氢数,以及鉴别SP3碳、SP2碳和羧基碳,并由羧基碳的化学位移等确定羰基碳的种类, 还可以确定甲基、芳基取代基的种类等获得相关碳的杂化形式、碳的骨架等信息[11]。

5 核磁共振技术在组合化学中的应用
组合化学的飞速发展拓展了常规固相NMR 技术的空间,出现了新的超微量探头。

魔角自旋技术(magic angle spinning , MAS) 的应用和消除复杂高聚物核磁共振信号的脉冲序列技术的出现,已经可以保证获得与液相NMR 相同质量的图谱。

高通量NMR 技术已经用于筛选组合合成的化合物库,成为一种新的物理筛选方法。

5.1 核磁共振在固相合成的应用
固相合成的特征是以聚合树脂为载体,载体与欲合成化合物之间连有官能团连接桥,欲合成分子通过连接桥逐步键合到树脂上,最终产物通过特定的切割试剂切落下来。

固相合成发展的一个主要障碍是缺少可以对反应历程进行实时监测的简单、快速、无破坏性的分析方法。

核磁共振光谱法是鉴定有机化合物结构的重要手段之一。

但是,对于与固相载体相连的化合物来说,高聚物的流动性有限,载体上有
机分子的流动性也很有限,这都会使谱线变宽,分辨率下降。

另外,载体骨架产生的背景信号会掩盖化合物的信号峰,使之难以辨别。

近年来,魔角自旋技术解决了这方面的困难,魔角自旋是指在偏离静态磁场54.7°下旋转样品,这个角度能将偶极偶合平均到零,消除了因固体或非均相溶液中磁化率的不同和样品表面以及边缘磁化率的不连续性造成的谱线加宽。

魔角自旋技术与一系列新技术在固相NMR 中的广泛应用,使谱图分辨率和谱线质量得到很大地提高。

目前,已经有多种固相NMR 技术应用于合成研究中。

如HR/ MAS-NMR 可以直接跟踪固相有机合成反应,为快速优化组合合成的化学反应条件提供了一个新方法[12 ]。

6 结束语
随着科学的进步和现代仪器的发展,核磁共振技术的发展很快。

通过与计算机科学的完美结合,核磁共振正在成为发展最迅猛、理论最严密、技术最先进、结果最可靠的一门独立系统的分析学科[14],不仅应用于化学学科各领域,而且广泛渗透到自然科学、医学应用和工业应用等各个方面,成为一个异常广阔的谱学研究领域。

参考文献
[ 1 ]毛希安,化学通报,1997 , (2) :13—16
[ 2 ]王江干,韶关学院学报(自然科学版) ,2001 ,22 (6) :64—68
[ 3 ]滕荣伟;沈平;王德祖;等,波谱学杂志,2002 ,19 (2) :203—223
[ 4 ] Dale J . A. ; Mosher H. S. ,J . Am. Chem. Soc. , 1973 , 95 ( 2) :512—519
[ 5 ] Sullivan G. R. ;Dale J . A. ;Mosher H. S. ,J . Org. Chem. 1973 ,38(12) :2143—2147 [ 6 ]Seo S. ; Tomota Y. ; Tori K. ;et al . ,J . Am. Chem. Soc. ,1980 ,102(7) :2512
[ 7 ] Seo S. ; Tomota Y. ; Tori K. ; et al . ,J . Am. Chem. Soc. ,1980 ,102 (25) :7618
[ 8 ]陈彬;孔继烈,化学进展,2004 ,16 (6) :863—870
[9 ] Russell D. J . ; Hadden C. E. ; Martin G. E. ; et al . , J . Nat .Prod. ,2000 , 63 :1047 —1049
[10]王进贤;席永盛,西北师范大学学报(自然科学版) ,1997 , (1) :101—1031
[11]范纯;施志坚;曹卫国;等,波谱学杂志,2001 ,18 (4) :383 —390
[12]张雪芹;潘远江;李杨,现代科学仪器,2001 (6) :29—33
[13]吴厚铭,生命科学,1994 ,6 (3) :19 —20
[14]裘祖义;裴奉奎,核磁共振谱,北京:科学出版社,1989。