内卷”的核磁内标:TMS和氯仿,参考谁更准确?

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TMS(四甲基硅烷),对于经常做核磁波谱解析的伙伴们来说并不陌生,它往往被添加在商业化出售的氘代试剂中,作为精确参考待测样品化学位移的内标。事实上,它被国际纯粹与应用化学会(IUPAC)推荐为核磁内标已经有60年历史了。IUPAC推荐TMS有两点理由:(1)TMS与其它溶质分子无相互作用(它没有永久偶极),(2)TMS偏高场的甲基质子位移不易被干扰。然而,也有一部分伙伴喜欢参考氘代试剂的溶剂峰,例如,在最常见的氘代氯仿溶液中,残留氯仿的化学位移(7.263ppm)有时甚至取代TMS成为参考内标。那么问题来了:若核磁氢谱中TMS和残留氯仿峰都存在,到底参考谁更合适呢? 


坦率的说,笔者作为一名天然有机化学研究者,解读核磁氢谱有时参考TMS,有时参考残留氯仿,更多的时候是两者兼顾都参考一下。这在化学位移精确性要求不高的场合(例如解析新化合物没有可供参考的化学位移)似乎没有问题,但遇到需要更精准的化学位移信息时(例如通过化学位移探测样品中某种已知化合物的存在与否)就不行了。因此,合理选择核磁内标非常重要,却又容易被很多人(包括笔者自己)忽略。


近日,这个问题引起了国际著名化学家、美国明尼苏达大学(UMN)Thomas R. Hoye教授的重视。从直觉上判断,氯仿似乎更易受到溶质分子干扰,因为它是氢键供体,且有永久偶极。但真相真的是这样吗?Hoye教授团队做了一个有趣的实验,第一次将TMS和氘代氯仿放在一起同时进行研究,帮我们解开了这个谜题。


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Thomas R. Hoye教授。图片来源:UMN


要精确研究残留氯仿和TMS的化学位移变化,就要消除核磁不同批次测试造成的细微干扰和参数差异。传统的核磁管是这样的,显然无法避免这种干扰。


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图片来源于网络


Hoye团队创造性地采用同心轴式核磁管,实现了样品核磁测试的同步化(下图)。在这个同心管的内管中,他们加入含0.05% TMS且不含任何其它溶质的氘代氯仿溶液(99.8%D),作为空白对照(standard)。外管中分别加入含23种溶质和0.05%TMS的氘代氯仿溶液,且大范围改变溶质浓度。通过这种方式测试不同性质、不同浓度溶质对TMS和残留氯仿的影响。


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能同时测试含溶质(外管)和空白对照(内管)的TMS氘代氯仿溶液同心轴核磁管示意图。图片来源:J. Org. Chem.


他们以丙酮为例展示了实验结果。内管中的TMS和残留氯仿化学位移没有变化(内管中残留水峰的位移也不变),外管内的TMS和残留氯仿化学位移都随着丙酮浓度的增加而增加。残留氯仿相对于TMS化学位移变化更大,但TMS的变化说明它并非完全惰性(与丙酮存在微弱相互作用)。


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含不同浓度丙酮的氘代氯仿(99.8%)TMS(0.05%)溶液核磁氢谱。图片来源:J. Org. Chem.


同样,对于甲醇,在整个实验范围内,TMS和残留氯仿的化学位移变化与甲醇浓度呈良好线性关系。他们通过线性相关图中残留氯仿和TMS斜率之比分析二者的相对灵敏度(FOM),结果显示,残留氯仿相比TMS受甲醇浓度影响更大。


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残留氯仿和TMS化学位移变化是溶质甲醇浓度的函数。图片来源:J. Org. Chem.


事实上,在他们研究的23种溶质中,大多数(19种)都表现出残留氯仿和TMS化学位移均受到溶质浓度影响,且前者变化更大,表现为相对灵敏度(FOM)大于1。当溶质的官能团含氢键供体时,氯仿化学位移变化最大。当与氯仿性质相似的二氯甲烷作为溶质时,氯仿和TMS受到的影响一致(FOM为1)。4-氟硝基苯、6氟苯、TPPO则情况相反,TMS受到的影响大于氯仿(FOM小于1)。这可能与上述3种含苯化合物对氯仿质子产生屏蔽效应有关。这种屏蔽效应可能在一定程度上抵消了化合物与氯仿形成的氢键效应。他们的研究还发现溶质分子的偶极值与灵敏度(FOM)并没有显著对映关系。


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21种溶质的氘代氯仿(99.8%)TMS(0.05%)溶液灵敏度(FOM)值。图片来源:J. Org. Chem.


既然研究了氘代氯仿溶液中残留氯仿和TMS的核磁位移变化,那么其它常用氘代试剂(如氘代丙酮、甲醇、DMSO、苯)中残留溶剂峰和TMS变化趋势是怎样的?于是,他们以二乙醚为溶质,用同心轴核磁管做了类似实验,结果显示含这些氘代试剂的溶液TMS和残留溶剂峰受到溶质干扰程度非常相似,因此在这些溶液中参考TMS并没有氘代氯仿溶液中靠谱。


最后,文章幽默地总结道:世界上没有真正惰性的核磁内标,本实验表明,在氘代氯仿溶液中,参考TMS在大多数溶质情况(排除一些含苯基或有机硅烷化合物)下比残留氯仿可靠。或许样品的精确化学位移值并不是在每个实验场合都重要,但话说回来精确总比模糊好,何况参考TMS只是举手之劳,形成这样的习惯又何妨呢?

J. Org. Chem., 202287, 905–909, DOI: 10.1021/acs.joc.1c02590

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