核磁共振技术在化学领域的应用

核磁共振技术在化学领域的应用程晓春(淮阴工学院化工系,淮安,223001)

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、高分子化学和生物化学等方面的应用进展。关键词:核磁共振化学应用

1概述核磁共振(NuclearMagneticResonance,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(或)S手性试剂与底物反应的产物的1H或13CNMR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。211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1HNMR和应用19FNMR的Mosher法[4-5]。1HNMR的Mosher法是将仲醇(或伯胺)分别与(R)和(S)2MTPA(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)2MTPA酯的1HNMR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。19FNMR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)2MTPA酯中其它影响19FNMR化学位移因素是相对固定的,19FNMR化学位移的不同主要是由于两个非对映异构体中羰基对19F的各向异性去屏蔽作用不同引起。通过比较(R)和(S)2MTPA酯的19FNMR的化学位移值结合模型图确定手性中心的绝对构型。212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13C的配糖位移效应来测定仲醇的绝对构型[6-8]。这种方法包括5个步骤(13CNMR图谱在吡啶里测定):测定仲醇的13CNMR图谱;合成仲醇β2D2或α2D2葡萄吡喃配糖体;测定β2D2或α2D2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92第3期 核磁共振技术在化学领域的应用表中,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[9]。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5mm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3mm低温探头在500MHz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[10]。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。411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13C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[11]。412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。1HNMR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13CNMR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[12]。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(magicanglespinning,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。511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03四川化工 第8卷　2005年第3期面的困难,魔角自旋是指在偏离静态磁场5417°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/MAS2NMR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[13]。512核磁共振在高通量筛选中的应用组合化学的最终目的是快速发现有生物活性的先导物。NMR技术被开发用来研究混合物配体与靶点之间的相互作用、作用方式、配基的结构信息、结合常数以及结合强弱等。较具代表性的方法是基于NMR的构效关系法,通过检测蛋白靶点的化学位移变化来筛选低亲和力的配体,然后再将它们通过一定的化学方式连接起来,发现高亲和力的配体[14]。该法需要首先观察化合物与靶点蛋白混合物的15N-1HHSQC图谱中15N和1H化学位移的变化,筛选出与蛋白质某一作用位点相作用的有机小分子片段,然后采用同样的方法寻找出与另外作用位点相互作用的有机小分子片段。将它们连接起来以后,再利用15N-1HHSQC技术筛选一系列含有这两个“先导”结构片段的偶联化合物,最终得到高亲和力的配体。6核磁共振技术在高分子化学中的应用 核磁共振技术在高分子聚合物和合成橡胶中的应用包括共混及三元共聚物的定性、定量分析;异构体的鉴别;端基表征;官能团鉴别;均聚物立规性分析;序列分布及等规度的分析等。611使用液相核磁共振波谱技术在聚合工业中,用液体13CNMR分析的一个最典型的例子就是以乙烯为骨架的聚合物的分析。如乙烯2丙烯共聚物是一个嵌段共聚物体系,其中包括了复杂的共聚结构,可以对19—48ppm区域的13C信号峰进行总结和归属[15]。液体高分辨NMR可以提供聚合物的信息有:(1)聚合物类型的鉴定,不同单体生成的聚合物虽然同为大分子碳氢化合物,但其共振谱是不完全相同的;(2)有关聚合物链的异构化信息,链立体构型一般分为全同、间同和无规,不同空间构型其共振谱的化学位移将有微妙的差异;(3)通过液体13CNMR谱可以分别研究其不同单元组的序列分布、交替度和不同反应条件下聚合过程链活动度变化等聚合物微观结构信息。612使用固体核磁共振波谱技术固体NMR在高分子材料表征中的重要用途之一是形态研究[16]。高分子链可以有序地排列成结晶型或无规地组成无定形型,结晶型和无定形型相区在NMR中化学位移不同,可以很容易地加以区别。NMR技术的各种驰豫参数也可用来鉴别多相体系的结构。尤其当各相的共振峰化学位移差别很小时,驰豫参数分析相结构就显得格外重要。对于多相聚合物体系,如热塑性弹性体,其软、硬相聚集态结构和玻璃化温度存在明显差别,在NMR实验时,可利用软、硬段驰豫时间的不同分别研究软硬相的相互作用及互溶性。弹性体在玻璃化转变温度之上可以进行取向运动,且在高弹态时偶极耦合作用比玻璃态时小,特别适用于固体NMR进行结构分析。只要采用较低的魔角自旋转速及较低的偶极去偶功率,就可以得到高分辨的固体NMR谱,从而分析其网络结构。7核磁共振技术在生物化学中的应用 在生物化学领域,核磁共振技术已发展成为研究蛋白质溶液三维结构的独立方法,正受到蛋白质化学、生物工程技术乃至生命科学的广泛重视。711测定生物大分子溶液三维结构对许多蛋白质,NMR谱与X衍射给出相同的分子结构,但对另外一些蛋白质,则给出了不同的或差异较大的分子结构。因此NMR谱与X衍射可从不同的侧面描述分子的结构,二者互为补充。而NMR谱的独到之处在于观察是在溶液中进行的,这意味着可以近似生理条件。NMR技术可以通过研究不同溶液条件(温度,pH值,盐浓度和配体)下生物大分子物理性质的信息,进一步探讨其构象关系。NMR测定蛋白质结构的一个例子是对锯天牛蛋白质的研究[17],这已用在一系列危险疾病诸如疯牛病的研究中。已经证明,健康的锯天牛蛋白质分为两部分,近乎一半的蛋白质链在水溶液中为有序、13第3期 核磁共振技术在化学领域的应用较刚性的三维结构,而另一半则是无结构和极易移动的。712研究生物大分子的相互作用和开发新药物生物大分子主要是蛋白质、多肽、核酸(包括DNA和RNA)及糖类。由于生物条件下大(小)分子间的相互作用均在溶液中发生,因此用NMR法研究生物大分子的相互作用有特殊的优势,已经涉及的这方面研究有蛋白质与DNA的相互作用,蛋白质与脂质体的相互作用,抗原与抗体的相互作用等。在制药工业中,NMR可用于测定蛋白质和其它对新药所感兴趣的大分子的结构与性质,从而可以把药物分子设计成与蛋白质的结构相符合,这就象是开锁的钥匙一样。如果把小的药物分子绑在生物大分子上,大分子的NMR谱通常都要被改变。这就可以在开发新药的早期用来对大量候选药物进行“筛选”。8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[18],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。