x -核磁共振波谱学

核磁共振(NMR)光谱学并不完全是关于质子的，尽管人们通常认为这是由于核的出色灵敏度及其在有机化学中的广泛应用。事实上，更多的核磁共振是活跃的，可以用来建立一个更好的化学图像。氟-19核磁共振在从制药到锂离子电池的应用中非常有用，多年来一直可用在台式核磁共振仪器上。宽带通道，能够从各种不同的核(所谓的x -核)收集光谱，直到现在仅限于高场核磁共振应用。然而，X-Pulse首次向台式计算机提供了真正可调谐的宽带通道，使研究系统不容易用质子进行分析。本文概述了牛津仪器x脉冲宽带台式核磁共振光谱仪可以研究的许多核，并提供了应用实例。

当第一批商用核磁共振仪器在20世纪50年代初问世时，他们分析了一个单一的核:氢-1 (1H，质子)。许多年后，商业多核光谱仪才问世。它们很快成为学术界和工业界的分析支柱，推动了化学、生物技术、制药、聚合物和能源等领域的发现。台式核磁共振仪器以更紧凑、更低维护的形式提供核磁共振功能，遵循了类似的(如果更快的话)发展路径。2009年第一台单核光谱仪问世后，很快就出现了双核和三核光谱仪。仅仅十年后的2019年，首个真正的宽带多核台式核磁共振光谱仪X-Pulse推出，极大地将台式应用扩展到学术和工业领域，此前仅用于传统的高场光谱仪。
现代核磁共振光谱仪通常包含三个不同的核通道:一个用于锁定信号，传统上优化用于氘(2H，氢-2);第二秒用于质子和氟-19 (19F)信号;第三个是x通道，是另一个核，通常被核磁共振波谱学家称为x核。x脉冲宽带仪器的引入使操作人员能够在许多不同的x核之间快速调谐。这是首次在单一的台式平台上，运营商可以在任何时候从广泛的频率范围中选择他们所选择的核。应用范围不再局限于在购买仪器之前必须预先选定的一两个附加核。此外，含有许多不同原子核的化学物质的结构和性质现在可以被全面地描述。

X-Nuclei

许多元素可以通过核磁共振观察到，但不是每个元素的每个原子都可以。化学元素的不同在于原子核中的质子数(它们的原子序数);一种元素的每个原子都有相同数量的质子。然而，同一种元素的原子在原子核中可能有不同数量的中子，从而产生多种同位素，每种同位素都有独特的原子质量。原子核的这种不同组成改变了它们的物理性质，影响了它们对核磁共振光谱学的适用性。表1总结了一些与所选同位素的核磁共振光谱相关的性质。
核自旋就是这样一种物理性质。原则上，所有具有非零核自旋的核都可以通过核磁共振波谱观察到。在实践中，其他因素，如同位素的丰度、灵敏度和典型线宽，使得一些原子核比其他原子核更容易分析。
在自然界中，大多数化学元素都是同位素的混合物。核磁共振信号与样品中产生该信号的核的数量成正比，因此核磁共振活性同位素的丰度极大地影响分析的容易程度。对于自然丰度较低的同位素，同位素富集可提高灵敏度;样本中低丰度同位素的百分比翻倍，信号就会翻倍。一个日常使用的例子是氘化溶剂的使用，其中氘(2H)的百分比通常从其自然丰度0.0115%增加到99%或更高，以提供强烈的氘锁定信号。
另一个需要考虑的问题是，每种核磁共振活性同位素都有不同程度的灵敏度，这与它产生的信号频率有关。在一个固定的磁场中，每个同位素以一个特征频率共振(称为拉莫尔频率)。虽然术语“拉莫尔频率”可能对普通NMR用户不熟悉，但他们可能每天都在使用它，因为磁铁强度通常表示为1H拉莫尔频率(例如，X-Pulse 1.4特斯拉磁铁为60 MHz)。在所有其他因素都相同的情况下，在固定的磁场中，产生较高频率信号的同位素会更敏感。除了低丰度的放射性氚(3H)同位素外，高丰度的质子(1H)具有最高的灵敏度，这是其在NMR中受欢迎的主要原因。
同位素的可接受性量化了核磁共振光谱观测的总体便利性，包括自然丰度和物理性质。可受性通常是相对于质子或碳-13的(如表1所示)。比较不同同位素的值表明，观察1H几乎比观察13C“容易”6000倍。核磁共振波谱中的低接受度可以通过增加样品浓度、进行更长时间的实验(增加扫描次数)和选择旨在提高灵敏度的特定实验来克服。
除了核的性质，核磁共振光谱仪的能力也是一个关键的考虑因素。为了分析原子核，核磁共振光谱仪硬件必须设计成在拉莫尔频率下工作。不同的原子核可以有非常不同的拉莫尔频率;例如，质子在1.4特斯拉磁铁上的共振频率为60mhz，而13C的共振频率仅为15mhz。作为核磁共振谱仪范围的一个例子，X-Pulse上的宽带通道可以在1.4特斯拉下分析拉莫尔频率在11 - 25 MHz之间的核;这个范围内的原子核包括13C, 31P, 7Li, 11B, 23Na, 27Al和29Si。

表1:所选同位素的核磁共振性质。数据来源:Pure app。化学。， 2001, 73, 1795-1818。

碳-13核磁共振波谱

由于碳在有机化学和生命科学中的重要性，碳-13 (13C)可能是核磁共振波谱学研究的第二大核，仅次于质子。然而，由于其低自然丰度和回旋磁比，它具有任何核磁共振活性核的最低接受值之一。事实上，如果不是因为它无处不在的性质，13C NMR很可能是核磁共振波谱学研究的一个不寻常的原子核，而不是其发展的驱动力之一。相反，核磁共振波谱学家已经开发了许多有用的技术来检查这一关键元素，例如二维质子-碳相关实验。

13C核磁共振谱通常使用一种称为解耦的技术来获得，以去除质子-碳耦合，这极大地简化了谱并提高了信噪比。大多数小有机分子通常会产生质子解耦的13C(通常表示为:13C{1H})核磁共振谱，由δC 0到+200 ppm的化学位移范围内的一系列尖锐单线态组成。与1H和19F NMR光谱不同，标准13C NMR光谱中信号的峰值面积通常与样品中的碳原子数量无关，这使得光谱在定性而非定量应用中更有用。
例如，巴豆酸乙酯的13C NMR谱(图1)清楚地区分了不同的碳环境。羰基碳在δ c166ppm，烯烃碳在δ c120 ~ 145ppm，醚邻碳在δ c60ppm，甲基碳在δ c10 ~ 20ppm。
图1:CDCl3中巴豆酸乙酯的13C{1H}核磁共振谱。

磷-31核磁共振谱

磷-31 (31P)核磁共振波谱通常用于配位化学，因此催化，其中经常使用含磷配体(例如图2a所示的配体)。此外，由于磷酸盐(PO4 3−)在许多生化途径中的重要性，在药物和膳食补充剂中发现了含磷化合物，这些化合物可通过NMR进行研究。此外，还有许多含磷的阴离子，例如六氟磷酸盐(图2b)，通常用于锂离子电池。与13C核磁共振光谱一样，31P光谱通常是质子去耦的，在δP−180到+250 ppm的广泛范围内通常给出清晰的信号。
由于广泛的化学位移范围和大多数含磷化合物只有几个磷原子的事实，31P核磁共振波谱是区分它们的理想选择。例如，三苯基膦{PPh3}、三苯基膦氧化物{OPPh3}、三苯基亚磷酸酯{P(OPh)3}和三苯基磷酸{OP(OPh)3}具有来自苯基环的有效相同的1H和13C NMR谱，但可以很容易地通过它们的31P{1H} NMR谱进行区分(图2a)。

图2a:三苯基膦、三苯基膦氧化物、三苯基亚磷酸酯和三苯基磷酸的31P{1H}核磁共振谱。

图2b:六氟磷酸盐阴离子的31P NMR谱;插入相应的19F核磁共振谱;1JPF = 706 Hz。
硼-11核磁共振波谱
与1H、13C和31P不同，硼-11 (11B)是一个四极核(这意味着它的核自旋大于1/2)，这导致它具有不同的NMR性质。自旋为3/2的11B通常比自旋为1/2的原子核产生更宽的信号，在δB−120到+ 90ppm的范围内观察到。含硼化合物有广泛的应用，包括作为刘易斯酸催化剂和铃木交叉偶联反应(2010年诺贝尔化学奖);因此，它们通常被用作精细化学品和药物合成的中间体。
11B核磁共振光谱的一个复杂问题是，通常用于制造核磁共振管的玻璃以及核磁共振光谱仪的组件都含有硼，通常会导致核磁共振光谱中的背景信号。这种背景信号可以通过适当的硬件和实验设计最小化甚至消除。如图3a所示，虽然在高场仪器上获得的光谱中存在背景信号(导致基线上有一个宽而平坦的驼峰)，但在X-Pulse上收集的光谱中没有任何可见信号。
由于11B是一个四极核，其核磁共振信号的线宽强烈依赖于分子的大小和硼中心周围的对称性。例如，图3a所示的四坐标四面体四(芳基)硼烷的峰宽为20hz;而图3b所示的三坐标三角平面硼酸衍生物的峰宽大于200 Hz;图3c中的小四面体四氟硼酸盐阴离子的峰宽小于1hz。因此，简单的线宽测量硼的光谱可以是结构和对称性的探针。
图3c中四氟硼酸盐阴离子的光谱显示了核磁共振波谱中四极核的一个重要特征。核磁共振基础课程教授“n+1规则”，用于多频集中的峰值数量:如果一个核有n个等效的最近邻居，他们将把信号分成由n+1个峰值组成的多频集，峰值强度使用帕斯卡三角预测。然而，这个规则只适用于自旋1/2原子核，如1H、13C和19F。因此，当11B光谱显示出一个1:4:6:4:1的五pentet是由耦合到四个等效自旋1/2 19F原子核引起的，而对应的19F光谱(插图，图3c)显示一个1:1:1:1:1的四重奏是由于耦合到一个自旋3/2 11B原子核引起的。相反，耦合到一个自旋1/2的原子核会产生1:1的双态(参见[PF6]−，图2b，插入)。

图3a: X-Pulse(蓝色，上)和高场仪器(橙色，下)记录的四(芳基)硼烷的11B核磁共振谱;半高处的峰值宽度为20hz。

图3b:一种苯硼酸pinacol酯的11B{1H} NMR谱;半高的峰值宽度为> 200 Hz。
图3c:四氟硼酸盐水溶液11B NMR谱;插图为对应的19F NMR谱;半高处峰值宽度< 1hz;1JBF = 2hz。

钠-23核磁共振波谱

钠是地球上含量第六多的元素，在生物体内无处不在。此外，含钠化合物是有机金属化学中有价值的试剂。此外，钠是非常广泛的物质的组成部分，从食品和饮料到药品，石油添加剂和聚合物，仅举几例。
与11B一样，钠-23 (23Na)是一个四极核，线宽强烈依赖于局部对称性和分子的大小。在δNa +10 ~ - 60ppm范围内可以观察到23Na信号。水溶液中的钠阳离子给出接近0 ppm的尖锐信号(图4)。

锂-7核磁共振波谱

与钠一样，含锂化合物是有机金属化学中有价值的试剂。与钠不同，锂没有已知的生物学作用，尽管它被用于制药。锂的一个快速增长的应用是在能量存储系统和含有Li+阳离子的溶液中，例如那些用于电池的溶液，这些溶液可以通过核磁共振波谱进行研究。
与11B和23Na一样，锂-7 (7Li)是一个线宽强烈依赖于分子对称性和大小的四极核。7Li信号出现在δLi +15到−20ppm的范围内。和钠一样，水溶液中的锂阳离子在接近0 ppm时会发出尖锐的信号。
图5显示了二烷基碳酸酯中锂阳离子的一系列脉冲场梯度自旋回波(PGSE)核磁共振谱，通常用于锂离子电池。通过在不同梯度强度(0 ~ 0.26 T.m−1)下获得这些光谱，可以直接测量Li+的扩散系数。扩散系数的知识对电化学数据的分析很有价值，因此在电池和超级电容器的开发中也很有价值。

图5:二烷基碳酸酯中Li+的7Li PGSE核磁共振光谱系列，用于测量电池电解质中的扩散系数。

硅-29核磁共振波谱

硅是另一种极其丰富的元素，具有许多工业用途，包括计算机和电子产品的主要组成部分，以及玻璃的主要组成部分。虽然硅的一些最常见的应用是固体形式，但硅-29 (29Si)台式核磁共振波谱在其他应用中也很有用，例如聚硅氧烷(硅酮)及其单体前体的分析，它们有一系列的应用，包括作为粘合剂、润滑剂和密封剂，以及在医学和家庭中的应用。
像13C一样，29Si由于其低的自然丰度和陀螺磁比，具有低的接受度。光谱通常使用反门控质子解耦获得，产生尖锐的信号，同时最大限度地减少其他解耦方法可能产生的29Si信号的减少。信号出现在δSi−350到+175 ppm的非常宽的范围内。在13C NMR中使用的一些提高灵敏度的方法也适用于29Si NMR。例子包括使用自旋锁极化(图6a)和二维hbc(图6b)脉冲序列，其中激发的是接受性较高的质子，而不是x核。
图6a显示了两个信号，分别对应于两个硅环境，而图6b中的HMBC二维相关谱显示了29Si和1H频率的交叉峰，这些交叉峰清楚地将这些硅信号与附着甲基上的氢联系起来。这种hbc光谱针对双键耦合(Si-C-H)进行了优化，因此Si-H键不会出现在光谱上。

图6a: 1,1,3,3,5,5-六甲基三硅氧烷的29Si-1H自旋锁极化NMR谱。

图6b: 1,1,3,3,5,5-六甲基三硅氧烷的1H-29Si HMBC NMR谱。
Cobalt-59核磁共振波谱
钴-59 (59Co)在核磁共振波谱学的发展中发挥了重要作用，因为它是第一个观察到不同化合物化学位移变化的核。由于许多钴化合物是顺磁性的，59Co核磁共振波谱通常仅限于低自旋钴(I)和钴(III)配合物，这些配合物在任何原子核的最大化学位移范围δCo - 4000到+ 14000 ppm，使59Co成为一个有趣的教育目的的原子核。59Co核磁共振波谱也应用于有机金属和配位化学的研究和开发，以及含钴金属酶的研究。在这个例子中(图7)，钴(III)配合物[Co(CN)6]3−和[Co(en)3]3+ (en =乙二胺)的化学位移被观察到分离了7093 ppm。
图7:水溶液中[Co(en) 3]3+和[Co(CN) 6]3−的59Co核磁共振谱。

总结

本文展示了x -核磁共振波谱的一些亮点，这些波谱可以很容易地使用单个x -脉冲宽带台式核磁共振波谱仪获得，以及它们的一些潜在应用。
X-Pulse探头的核间切换快速方便，只需要在软件中选择新核并针对新频率优化探头。在不同的x核之间切换通常需要不到两分钟的时间。
标准一维光谱显示，以及二维相关光谱和扩散测量的例子，使用标准包括x脉冲梯度。X-Pulse宽带核磁共振光谱仪为许多新的应用打开了大门，这些应用涉及在单一台式仪器上分析教育、研究和质量控制的多个核。