基于核磁共振氟核的擴散排序譜(19F DOSY NMR)的實驗設計

劉雅琴 何 玲 余明新

(浙江大學 化學系， 杭州 310027)

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)波譜學是研究物質結構的一門學科，它在成分和結構分析方面有著較其它分析手段突出而明顯的優勢，對樣品的限制條件少、不破壞樣品，能盡量在保持樣品初態的情況下完成測試。氟元素(19F)的天然豐度為100%，自旋量子數為I=1/2，其磁矩為2.6273核磁子。在核數目相等、磁場相同的條件下，其相對靈敏度為質子的83.4%，在頻率相同的情況下為質子的94.1%[1，2]。因此，核磁共振氟譜(19F NMR)容易得到高分辨率的譜圖，且19F NMR檢測方法具有迅速、準確、分辨率高、對含氟化合物的選擇其有唯一性、其他元素對19F的測定干擾少等優點[3，4]。

應用19F NMR測試輔助確定復雜含氟化合物結構起到舉足輕重的作用，同時核磁共振二維譜新技術也逐漸發展起來，在眾多的二維核磁共振譜中擴散排序譜(Diffusion Ordered Spectroscopy, DOSY)技術以其獨特特點而成為國內外學者研究的熱點之一[5-9]。通過DOSY技術可測得混合溶液中各組分分子的自擴散系數(D)，依據自擴散系數的不同可實現不同組分NMR信號的分離，它們分別出現在二維數據矩陣的不同行中，其結果類似于色譜分離的結果，只是它在NMR管中實現。這也是測量溶液中樣品的自擴散系數的一個重要方法，在混合物分析、超分子、分子自組裝、材料等方面的研究中得到廣泛應用[10-14]。

目前核磁共振擴散排序譜技術成為核磁共振領域的研究熱點之一，但以19F作為檢測核的19F DOSY測試方法或相關技術鮮見報道。本實驗研究了一種特殊的核磁共振譜旨在優化19F譜和DOSY譜的檢測條件以建立基于NMR技術的氟化物擴散排序譜(19F DOSY NMR)測試方法；該結果亦可為混合物分析、超分子、分子自組裝、材料等復雜體系的剖析提供一個可借鑒參考的方法。

1 實驗原理及設計

核磁共振擴散排序譜是測量擴散常數的脈沖梯度場自旋回波實驗的“二維”版本，其原理如圖1所示，它是基于分子的平移運動通過脈沖梯度場來編碼，使分子的擴散運動與梯度場強度建立空間和邏輯上的線性關系。自擴散的動力來源于熱力學平衡下的分子的熱運動，擴散系數會引起相應的變化，通過擴散系數的改變反映分子絡合或組裝程度發生變化的方法已被廣泛接受。

圖1 核磁共振擴散排序譜(DOSY)的原理圖

自擴散的動力來源于熱力學平衡下的分子的熱運動，是自然界質量傳遞的一種基本方式[15]。根據Stokes-Einstein方程：

其中k為Boltzman常數，T為溫度、η為液體粘度、rs為球形分子半徑，可見擴散系數D取決于粒子的本身的物理參數如分子的大小、形狀以及所處的外部環境。通過Stokes-Einstein方程，可以看出擴散系數是表征溶質分子或整個體系性質的一個重要參數。本文根據擴散排序譜原理設置、優化了19F DOSY NMR譜的實驗參數，重點優化了參數擴散時間、梯度脈沖時間的影響，建立了4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F DOSY NMR譜測試方法，其流程如圖2所示。

圖2 19F DOSY NMR譜實驗設計流程圖

2 實驗部分

2.1 主要試劑、材料與儀器

試劑與材料：本實驗中所用全部試劑均為分析純及以上。氘代二甲亞砜購自青島騰龍微波科技有限公司；4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀購于阿拉丁試劑公司。

試驗儀器： 核磁共振波譜儀( Agilent DD2, 600 MHz, Agilent, USA)。儀器1H的工作頻率 599.8MHz;19F的工作頻率564.6MHz。

2.2 檢測方法

2.2.1 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F NMR測定

所有NMR實驗均在Agilent DD2 600型核磁共振譜儀測定，采用氘代二甲亞砜為溶劑，以TMS為內標(δ0)，19F NMR的工作頻率為564.30 MHz，譜寬100000.0Hz，脈沖角30°，脈沖寬度為3.33μs，數據點為262144，弛豫延遲為1s，掃描次數為32次。

2.2.2 三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F DOSY NMR譜條件優化與測定

19F DOSY NMR的工作頻率為564.30MHz，參數設置是譜寬為131579.0Hz， 弛豫時間為1.0s，擴散時間為90ms，梯度脈沖長度2.5ms，掃描次數為32次。在梯度場強度分別為1300和32500 mA/m的條件下分別得兩個一維譜圖，不斷地調整擴散時間與梯度脈沖時間，使得兩個譜圖的譜峰高度比值為10%～15%。最后，一維譜中所得的各項基本參數便是二維譜圖的各項基本參數。

3 結果與討論

3.1 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F NMR譜圖分析

在多氟化合物中，19F-19F偶合是引起19F NMR共振峰裂分的主要原因，氟核偶合產生的共振峰的裂分符合n+1規則。如圖3所示，氟譜中從低場到高場共有5 組峰。對于含CF3基團CF3CF2CF2CF2SO3K的飽和烷烴，氟譜化學位移δF約在 -95 ～ -70 之間。若CF2基團前后都是全氟基團，則中間的CF2的氟譜化學位移δF約在 -145 ～ -110 之間，由此可知全氟丁基磺酸鉀的端基CF3氟譜化學位移δF在 -80.678，且存在3JFF三鍵F-F偶合和5JFF五鍵F-F偶合作用，偶合常數分別為3JFF=9.6Hz，5JFF=2.8Hz。另一端基是磺酸基，其電負性較強，它鄰位的-CF2氟譜化學位移移向高場，δF為-115.078，同時受鄰位F的影響，裂分成三重峰，偶合常數為3JFF=12.9Hz。中間兩個CF2氟譜化學位移δF分別在-125.91和-121.631，具體歸屬如表1。氟譜中化學位移δF在-63.772是一個單峰，根據化學環境可推斷是4-三氟甲基吡啶中的CF3。

圖3 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F NMR譜

表1 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F NMR譜的化學位移歸屬

3.2 19F DOSY NMR譜的條件優化

經過優化擴散時間與梯度脈沖時間，在梯度場強度處于1300毫安/米至32500毫安/米的條件下，最終得到一組由15個一維氟譜組成的強度衰減圖，使得第一個譜圖與最后一個譜圖的峰高比值為15%，如圖4所示。最后，一維譜中所得的各項基本參數便是二維譜圖的各項基本參數。

圖4 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的氟譜強度衰減圖

3.3 19F DOSY NMR譜的分析

由于低粘度溶劑強烈蒸發，極易在樣品管的頂部發生冷凝，溶劑液滴易發生回流，這種回流對擴散排序譜的測量產生極大干擾，為了得到更精確的實驗數據，本實驗選擇粘度適中的DMSO作為溶劑。

在二維氟核擴散排序譜 (19F DOSY NMR) 實驗中，如圖5所示，分別觀察到兩組擴散序數, 在高場的四個峰在同一水平位置, 即具有相同的擴散系數為6.76×10-10m2/s，則證明這四個峰屬于同一個化合物；同理，低場的一個峰則屬于另一個化合物, 擴散系數為7.61×10-10m2/s，驗證了樣品中存在兩種成分，且兩種成分的分子間沒有明顯相互作用。

圖5 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸鉀的19F DOSY NMR譜圖

4 結語

介紹了基于核磁共振氟核的擴散排序譜技術，設計、優化及展示了基于氟為檢測核的19F DOSY NMR技術在含氟混合組分分析中的應用，結果表明19F DOSY NMR技術適用于含氟類化合物的高效、快速的常規分析研究。同時可以測定含氟分子在溶液中的擴散系數，根據擴散系數的變化表征分子間是否存在相互作用，包括分子組裝和研究藥物分子中間的一些包裹作用。