基于核磁共振氟核的扩散排序谱(19F DOSY NMR)的实验设计

刘雅琴 何 玲 余明新

(浙江大学 化学系， 杭州 310027)

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)波谱学是研究物质结构的一门学科，它在成分和结构分析方面有着较其它分析手段突出而明显的优势，对样品的限制条件少、不破坏样品，能尽量在保持样品初态的情况下完成测试。氟元素(19F)的天然丰度为100%，自旋量子数为I=1/2，其磁矩为2.6273核磁子。在核数目相等、磁场相同的条件下，其相对灵敏度为质子的83.4%，在频率相同的情况下为质子的94.1%[1，2]。因此，核磁共振氟谱(19F NMR)容易得到高分辨率的谱图，且19F NMR检测方法具有迅速、准确、分辨率高、对含氟化合物的选择其有唯一性、其他元素对19F的测定干扰少等优点[3，4]。

应用19F NMR测试辅助确定复杂含氟化合物结构起到举足轻重的作用，同时核磁共振二维谱新技术也逐渐发展起来，在众多的二维核磁共振谱中扩散排序谱(Diffusion Ordered Spectroscopy, DOSY)技术以其独特特点而成为国内外学者研究的热点之一[5-9]。通过DOSY技术可测得混合溶液中各组分分子的自扩散系数(D)，依据自扩散系数的不同可实现不同组分NMR信号的分离，它们分别出现在二维数据矩阵的不同行中，其结果类似于色谱分离的结果，只是它在NMR管中实现。这也是测量溶液中样品的自扩散系数的一个重要方法，在混合物分析、超分子、分子自组装、材料等方面的研究中得到广泛应用[10-14]。

目前核磁共振扩散排序谱技术成为核磁共振领域的研究热点之一，但以19F作为检测核的19F DOSY测试方法或相关技术鲜见报道。本实验研究了一种特殊的核磁共振谱旨在优化19F谱和DOSY谱的检测条件以建立基于NMR技术的氟化物扩散排序谱(19F DOSY NMR)测试方法；该结果亦可为混合物分析、超分子、分子自组装、材料等复杂体系的剖析提供一个可借鉴参考的方法。

1 实验原理及设计

核磁共振扩散排序谱是测量扩散常数的脉冲梯度场自旋回波实验的“二维”版本，其原理如图1所示，它是基于分子的平移运动通过脉冲梯度场来编码，使分子的扩散运动与梯度场强度建立空间和逻辑上的线性关系。自扩散的动力来源于热力学平衡下的分子的热运动，扩散系数会引起相应的变化，通过扩散系数的改变反映分子络合或组装程度发生变化的方法已被广泛接受。

图1 核磁共振扩散排序谱(DOSY)的原理图

自扩散的动力来源于热力学平衡下的分子的热运动，是自然界质量传递的一种基本方式[15]。根据Stokes-Einstein方程：

其中k为Boltzman常数，T为温度、η为液体粘度、rs为球形分子半径，可见扩散系数D取决于粒子的本身的物理参数如分子的大小、形状以及所处的外部环境。通过Stokes-Einstein方程，可以看出扩散系数是表征溶质分子或整个体系性质的一个重要参数。本文根据扩散排序谱原理设置、优化了19F DOSY NMR谱的实验参数，重点优化了参数扩散时间、梯度脉冲时间的影响，建立了4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F DOSY NMR谱测试方法，其流程如图2所示。

图2 19F DOSY NMR谱实验设计流程图

2 实验部分

2.1 主要试剂、材料与仪器

试剂与材料：本实验中所用全部试剂均为分析纯及以上。氘代二甲亚砜购自青岛腾龙微波科技有限公司；4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾购于阿拉丁试剂公司。

试验仪器： 核磁共振波谱仪( Agilent DD2, 600 MHz, Agilent, USA)。仪器1H的工作频率 599.8MHz;19F的工作频率564.6MHz。

2.2 检测方法

2.2.1 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F NMR测定

所有NMR实验均在Agilent DD2 600型核磁共振谱仪测定，采用氘代二甲亚砜为溶剂，以TMS为内标(δ0)，19F NMR的工作频率为564.30 MHz，谱宽100000.0Hz，脉冲角30°，脉冲宽度为3.33μs，数据点为262144，弛豫延迟为1s，扫描次数为32次。

2.2.2 三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F DOSY NMR谱条件优化与测定

19F DOSY NMR的工作频率为564.30MHz，参数设置是谱宽为131579.0Hz， 弛豫时间为1.0s，扩散时间为90ms，梯度脉冲长度2.5ms，扫描次数为32次。在梯度场强度分别为1300和32500 mA/m的条件下分别得两个一维谱图，不断地调整扩散时间与梯度脉冲时间，使得两个谱图的谱峰高度比值为10%～15%。最后，一维谱中所得的各项基本参数便是二维谱图的各项基本参数。

3 结果与讨论

3.1 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F NMR谱图分析

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，氟核偶合产生的共振峰的裂分符合n+1规则。如图3所示，氟谱中从低场到高场共有5 组峰。对于含CF3基团CF3CF2CF2CF2SO3K的饱和烷烃，氟谱化学位移δF约在 -95 ～ -70 之间。若CF2基团前后都是全氟基团，则中间的CF2的氟谱化学位移δF约在 -145 ～ -110 之间，由此可知全氟丁基磺酸钾的端基CF3氟谱化学位移δF在 -80.678，且存在3JFF三键F-F偶合和5JFF五键F-F偶合作用，偶合常数分别为3JFF=9.6Hz，5JFF=2.8Hz。另一端基是磺酸基，其电负性较强，它邻位的-CF2氟谱化学位移移向高场，δF为-115.078，同时受邻位F的影响，裂分成三重峰，偶合常数为3JFF=12.9Hz。中间两个CF2氟谱化学位移δF分别在-125.91和-121.631，具体归属如表1。氟谱中化学位移δF在-63.772是一个单峰，根据化学环境可推断是4-三氟甲基吡啶中的CF3。

图3 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F NMR谱

表1 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F NMR谱的化学位移归属

3.2 19F DOSY NMR谱的条件优化

经过优化扩散时间与梯度脉冲时间，在梯度场强度处于1300毫安/米至32500毫安/米的条件下，最终得到一组由15个一维氟谱组成的强度衰减图，使得第一个谱图与最后一个谱图的峰高比值为15%，如图4所示。最后，一维谱中所得的各项基本参数便是二维谱图的各项基本参数。

图4 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的氟谱强度衰减图

3.3 19F DOSY NMR谱的分析

由于低粘度溶剂强烈蒸发，极易在样品管的顶部发生冷凝，溶剂液滴易发生回流，这种回流对扩散排序谱的测量产生极大干扰，为了得到更精确的实验数据，本实验选择粘度适中的DMSO作为溶剂。

在二维氟核扩散排序谱 (19F DOSY NMR) 实验中，如图5所示，分别观察到两组扩散序数, 在高场的四个峰在同一水平位置, 即具有相同的扩散系数为6.76×10-10m2/s，则证明这四个峰属于同一个化合物；同理，低场的一个峰则属于另一个化合物, 扩散系数为7.61×10-10m2/s，验证了样品中存在两种成分，且两种成分的分子间没有明显相互作用。

图5 4-三氟甲基吡啶和全氟丁基磺酸钾的19F DOSY NMR谱图

4 结语

介绍了基于核磁共振氟核的扩散排序谱技术，设计、优化及展示了基于氟为检测核的19F DOSY NMR技术在含氟混合组分分析中的应用，结果表明19F DOSY NMR技术适用于含氟类化合物的高效、快速的常规分析研究。同时可以测定含氟分子在溶液中的扩散系数，根据扩散系数的变化表征分子间是否存在相互作用，包括分子组装和研究药物分子中间的一些包裹作用。