谱不求全，贵在精妙

在检测领域的“四大名谱”中，核磁共振（NMR）波谱的重要性不言而喻，它不仅可以确定有机分子的结构，还能监测反应的进行，甚至能进行动力学研究。可这里面也有不少“坑”，小伙伴们在解析核磁一维氢谱时，可曾有过谱峰重叠难以辨识的痛苦？想做个二维谱图时，耳边又会想起导师的谆谆教导“咱能用一维氢谱解决问题的，就尽量别用二维谱图去碰运气”。这时的你，可能会遇到双重困境：第一重，只靠一维氢谱分析，各种多重峰信号重叠在一起；第二重，做了二维谱图，把所有碳氢相关信号捋了一遍，还是搞不定结构，并且还可能因为浪费了宝贵的核磁测试机时而受人白眼。

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近期，英国曼切斯特大学的Ralph W. Adams和Peter Kiraly等研究者为解决这一麻烦提出了新办法：梯度增强多重峰选择性靶向观测核磁实验（gradient‐enhanced multiplet‐selective targeted‐observation NMR experiment, GEMSTONE），此法能在一维核磁氢谱中仅靠单次扫描就能从复杂的重叠峰中提取到关键信息（即单个多重峰），在核磁谱图解析中颇有“四两拨千斤”之妙用。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

我们先来看文中第一个例子——类固醇化合物17β-雌二醇。在它的氢谱中，1.7～1.9 ppm之间含有三个不同环的质子峰（即7β、12β和16α），这些信号严重重叠难以区分。传统的选择性激发实验会同时选择三个质子，使得一维NOESY图谱模棱两可，无法提取出有效信息（图1a）。相比之下，使用GEMSTONE方法能够分别观察到三个质子的多重峰及其相关NOEs效应（图1b-1d），从而能够实现NOESY图谱的明确归属和立体化学解析。例如，12位质子（α或β）的归属原本很模糊，通过此法就可以识别出质子H_12β与位于D环平面上的18位质子有NOE相关性。此外，该方法中每个选择性一维核磁图谱提取的单个记录信息与二维图谱相同，但是耗时却更少（图1）。

图1. （a）17β-雌二醇的传统选择性一维NOESY谱；（b-d）GEMSTONE NOESY谱；（e）已经氘代DMSO溶解的氢谱。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

以往解决氢谱信号重叠最直接的方法是采用化学位移选择性滤波（Chemical-Shift-Selective Filter，CSSF）。为此，作者在文中也将GEMSTONE与CSSF进行比较，相对而言，CSSF实验持续时间长且配置更复杂，尽管其选择性较好；而GEMSTONE 最大的优势是使用单扫描采集信息，最大限度地减少实验时间，并且避免了繁琐的参数优化，达到了简化和自动化的效果（图2）。

图2. GEMSTONE和1D GEMSTONE NOESY脉冲序列的比较。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

他们运用GEMSTONE方法解析的第二个结构是通过不对称合成的非对映异构碳环混合物1。如图3所示，这个混合物氢谱的局部区域重叠严重，其0.88-1.05 ppm区域含一个双峰和两个甲基三重峰，还有一个次要产物的甲基信号(17m)，其去屏蔽的17位甲基因靠近5位手性中心，因此对5位绝对构型的鉴定尤其重要，但经典的选择性激发17位甲基多重峰因谱峰重叠而失去价值。相比之下，GEMSTONE能区分彼此信号，且能选择性激发17位甲基，以便清晰地分析一维NOESY实验结果。首先进行波段选择性纯位移核磁（band-selective pure shift NMR）实验，使多重峰结构解体，并观察到每个不等价的质子单峰（图3c）。最后结果显示，选择性GEMSTONE能够清晰地提取重叠区域包括次要组分在内的所有信号（图3d-3g）。

图3.（a）非对映异构混合物1 的氢谱；（b）常规质子重叠区图谱；（c）带选择纯位移谱；（d-g）使用GEMSTONE选择性激发每个多重峰图谱。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

GEMOSTONE能够和自动化波谱仪完全兼容，因此用户唯一需要输入的是定义需要提取的多重峰数据的氢谱重叠区。对于提取波谱信号来说，选择性提取隐藏于其它信号中的单个多重峰非常有用，但GEMSTONE在核磁实验中最能大展身手的是在选择性一维NOESY中。如图4所示，混合物1的一维氢谱中1.2 ppm 区域显示出三个多重峰的严重重叠。在此光谱区域中不可能对单个质子进行常规的选择性信号提取，这使得经典一维核磁NOESY实验变得不适用。当他们加入GEMSTONE方法后，每个重叠峰都可以单独提取信号，从而能够分析它们的NOEs相关性。例如，图4a中1.65 ppm 处的谱峰严重重叠导致经典一维 NOESY图谱无法提取到有价值信息。相比之下，GEMSTONE图谱则提供了质子2a-3b和15a-15b的NOE相关性（图4b-4d），同时6b-9b和6b-2b的立体专一性相关明确了质子6a和6b的结构解析。

图4. （a）混合物1的传统一维 NOESY 图谱 ；（b-d）GEMSTONE NOESY图谱清 晰地归属了三个谱峰严重重叠的质子6b、15b、3b信号；（e）混合物1的氢谱。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

至此，他们在文中展示了核磁共振脉冲序列元素GEMSTONE在解析多重峰重叠图谱中的妙用。使用该方法不仅能够用一维氢谱解决以往依靠复杂二维图谱去解决的结构难题，还能使用最少的核磁测试机时，很好的诠释了“谱不求全，贵在精妙”的波谱解析思维。