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TMS（四甲基矽烷），對於經常做核磁波譜解析的夥伴們來說並不陌生，它往往被新增在商業化出售的氘代試劑中，作為精確參考待測樣品化學位移的內標。事實上，它被國際純粹與應用化學會（IUPAC）推薦為核磁內標已經有60年曆史了。IUPAC推薦TMS有兩點理由：（1）TMS與其它溶質分子無相互作用（它沒有永久偶極），（2）TMS偏高場的甲基質子位移不易被幹擾。然而，也有一部分夥伴喜歡參考氘代試劑的溶劑峰，例如，在最常見的氘代氯仿溶液中，殘留氯仿的化學位移（7.263ppm）有時甚至取代TMS成為參考內標。那麼問題來了：若核磁氫譜中TMS和殘留氯仿峰都存在，到底參考誰更合適呢？
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坦率的說，筆者作為一名天然有機化學研究者，解讀核磁氫譜有時參考TMS，有時參考殘留氯仿，更多的時候是兩者兼顧都參考一下。這在化學位移精確性要求不高的場合（例如解析新化合物沒有可供參考的化學位移）似乎沒有問題，但遇到需要更精準的化學位移資訊時（例如透過化學位移探測樣品中某種已知化合物的存在與否）就不行了。因此，合理選擇核磁內標非常重要，卻又容易被很多人（包括筆者自己）忽略。
近日，這個問題引起了國際著名化學家、美國明尼蘇達大學（UMN）Thomas R. Hoye教授（點選檢視介紹）的重視。從直覺上判斷，氯仿似乎更易受到溶質分子干擾，因為它是氫鍵供體，且有永久偶極。但真相真的是這樣嗎？Hoye教授團隊做了一個有趣的實驗，第一次將TMS和氘代氯仿放在一起同時進行研究，幫我們解開了這個謎題。
Thomas R. Hoye教授。圖片來源：UMN
要精確研究殘留氯仿和TMS的化學位移變化，就要消除核磁不同批次測試造成的細微干擾和引數差異。傳統的核磁管是這樣的，顯然無法避免這種干擾。
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Hoye團隊創造性地採用同心軸式核磁管，實現了樣品核磁測試的同步化（下圖）。在這個同心管的內管中，他們加入含0.05% TMS且不含任何其它溶質的氘代氯仿溶液（99.8%D），作為空白對照（standard）。外管中分別加入含23種溶質和0.05%TMS的氘代氯仿溶液，且大範圍改變溶質濃度。透過這種方式測試不同性質、不同濃度溶質對TMS和殘留氯仿的影響。
能同時測試含溶質（外管）和空白對照（內管）的TMS氘代氯仿溶液同心軸核磁管示意圖。圖片來源：J. Org. Chem.
他們以丙酮為例展示了實驗結果。內管中的TMS和殘留氯仿化學位移沒有變化（內管中殘留水峰的位移也不變），外管內的TMS和殘留氯仿化學位移都隨著丙酮濃度的增加而增加。殘留氯仿相對於TMS化學位移變化更大，但TMS的變化說明它並非完全惰性（與丙酮存在微弱相互作用）。
含不同濃度丙酮的氘代氯仿（99.8%）TMS（0.05%）溶液核磁氫譜。圖片來源：J. Org. Chem.
同樣，對於甲醇，在整個實驗範圍內，TMS和殘留氯仿的化學位移變化與甲醇濃度呈良好線性關係。他們透過線性相關圖中殘留氯仿和TMS斜率之比分析二者的相對靈敏度（FOM），結果顯示，殘留氯仿相比TMS受甲醇濃度影響更大。
殘留氯仿和TMS化學位移變化是溶質甲醇濃度的函式。圖片來源：J. Org. Chem.
事實上，在他們研究的23種溶質中，大多數（19種）都表現出殘留氯仿和TMS化學位移均受到溶質濃度影響，且前者變化更大，表現為相對靈敏度（FOM）大於1。當溶質的官能團含氫鍵供體時，氯仿化學位移變化最大。當與氯仿性質相似的二氯甲烷作為溶質時，氯仿和TMS受到的影響一致（FOM為1）。4-氟硝基苯、6氟苯、TPPO則情況相反，TMS受到的影響大於氯仿（FOM小於1）。這可能與上述3種含苯化合物對氯仿質子產生遮蔽效應有關。這種遮蔽效應可能在一定程度上抵消了化合物與氯仿形成的氫鍵效應。他們的研究還發現溶質分子的偶極值與靈敏度（FOM）並沒有顯著對映關係。
21種溶質的氘代氯仿（99.8%）TMS（0.05%）溶液靈敏度（FOM）值。圖片來源：J. Org. Chem.
既然研究了氘代氯仿溶液中殘留氯仿和TMS的核磁位移變化，那麼其它常用氘代試劑（如氘代丙酮、甲醇、DMSO、苯）中殘留溶劑峰和TMS變化趨勢是怎樣的？於是，他們以二乙醚為溶質，用同心軸核磁管做了類似實驗，結果顯示含這些氘代試劑的溶液TMS和殘留溶劑峰受到溶質干擾程度非常相似，因此在這些溶液中參考TMS並沒有氘代氯仿溶液中靠譜。
最後，文章幽默地總結道：世界上沒有真正惰性的核磁內標，本實驗表明，在氘代氯仿溶液中，參考TMS在大多數溶質情況（排除一些含苯基或有機矽烷化合物）下比殘留氯仿可靠。或許樣品的精確化學位移值並不是在每個實驗場合都重要，但話說回來精確總比模糊好，何況參考TMS只是舉手之勞，形成這樣的習慣又何妨呢？
TMS is Superior to Residual CHCl3 for Use as the Internal Reference for Routine 1H NMR Spectra Recorded in CDCl3
Alexander L. Guzman, Thomas R. Hoye*
J. Org. Chem., 2022, 87, 905–909, DOI: 10.1021/acs.joc.1c02590
導師介紹
Thomas R. Hoye
https://www.x-mol.com/university/faculty/279
（本文由天生西南供稿）
