在檢測領域的“四大名譜”中，核磁共振（NMR）波譜的重要性不言而喻，它不僅可以確定有機分子的結構，還能監測反應的進行，甚至能進行動力學研究。可這裡面也有不少“坑”，小夥伴們在解析核磁一維氫譜時，可曾有過譜峰重疊難以辨識的痛苦？想做個二維譜圖時，耳邊又會想起導師的諄諄教導“咱能用一維氫譜解決問題的，就儘量別用二維譜圖去碰運氣”。這時的你，可能會遇到雙重困境：第一重，只靠一維氫譜分析，各種多重峰訊號重疊在一起；第二重，做了二維譜圖，把所有碳氫相關訊號捋了一遍，還是搞不定結構，並且還可能因為浪費了寶貴的核磁測試機時而受人白眼。

近期，英國曼切斯特大學的Ralph W. Adams和Peter Kiraly等研究者為解決這一麻煩提出了新辦法：梯度增強多重峰選擇性靶向觀測核磁實驗（gradient‐enhanced multiplet‐selective targeted‐observation NMR experiment, GEMSTONE），此法能在一維核磁氫譜中僅靠單次掃描就能從複雜的重疊峰中提取到關鍵資訊（即單個多重峰），在核磁譜圖解析中頗有“四兩撥千斤”之妙用。相關成果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

我們先來看文中第一個例子——類固醇化合物17β-雌二醇。在它的氫譜中，1.7～1.9 ppm之間含有三個不同環的質子峰（即7β、12β和16α），這些訊號嚴重重疊難以區分。傳統的選擇性激發實驗會同時選擇三個質子，使得一維NOESY圖譜模稜兩可，無法提取出有效資訊（圖1a）。相比之下，使用GEMSTONE方法能夠分別觀察到三個質子的多重峰及其相關NOEs效應（圖1b-1d），從而能夠實現NOESY圖譜的明確歸屬和立體化學解析。例如，12位質子（α或β）的歸屬原本很模糊，透過此法就可以識別出質子H12β與位於D環平面上的18位質子有NOE相關性。此外，該方法中每個選擇性一維核磁圖譜提取的單個記錄資訊與二維圖譜相同，但是耗時卻更少（圖1）。

以往解決氫譜訊號重疊最直接的方法是採用化學位移選擇性濾波（Chemical-Shift-Selective Filter，CSSF）。為此，作者在文中也將GEMSTONE與CSSF進行比較，相對而言，CSSF實驗持續時間長且配置更復雜，儘管其選擇性較好；而GEMSTONE 最大的優勢是使用單掃描採集資訊，最大限度地減少實驗時間，並且避免了繁瑣的引數最佳化，達到了簡化和自動化的效果（圖2）。

他們運用GEMSTONE方法解析的第二個結構是透過不對稱合成的非對映異構碳環混合物1。如圖3所示，這個混合物氫譜的區域性區域重疊嚴重，其0.88-1.05 ppm區域含一個雙峰和兩個甲基三重峰，還有一個次要產物的甲基訊號(17m)，其去遮蔽的17位甲基因靠近5位手性中心，因此對5位絕對構型的鑑定尤其重要，但經典的選擇性激發17位甲基多重峰因譜峰重疊而失去價值。相比之下，GEMSTONE能區分彼此訊號，且能選擇性激發17位甲基，以便清晰地分析一維NOESY實驗結果。首先進行波段選擇性純位移核磁（band-selective pure shift NMR）實驗，使多重峰結構解體，並觀察到每個不等價的質子單峰（圖3c）。最後結果顯示，選擇性GEMSTONE能夠清晰地提取重疊區域包括次要組分在內的所有訊號（圖3d-3g）。

圖3.（a）非對映異構混合物1 的氫譜；（b）常規質子重疊區圖譜；（c）帶選擇純位移譜；（d-g）使用GEMSTONE選擇性激發每個多重峰圖譜。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

GEMOSTONE能夠和自動化波譜儀完全相容，因此使用者唯一需要輸入的是定義需要提取的多重峰資料的氫譜重疊區。對於提取波譜訊號來說，選擇性提取隱藏於其它訊號中的單個多重峰非常有用，但GEMSTONE在核磁實驗中最能大展身手的是在選擇性一維NOESY中。如圖4所示，混合物1的一維氫譜中1.2 ppm 區域顯示出三個多重峰的嚴重重疊。在此光譜區域中不可能對單個質子進行常規的選擇性訊號提取，這使得經典一維核磁NOESY實驗變得不適用。當他們加入GEMSTONE方法後，每個重疊峰都可以單獨提取訊號，從而能夠分析它們的NOEs相關性。例如，圖4a中1.65 ppm 處的譜峰嚴重重疊導致經典一維 NOESY圖譜無法提取到有價值資訊。相比之下，GEMSTONE圖譜則提供了質子2a-3b和15a-15b的NOE相關性（圖4b-4d），同時6b-9b和6b-2b的立體專一性相關明確了質子6a和6b的結構解析。

圖4. （a）混合物1的傳統一維 NOESY 圖譜 ；（b-d）GEMSTONE NOESY圖譜清 晰地歸屬了三個譜峰嚴重重疊的質子6b、15b、3b訊號；（e）混合物1的氫譜。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

至此，他們在文中展示了核磁共振脈衝序列元素GEMSTONE在解析多重峰重疊圖譜中的妙用。使用該方法不僅能夠用一維氫譜解決以往依靠複雜二維圖譜去解決的結構難題，還能使用最少的核磁測試機時，很好的詮釋了“譜不求全，貴在精妙”的波譜解析思維。

Single‐Scan Selective Excitation of Individual NMR Signals in Overlapping Multiplets

Peter Kiraly, Nicolas Kern, Mateusz P. Plesniak, Mathias Nilsson, David J. Procter, Gareth A. Morris, Ralph W. Adams

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202011642