第7章 · 7.4

7.4 残留溶剂与杂质识别

Residual Solvents and Impurity Identification
本页范围与学习目标
按溶剂与条件使用经典杂质资料,以多个位点和相关网络确认候选,区分碳卫星、副产物及可交换信号,并说明鉴别结果与质量纯度之间的区别。
先读图解和核心解释;需要细节时再展开。
先看图 · 阅读入口

杂质身份需要整组信号与条件相符

残留溶剂表提供候选,配套信号与来源检验才能支持身份。

杂质身份需要整组信号与条件相符 步骤 1 查同溶剂资料 溶剂、温度和参考 先排除条件差异 步骤 2 比较完整模式 位移、氢数和裂分 寻找配套信号 步骤 3 检验来源 空白、另制样和卫星 与样品记录对照 杂质身份需要整组信号与条件相符 步骤 1 查同溶剂资料 溶剂、温度和参考 先排除条件差异 步骤 2 比较完整模式 位移、氢数和裂分 寻找配套信号 步骤 3 检验来源 空白、另制样和卫星 与样品记录对照
图 7.4-1 本页概念关系图。箭头表示本页采用的检查顺序。

读图时保留这项条件:水峰位置会变化;小峰也可能来自同位素卫星或伪影。

7.4.1 先给额外信号建立来源清单

样品中的额外信号可能来自残留溶剂、水、反应副产物、起始物、稳定剂、清洗残留或仪器与处理伪影。还可能属于主要组分的同位素卫星、构象状态或交换峰。把所有小峰都叫杂质,会错误地删去主要组分证据;把所有小峰都并入目标结构,则可能虚增碳数和氢数。先登记来源候选,再用多种可检查资料逐步确认。

展开说明与推导

本节沿用前面的位移、耦合、相关谱和定量条件,学习怎样使用经典杂质表而保留其条件。Gottlieb、Kotlyar 与 Nudelman(1997)提供常见实验室溶剂的微量杂质位移资料;Fulmer 等(2010)扩展到更多有机物和气体及多种氘代溶剂。它们提供检索入口,不是任何样品中每个峰的自动标签。

准备清单时可从样品经历出发:反应溶剂、萃取和洗脱溶剂、沉淀或重结晶介质、清洗步骤、储存条件和加入物。曾使用乙酸乙酯使其成为合理候选,但不能凭操作历史确认谱峰身份;从未记录某个溶剂,也不能完全排除污染。空白溶剂、容器和制样流程可以帮助定位来源,仍需结合目标峰组的证据。

方法 · 保留原始峰,不先删除

在峰表中分开记录已确认目标、已确认杂质及未定来源信号,并注明理由、实验条件和原始谱坐标。处理展示谱时如需标记或遮蔽某个区域,保留完整原谱,避免后续结构计数与定量只能看到删改后的图。

展开说明与推导

峰的面积小只说明在当前响应下贡献较小,身份仍未知。一个少量三氢甲基的峰可能高于一个较多量但很宽的单氢信号;峰高不能直接代表摩尔比例。杂质是否需要定量,也应根据任务与信号能力决定。能识别存在某种残留物,不等于已经获得其准确质量分数。

7.4.2 查表要固定溶剂、参照和峰组

位移表的列对应测量溶剂,行对应杂质及其氢位点。查询时先选择当前氘代溶剂,再寻找多个对应位点,并阅读脚注。水和可交换氢尤其受浓度、温度及氢键影响,实际值可能偏离表列。若同时用不同来源的表,应核对参照、样品条件和位点命名,不能把不同溶剂的数值拼成一个候选谱。

展开说明与推导

以 Fulmer 等的补充资料 S17 为例,乙酸乙酯在 DMSO-d₆ 中列出的乙基甲基、乙酰甲基和氧连 CH₂ 的 \(\delta/\mathrm{ppm}\) 约为 1.17、1.99 和 4.03,模式分别为三重峰、单峰和四重峰。这里只摘取用于教学的一组三个位点,原文包含更多测量条件和脚注。实际样品中应把三者作为同一候选的联合预测检查。

表 7.4-1 · 用一个候选的多个位点查表
乙酸乙酯位点报告氢数DMSO-d₆ 中 δ/ppm一阶模式
乙基末端 CH₃3约 1.17t
CH₃CO3约 1.99s
OCH₂2约 4.03q
展开说明与推导

教学未知样品在相同溶剂中有附近的三个峰组,积分约 0.30、0.30、0.20,乙基三重峰与四重峰在 COSY 中相关。先分别除以三、三和二,均得到约 0.10 的归一值,支持它们来自同一浓度的相应片段。结合位移、耦合网络及碳氢对应,可以进一步检验乙酸乙酯候选。某一个单峰位于约 1.99 ppm,仅提供远弱于整组资料的支持。

在DMSO-d6中检查约1.17的三重峰1.99的单峰和4.03的四重峰乙酸乙酯候选:三个独立局部窗口的教学棒图OCH₂:约 4.03 ppmCH₃CO:约 1.99 ppmCH₃:约 1.17 ppm四重峰;2 H单峰;3 H三重峰;3 H以积分、同网络相关和碳类型共同确认;局部横轴未采用统一比例
图 7.4-2 原创一阶棒图示意。位点数值取自表7.4-1,棒高仅显示局部裂分比例,未画实测谱,也不能直接比较三个窗口的峰高来定量。
展开说明与推导

乙基片段还可见于乙醇、乙醚及其他酯,三重峰和四重峰本身不能区分全部候选。BMRB 的乙醇条目 bmse000297 提供 100 mM、D₂O、298 K、pH 7.4、DSS 参照和 400 MHz 等条件,其中碳连氢位移约为 1.175 与 3.645 ppm。这个明确条件的条目可用于示范资料检查,不能直接把数值移到 DMSO 样品里作唯一判据。

溶剂残余氢峰属于氘代溶剂的相应同位素组成,水峰又是另一类来源。DMSO-d₆ 的残余氢信号还可受到氘耦合,分辨充分时不必表现为一个理想单峰。脚注中的多重性标签应与谱分辨率结合阅读。某个弱峰紧邻溶剂区域时,还要考虑抑制、强峰尾部与处理条纹,不能只按位移查到一个名字就结束。

位移参照若有整体偏移,多个无关候选峰会一起错开;真实的环境变化则可能只影响部分位点。比较参照与已知峰时,应先检查是否存在共同谱轴偏移,再处理各位点的化学变化。不能为每个候选单独平移谱轴到最佳吻合,这会让不同物质都得到表面匹配。一个经过记录的参照规则应适用于同一谱图的全部信号。

习题 7.4-1 · 一个峰还是一组证据

DMSO-d₆ 中三组候选峰积分为 0.36、0.33、0.24,对应报告氢数 3、3、2。核对归一值并解释能否直接确认乙酸乙酯。

参考解答

归一值为 0.12、0.11、0.12,近似相容程度取决于积分误差与重叠。它们可支持同一组分候选,但仍需相应位移、乙基相关和碳类型等证据;若误差很小,第二个区域的不一致需要回查。相容氢数不能独立确认化合物身份。

7.4.3 ¹³C 卫星属于主要组分的同位素信号

¹³C 卫星(¹³C satellites)来自含相应 ¹³C 的少量同位素分子。¹³C 具有自旋,与相连氢可有较大的一键耦合;多数含自旋为零的 ¹²C 的相应分子不出现这组碳耦合。因而一个主要氢信号两侧可能出现较弱的成对信号,它们未必表示两种新杂质。

展开说明与推导

先用一个孤立单峰、一个直接耦合碳的教学模型,忽略其他耦合与小同位素位移。若一键耦合大小为 \(|J_{\mathrm{H,C}}|\),两个卫星分别位于主峰频率约 \(\pm|J_{\mathrm{H,C}}|/2\) 的位置。二者之间的间隔为 J,单个卫星离主峰的间隔为 J 的一半;不能把这两种间隔混为一谈。

\[\Delta\nu_{\mathrm{sat-main}}\approx\frac{|J_{\mathrm{H,C}}|}{2},\qquad\Delta(\delta/\mathrm{ppm})\approx\frac{|J_{\mathrm{H,C}}|/\mathrm{Hz}}{2(\nu_0/\mathrm{MHz})}.\]
(7.4-1)

第二式将数值单位换算显式写出:J 以 Hz 取数,\(\nu_0\) 用 MHz 的数值近似仪器频率,所得为 ppm 数值差。教学主峰为 2.000 ppm,J 为 140 Hz,400 MHz 时单侧偏移为 0.175 ppm,卫星约在 1.825 与 2.175 ppm。改为 600 MHz 时单侧偏移约 0.1167 ppm,但两卫星之间的 Hz 间隔仍约为 140。

孤立主峰两侧各七十赫兹卫星,两卫星间隔一百四十赫兹教学设定:JHC = 140 Hz;卫星显示幅度放大 20 倍¹²C 主峰¹³C 卫星¹³C 卫星−70 Hz0+70 Hz横轴为相对主峰频率;符号仅表示谱轴方向70 Hz70 Hz
图 7.4-3 原创卫星棒图。采用下文 p=1% 的教学权重,卫星显示作约二十倍放大以便观察;真实卫星可能保留其他裂分并受同位素位移影响。
展开说明与推导

若教学模型中含该 ¹³C 的比例为 \(p=0.01\),每个卫星占总相关面积约 \(p/2=0.005\),主峰约为 \(1-p=0.99\),每个卫星相对主峰面积约为 0.505%。这个设定用于推理,不作为实际样品的同位素丰度赋值。存在其他耦合时,卫星可复制或改变相应多重峰模式,不能一律当作两条简单直线。

警示 · 不用小峰位置直接判杂质

检查小峰是否成对、Hz 间隔是否与合理碳氢耦合相容、强度是否随主信号共同变化。实际同位素分布、其他耦合和重叠可能改变外观。定量时对卫星采取相容积分规则,避免一信号包含卫星而另一信号无说明地排除。

展开说明与推导

若小峰不成对,也不必立即排除卫星,其中一侧可能重叠或落在积分显示外。可以检查更宽区域、碳氢相关或在适当条件下的去耦响应。这样的操作只是鉴别线索,若用于正式定量,还须检查去耦对响应、发热和采集条件的影响。一个特殊序列的谱不能无条件替代原有 qNMR 数据。

还需检查数据是否经过不同垂直缩放。卫星所在的放大插图若采用另一尺度,小峰看起来可能与主峰一样高;重叠处的主峰尾部又可能使卫星不对称。记录显示倍率并回到同一面积尺度比较。对含多个碳的分子,远程碳耦合和不同同位素位置会产生更复杂的小信号,孤立一键模型只给最初的判断方向。

习题 7.4-2 · 跨场强识别卫星

主峰两侧各相隔 70 Hz,小峰在 400 MHz 谱上单侧相差 0.175 ppm。换到 600 MHz 后若仍为同一耦合,ppm 偏移是多少?能否仅凭此确认卫星?

参考解答

单侧偏移为 \(70/600\approx0.1167\ \mathrm{ppm}\)。符合固定 J 的频率换算,但其他耦合信号也可能有固定 Hz 间隔,仍需成对模式、与主峰的强度关系及其他资料。场强变化提供可检验线索,不能独立证明身份。

7.4.4 副产物用网络和过程变化检验

副产物可能与目标具有相同片段,所以某些峰重叠或具有类似裂分。先寻找其不与目标重叠的报告核,追踪独立 COSY 网络及异核对应,再核对可能的分子式和来源。若反应只改变一个官能团,副产物保留大部分目标峰并不奇怪;仅比较最强甲基可能无法区分。

展开说明与推导

时间系列可以帮助区分残留溶剂与持续反应:某一组峰增加时,另一组是否按相应化学计量减少,新的网络是否成立,条件变化是否引起反应。挥发残留也可能随放置下降,所以峰面积随时间改变并不独立证明成键转化。记录密封、温度、浓度和采集响应,才能解释趋势。

加少量可靠候选参照可以检查相应峰是否在相容位置共同增加,但加标可能改变酸碱、氢键和浓度,位移与线宽未必严格不动。加标支持一个候选后,仍应核对全部报告位点,避免只增强一个重叠区域就确认身份。若样品珍贵,可优先用独立参照谱和其他相关资料缩小候选。

流程空白也应分清检验范围。直接测一管新溶剂可检查溶剂本身,却没有经过样品的萃取、过滤和容器接触步骤;完整流程空白更适合查这些来源。若空白中有对应峰,仍要比较目标样品中的全部峰组,确认是否同一物质及是否另有样品贡献。空白中没有某峰,也不能排除只在样品基质存在时发生的反应或污染释放。

洗涤、重新制样或换溶剂有时能改变杂质含量,也可能改变目标状态。某峰在换溶剂后移动,不能因此被删作杂质;多数目标氢同样会移动。某峰经氘交换后消失,则支持可交换性,可能属于目标 OH、NH,也可能来自水或其他可交换组分。每种操作对应有限的判别范围。

资料 · 参照谱附条件与数据类型

检索 BMRB 等资料时,确认是实验条目还是计算模型,保存溶剂、温度、酸碱条件、参照和场强。峰表用于初步比较,完整 FID 或处理谱可提供更多峰形与重叠信息;当前未采集的实验不能被写成已经完成的验证。

7.4.5 杂质判断与纯度报告分别验收

确认杂质存在时,应标明多位点证据、条件和未能区分的替代来源。做含量报告时,再检查氢数、弛豫、面积完整性和标准模型。若几个杂质峰重叠,只能给出相应总面积或具有模型依据的分量,不能凭视觉把总量分配到各个名字。未检出也只适用于当前方法的检测能力。

展开说明与推导

若某条积分用于主要组分的定量,同时被已确认杂质占据,应改选其他报告核,或采用已经验证的分离与拟合方法。仅从总面积中减去根据另一条污染峰猜出的量,会把那条峰的氢数、响应和误差一并传入结果。需要扣除时,把扣除模型和输入明确列出,并检查补充信号是否给出相容含量。

将所有可见有机峰归一化并扣除已知溶剂,仍可能遗漏无氢物质、水分、盐和不可见组分。由此得到的“主组分占可见面积比例”与原样质量分数不同。若样品需作后续结构或活性研究,保留杂质证据和处理记录,使其他结果能够与实际样品组成联系起来。下一节讨论混合谱的可辨识性,解释为什么更多拟合参数不必产生可靠分量。

习题 7.4-3 · 看不到其他峰的含义

某样品只见目标有机物峰,另有溶剂残峰。能否报告质量纯度100%,以及没有副产物?

参考解答

不能。方法有检测限,峰可能重叠,无氢或宽而弱组分可能未被计入,原样还可能含水和盐。可报告当前条件下未检出可区分的额外信号;质量纯度需使用经验证的定量模型及不确定度,副产物判断也需说明检出与选择性范围。

关键术语

残留溶剂 (residual solvent)
在制备和处理后仍存在于样品中的溶剂组分。
溶剂残余氢峰 (residual proton signal)
氘代溶剂中相应含氢同位素分子的信号。
杂质指纹 (impurity fingerprint)
多个位点及相关关系共同形成的鉴别模式。
¹³C 卫星 (¹³C satellites)
由含¹³C的同位素分子产生的较弱碳耦合信号。
副产物 (byproduct)
化学过程生成的非目标组分。
空白 (blank)
用于检查背景或流程贡献的对照样品。
加标 (spiking)
加入已知组分检验信号归属或测量性能的操作。
同位素分子 (isotopologue)
仅在同位素组成上不同的分子形式。

参考文献与延伸阅读

  1. Gottlieb HE, Kotlyar V, Nudelman A. 1997. NMR Chemical Shifts of Common Laboratory Solvents as Trace Impurities. Journal of Organic Chemistry, 62: 7512–7515. 经典条件化杂质资料。
  2. Fulmer GR, Miller AJM, Sherden NH, Gottlieb HE, Nudelman A, Stoltz BM, Bercaw JE, Goldberg KI. 2010. NMR Chemical Shifts of Trace Impurities: Common Laboratory Solvents, Organics, and Gases in Deuterated Solvents Relevant to the Organometallic Chemist. Organometallics. 原始论文;作者机构提供的补充资料。
  3. Reich HJ. NMR Info/Data — Hans Reich Collection. ACS Division of Organic Chemistry. 耦合与谱图解释。
  4. Claridge TDW. 2016. High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, 3rd edition. Elsevier. 同位素、耦合及实验条件。
  5. Madison Metabolomics Consortium; BMRB. Ethanol, bmse000297. 实验数据与完整条件,访问日期 2026-10-11。