HSQC-TOCSY 분석│TOCSY와의 비교를 통한 2D NMR 응용 이해

HSQC-TOCSY란 무엇인가요?

HSQC-TOCSY는 직접 결합된 신호를 동시에 얻을 수 있는 2차원 NMR 실험법입니다. ¹H-¹³HSQC에 의한 C 상관관계와 TOCSY에 의한 스핀 네트워크 정보를 분석한 결과, TOCSY 유형의 상관관계가 관찰되었다. ¹³C 화학적 이동 분해능.

HSQC-TOCSY는 두 가지 메커니즘의 조합입니다.

• HSQC 부분: 감지하기 위해 ¹주어진 것과 직접적으로 연결된 H ¹³C
• TOCSY 부품: 자화를 전달하기 위한 부품 ¹동일한 스핀 네트워크에서 H는 다음과 같이 시작합니다. ¹H.

결과적으로, 주어진 모든 경우에 ¹³C,

• ¹H는 다음과 직접적으로 연결되어 있습니다. ¹³C (HSQC 상관관계)
• 기타 ¹Hs는 동일한 스핀 네트워크를 통해 연결됩니다. ¹H's (TOCSY 상관관계)는 HSQC-TOCSY 스펙트럼에 나타납니다.

TOCSY 스펙트럼과 HSQC-TOCSY 스펙트럼 비교

그림 1. TOCSY의 개략도(왼쪽), HSQC-TOCSY의 개략도(오른쪽)

그림 1에서 볼 수 있듯이, 양성자 신호가 심하게 중첩될 경우 해당 TOCSY 교차 피크도 중첩되어 스펙트럼 분석이 어려워집니다. 그러나 HSQC-TOCSY에서 Y축은 다음을 나타냅니다. ¹³C 화학적 이동은 각 신호에 대한 화학적 이동 간의 분산이 더 큽니다. 이러한 추가적인 분산은 상관 신호를 보다 효과적으로 분리하여 스펙트럼 분석을 용이하게 합니다.

그림 2. HSQC-TOCSY 스펙트럼의 개략도

또한, TOCSY와 유사하게 HSQC-TOCSY는 혼합 시간을 연장함으로써 스핀 시스템 내에서 릴레이를 확장할 수 있습니다. 상관 신호에 주목할 때 ¹³C_A 그림 2에서 혼합 시간이 짧을 때는 HSQC 스펙트럼과 동일한 결과가 나타납니다. 하지만 혼합 시간이 길어짐에 따라 자화가 전달됩니다. ¹H_B, ¹H_C그리고 상관 신호는 다음과 같습니다. ¹H_B, ¹H_C 나타납니다.

세드롤의 HSQC-TOCSY 분석 예시

세드롤은 삼나무와 편백나무에서 발견되는 방향성 화합물로 알려진 테르페노이드 화합물입니다. 그림 3은 이를 보여줍니다. ¹세드롤의 1H NMR 스펙트럼. OH 양성자 신호는 2.9 ppm에서 관찰되지만, 다른 신호는 관찰되지 않습니다. ¹H 신호는 모두 약 1 ppm의 좁은 범위에서 관찰됩니다. 이 영역은 그림 4에서 자세히 살펴봅니다.

Fig. 3 ¹세드롤의 H 스펙트럼

Fig. 4 ¹세드롤의 H 스펙트럼

고자기장에서 네 개의 메틸기(-CH₃)의 양성자가₃)가 감지되었습니다.
분홍색 원으로 표시된 영역에는 5개의 메틸렌기(-CH₃)에서 나온 양성자가 있습니다.₂-)와 세 개의 메틴기(-CH-)가 겹쳐져 있습니다. 분홍색 원으로 표시된 영역에서 신호가 심하게 겹치는 이유는 분자 내에 "비등가 메틸렌"이 많이 존재하기 때문입니다.

자유롭게 회전하는 알킬 사슬의 메틸렌기는 NMR적으로 동등한 환경에 있는 것으로 간주되며, 이러한 메틸렌기 양성자의 화학적 이동은 동일합니다.
하지만 세드롤과 같은 고리형 화합물에서는 회전이 제한됩니다. 따라서 메틸렌기의 양성자는 비등가적인 환경에 놓이게 되며, 이러한 신호들은 서로 다른 화학적 이동 값을 갖습니다.
이러한 유형의 메틸렌기는 "비등가 메틸렌"이라고 합니다.

그림 5. 세드롤의 COSY 스펙트럼(왼쪽) 및 TOCSY 스펙트럼(오른쪽)

그림 5는 400MHz NMR 분광기를 사용하여 얻은 COSY 및 TOCSY 스펙트럼(혼합 시간: 200ms)을 보여줍니다. 두 스펙트럼 모두 신호가 중첩되는 영역이 있어 스펙트럼 분석이 어렵습니다.

화학적 이동이 멀리 떨어진 메틸기 양성자를 사용하여 분석을 시도하더라도, 이들 메틸기의 인접한 탄소가 4차 탄소이기 때문에 스핀 네트워크가 단절되어 전달 과정을 관찰하기 어렵습니다.
더욱이, 가장 높은 자기장 쪽(약 0.8 ppm)에서 검출된 메틸기의 TOCSY 스펙트럼을 살펴보면 상관 신호가 관찰되지만 서로 겹쳐져 어느 신호와 상관하는지 판단하기 어렵습니다. ¹H는 네트워크를 형성합니다.
즉, TOCSY를 사용하더라도 스핀 네트워크를 결정하기 어려운 경우가 있습니다. 이러한 경우 HSQC-TOCSY가 효과적인 실험 방법이 됩니다.

FIG.6 ¹³세드롤의 C 스펙트럼

HSQC-TOCSY 분석에 앞서, ¹³세드롤의 C 스펙트럼과 HSQC 스펙트럼을 수집하였다.
그림 6은 ¹³세드롤의 C 스펙트럼.
메틸기에서 나오는 신호 D가 용매 신호와 겹치지만, 15개의 모든 신호는 ¹³C는 분리되어 관찰됩니다.

그림 7. 세드롤의 HSQC 스펙트럼

다음으로, 그림 7에는 세드롤의 HSQC 스펙트럼이 나타나 있다. 가로축은 다음을 나타낸다. ¹세로축은 H 화학적 이동을 나타내고, 세로축은 다음을 나타냅니다. ¹³C 스펙트럼 데이터. HSQC는 각각을 상관관계로 나타냅니다. ¹³C는 직접 결합되어 있습니다. ¹H. 따라서 두 상관관계는 다음과 같습니다. ¹메틸렌기의 경우, H 신호는 하나의 탄소에 대해 나타납니다.

"B의 메틸렌"에 초점을 맞출 때, 두 가지 ¹H 상관 신호가 관찰되었는데, 이는 메틸렌 그룹 B의 두 양성자가 서로 다른 화학적 이동을 가지고 있음을 나타냅니다.
따라서 HSQC를 이용하면 비등가 메틸렌기를 쉽게 확인할 수 있습니다. 세드롤에서는 5개의 메틸렌기 중 4개(B, G, H, J)가 비등가 메틸렌기로 확인되었습니다.

그림 8. 세드롤의 HSQC-TOCSY 스펙트럼

그림 8은 세드롤의 HSQC-TOCSY 스펙트럼을 보여줍니다. 가장 왼쪽은 HSQC 스펙트럼입니다. HSQC-TOCSY 스펙트럼을 분석할 때, HSQC 스펙트럼에서 관찰되는 신호(직접 결합된 분자에서 발생하는 신호)는 다음과 같습니다. ¹H-¹³C 상관관계는 릴레이의 시작점으로 간주됩니다.
그런 다음, 기존 TOCSY에서와 마찬가지로 혼합 시간을 변화시킨 스펙트럼과 비교함으로써 스핀 네트워크를 따라 전달이 일어나는 것을 확인할 수 있습니다.

예를 들어, 점선으로 표시된 영역들을 비교해 보면 릴레이를 통해 상관 신호가 증가하는 것을 알 수 있습니다. 이제 이 영역들을 확대해서 더 자세히 살펴보겠습니다.

그림 9. 세드롤의 HSQC-TOCSY 스펙트럼 (M의 상관관계)

그림 9는 메틴 탄소에 표시된 상관 신호를 확대하여 비교한 것입니다. M.
혼합 시간 20ms에서, 비등가 메틸렌과의 상관관계가 나타났다. B MB 연결성을 나타내는 신호가 나타납니다. 또한, 혼합 시간 40ms에서 비등가 메틸렌과의 상관 신호가 관찰됩니다. H 이는 MBH가 이 순서대로 연결되어 있음을 나타냅니다.
HSQC-TOCSY에서 비등가 메틸렌의 신호는 일반적으로 두 개의 별개의 신호로 나타납니다. ¹단일 탄소에 대한 H 상관 신호. 이를 통해 자기적으로 비등가적인 메틸렌 양성자의 할당이 더 쉬워진다는 장점이 있습니다.

그림 10. 세드롤의 HSQC-TOCSY 상관관계

동일한 분석 절차를 적용하여 그림 10에 나타낸 바와 같이 세 개의 스핀 네트워크를 얻었습니다. 더 이상 자화 전달이 관찰되지 않는 영역은 다음과 같은 위치에 해당합니다. ¹H-¹H 스핀 릴레이는 중간에 위치한 4차 탄소에 의해 종료됩니다.
구조 분석을 다음 단계로 진행하기 위해서는 다음 사항들을 분석해야 합니다. ¹손 ¹³C 장거리 상관관계(HMBC 스펙트럼)를 통해 평면 구조 결정을 완료합니다.

COSY, TOCSY 및 HSQC-TOCSY 요약

마지막으로 COSY, TOCSY 및 HSQC-TOCSY의 특징을 요약합니다.
COSY는 높은 감도로 쉽게 측정할 수 있기 때문에 기본적이고 필수적인 2D NMR 스펙트럼입니다.
분자 구조 분석의 첫 단계로, 초보자부터 전문가까지 널리 사용됩니다.

반면에 TOCSY와 HSQC-TOCSY는 다음과 같은 경우에 유용합니다. ¹H 신호가 중첩되거나 복잡한 스핀 네트워크를 분석해야 할 때 TOCSY는 전체 스핀 네트워크를 확인할 수 있지만, 때로는 서로 다른 혼합 시간으로 여러 스펙트럼을 측정해야 할 필요가 있습니다. HSQC-TOCSY는 TOCSY의 상관 분석을 다른 방식으로 수행하기 때문에 신호 중첩을 방지할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. ¹³C. 그러나 감도가 COSY 및 TOCSY보다 낮기 때문에 측정 시간이 COSY 및 TOCSY보다 길다는 점에 유의해야 합니다.

각 측정 방법에는 장단점이 있습니다. 분석 대상 분자의 복잡성, 신호 중첩 정도, 분석 대상 스핀 네트워크 범위 등을 고려하여 가장 적합한 2D NMR 측정 방법을 선택하는 것이 중요합니다.

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