Giãn dân Proton

Phổ 1H NMR hay phổ COSY H-H có những vùng dày đặc, chồng chập tín hiệu, như vùng 1-2ppm của các steroid, vùng 2-3ppm của các terpen hay vùng 3-4ppm của các polysaccharide. Quá trình giải phổ rất dễ bị tắc nghẽn tại đây, không nhúc nhích được.

Sở dĩ có hiện tượng này vì độ địch chuyển hóa học của 1H "định cư" trong phạm vi quá chật hẹp, "chen chúc, giẫm đạp" nhau trong khoảng 10ppm phổ, trong khi đó "cư dân" C thường thưa thớt hơn, xông xênh, rộng rãi trong phạm vi cỡ 200ppm, gấp cỡ 10 lần so với 1H.

Một số giải pháp kỹ thuật được đề xuất và đã được thực hiện thành công để giải quyết nút thắt trên. Các giải pháp này nói chung khá phức tạp về mặt kỹ thuật, nhưng có thể hiểu nôm na là "Di dân H sang lãnh thổ C". Giải pháp được đánh giá có hiệu quả cao là phổ HSQC-TOCSY. Nguyên lý phổ HSQC-TOCSY là tác động xung sao cho tương tác từ được thực hiện giữa C và H có liên kết trực tiếp với nó (1JCH trong HSQC), sau đó truyền tương tác tiếp sang cho các vị trí H khác trong phân tử (nJHH trong TOCSY).

Tương tác từ trong phổ HSQC-TOCSY.
Tương tác từ xuất phát từ 1JCH, truyền tiếp sang các proton (H) khác thông qua tương tác JHH.

Dưới đây là một số ví dụ minh họa phổ HSQC-TOCSY

Ví dụ 1: Phổ HSQC-TOCSY mẫu steroid

Vùng phổ 1-2ppm của phổ 1H NMR mẫu steroid thường bị chồng chập rất nhiều tín hiệu, đã thế lại thường là vạch bội. Trên phổ 1H NMR đã khó phân biệt, tình hình trên phổ COSY (hình dưới) cũng rất khó gán. Vùng phổ 1,6-1,8ppm chồng chập rất nhiều tín hiệu liên kết. Các tín hiệu liên kết methylene của H6 và H15 chụm sát đường chéo, rất khó gán. Các tín hiệu liên kết của H18 và H11 cũng rơi vào vùng chồng chập dày đặc này.

Trích phổ DQF COSY mẫu steroid (số thứ tự không theo quy định)

Bên dưới là trích phổ HSQC-TOCSY của cùng mẫu steroid ở phổ COSY hình trên. Trên phổ này, các tín hiệu liên kết dày đặc của vùng 1,6-1,8ppm đã được giãn rất rộng theo trục 13C. Việc gán trở nên rất dễ dàng với cả 2 liên kết C6-C15 và C11-C18.

Trích phổ HSQC - TOCSY mẫu steroid 

Ví dụ 2: Phổ HSQC-TOCSY mẫu Sucrose 

Hiện tượng chồng chập tín hiệu H ở vùng 3-4ppm là điển hình đối với các dạng phổ H của các mẫu polysaccharid. Ví dụ dưới đây minh họa cấu trúc sucrose tương đối đơn giản, chỉ gồm 02 hệ spin, ký hiệu tương ứng màu xanh và màu hồng, nối với nhau qua O. 

Phổ 1H bị chồng chập mạnh ở vùng các tín hiệu H5-H6 và H6'. Xét thử tín hiệu HSQC của C1-H1 ở 5,42-92ppm. Ngoài tín hiệu C1H1 dạng HSQC rất rõ ở góc dưới bên trái, trên phổ còn xuất hiện các pic dạng TOCSY liên quan tới vị trí còn lại trong hệ spin theo cả 2 chiều ngang (92ppm) và dọc (5,42ppm).

Ví dụ 3: Phổ HSQC-TOCSY mẫu Menthol

Phổ HSQC-TOCSY giống như một chiếc kính vạn năng, có thể điều khiển tiêu cự để nhìn rất xa như ống nhòm, nhưng cũng có thể điều khiển để soi gần như kính hiển vi, kính lúp. Tất nhiên việc điều khiển này là công việc của người đo, nắm vững các tham số kỹ thuật.

Dưới đây là ví dụ phổ HSQC-TOCSY của mẫu Menthol. Trên hình là 3 phổ HSQC-TOCSY được đo với 3 chế đọ xung rf khác nhau. Để dễ so sánh, 03 phổ được xếp theo kiểu quân bài tú lơ khơ, chồng khớp theo trục 1H và lệch nhau một chút theo trục 13C.

Phổ HSQC-TOCSY mẫu menthol.

Phổ 01 (màu xanh) được chọn chế độ đo để hiện các liên kết 1J (liên kết HSQC, HMQC) đến liên kết 2J (liên kết dạng H2BC) và xa hơn là 3J (liên kết dạng HMBC). Ví dụ với C1 (72ppm), dễ dàng nhận ra liên kết HSQC 1J(C1-H1a) rất rõ,  rồi đến 2J H2BC (C1-H2a; C1-H6a; J3(C1-H6e), yếu hơn. Với phổ thứ 2 (màu tím), ngoài các liên kết như trên phổ 1, còn thấy thêm các liên kết J3 (C1-H3a,e; C1-H5a,e), còn trên phổ thứ 3 (màu đỏ), các liên kết rất xa J4 (C1-H4a,e) cũng xuất hiện.