Quy tắc "Hai ngang, Một dọc"

Vào dịp nghỉ lễ 4 ngày đầu tháng 5, khi tìm hiểu để viết bài giới thiệu phổ mới H2BC, NMRHanoi nảy sinh ý tưởng làm sao đó để có thể ghép phổ HSQC với phổ H2BC thành một phổ duy nhất để giải phổ. Khi đó chỉ cần thực hiện quy tắc đơn giản "Hai ngang, Một dọc" là có thể nối các nút C thành "dây C" để dựng khung cấu trúc phân tử. Cụ thể quy tắc ấy như sau:

Giả sử ta đã có bộ dữ liệu 2 phổ HSQC và H2BC. Việc làm đầu tiên là bằng cách nào đó ghép (chồng khít) 2 phổ này thành 1 phổ duy nhất, với các pic Xanh là liên kết C-H (1J HSQC) và các pic Đỏ là liên kết C-C-H (2J H2BC). Lưu ý: Để xác định số nút Xanh hay Đỏ trên một hàng ngang (trục C), ta nêu một quy ước như sau: các cặp píc của CH2 bất đối xứng trên cùng hàng ngang C thì chỉ tính là Một píc (píc kép).


Việc làm tiếp theo là khâu các nút (píc) thành dây C theo một quy tắc gồm 3 bước như sau:

1. Chọn nút đầu dây: Là nút Xanh (píc 1J-HSQC) nào mà trên cùng hàng ngang chỉ có Một và chỉ Một nút Đỏ (píc 2J-H2BC). Lưu ý: Trên cùng hàng ngang với nút Xanh có thể có các khả năng: không có nút đỏ nào (Nút Xanh độc thân), có 01 nút đỏ (chính là nút đầu dây, cần chọn) và có nhiều nút đỏ. 
2. Khâu nối các nút C: Từ nút đầu dây xác định ở bước 1, đi ngang phải hoặc trái cho đến khi gặp nút Đỏ thì quay sang trục dọc (lên hoặc xuống), đi tiếp đến nút Xanh tiếp. Cứ như vậy, "Xanh đi ngang, Đỏ đi dọc", miễn là không được đi lại con đường đã đi.
3. Xác định nút cuối dây: Hành trình khâu nối các nut C sẽ bị cụt ở một nút Đỏ nào đó. Khi đó Nút Xanh trước nút Đỏ cụt đường sẽ chính là nút cuối dây C. 

Hai ví dụ đơn giản dưới đây sẽ minh họa ý tưởng nói trên của NMRHanoi.

Ví dụ 1: Đoạn cấu trúc vòng 

Hình dưới đây là ghép 2 phổ HSQC (Xanh), gồm 04 píc (nút) và phổ H2BC (Đỏ), gồm 06 píc (nút) của một mẫu đo. 

• Bước 1 - Xác định các nút đầu dây C. Trên hình ta thấy không có nút kép CH2. Số nút Xanh thỏa mãn điều kiện nút đầu dây là 02. Ta thử chọn nút Xanh ở góc trên, bên trái (C4H4). 
• Bước 2: Bắt đầu từ nút Xanh đã chọn, đi theo quy tắc "Xanh đi ngang, Đỏ đi dọc", lần lượt đến các điểm Đỏ (C4H3) - Xanh ((C3H3) - Đỏ (C3H2) - Xanh (C2H2) - Đỏ (C2-H1) - Xanh (C1-H1) - Đỏ (C1-H2). 
• Bước 3:  Nút Đỏ C1H2 là cụt đường. Như vậy, nút Xanh trước đó (C1H1) chính là nút cuối dây C.

Kết quả thực hiện theo quy tắc "Xanh ngang, Đỏ dọc" nói trên là dây C lần lượt nối các nút: C4-C3-C2-C1. Bạn đọc có thể chọn nút đầu dây C1H1 là điểm xuất phát để thử tour C theo quy tắc trên.

Quy tắc "xanh ngang, đỏ dọc" để xác lập dây C

Ví dụ 2: Cấu trúc strychnine. 

Cấu trúc này phức tạp hơn một chút so với ví dụ 1. Chúng ta sẽ tập áp dụng quy tắc "Xanh ngang Đỏ dọc" như đã làm với ví dụ 1. 

Phổ ghép HSQC (xanh) -H2BC (đỏ) mẫu Strychnine.

Sơ bộ nhận thấy: Có 04 pic kép của các CH2 bất xứng, gồm 02 nút Xanh trên cùng hàng ngang (...) và một số nút Xanh "độc thân" (C23, C20a và C20b) không có píc Đỏ nào cùng hàng ngang. Các nút Xanh "độc thân" là các hệ spin độc lập, bị ngăn cách với phần còn lại của phân tử. 

Việc tiếp theo là chọn các nút đầu dây. Chúng ta có thể nhận thấy từ dưới lên có các nút Xanh C8, C16, C18, C17 và C11 thỏa mãn quy tắc là điểm đầu hoặc cuối của dây C. Tất cả có 5 đầu dây, chứng tỏ hệ hoặc là 01 dây 5 nhánh, hoặc là 01 dây 3 nhánh + 01 dây thẳng.

Áp dụng quy tắc Xanh ngang Đỏ dọc nêu trên, chúng ta sẽ xác định được 02 dây C của cấu trúc Strychnine như đường nối trên hình. 

Với phổ in đen trắng, quy tắc "Xanh ngang Đỏ dọc" đổi thành "Hai ngang, Một dọc". Hai là 2J (CCH), pic của phổ H2BC - Một là 1J (HC), pic của phổ HSQC.  

Ý tưởng và quy tắc trên mới là manh nha, khởi thảo. Ứng dụng vào thực tế chắc còn nhiều phát sinh, tình huống.  

Khó khăn đầu tiên và là khó khăn chính chính là làm sao ghép HSQC với H2BC thành 01 phổ. May thay, nhóm cha đẻ của phổ H2BC mới đây đã thông báo thử nghiệm thành công 2 dạng phổ NMR mới và công bố trên tạp chí Cộng hưởng từ trong Hóa học. Hiện trên trang chủ tạp chí mới chỉ có bản tóm tắt của bài báo, tháng sau (June 2017) mới có bản đầy đủ, chính thức. Theo tóm tắt, các tác giả đã thử nghiệm thành công 2 dạng phổ mới 2BOB và H2OBC. Mỗi phổ này bao gồm luôn các tín hiệu của HSQC và H2BC. Như vậy, chỉ cần một phép đo, một phổ duy nhất là có đủ dữ liệu HSQC-H2BC, chỉ còn việc Xanh ngang, Đỏ dọc là coi như xong. Trên cả tuyệt vời. Ura ! Ura !

Công bố 2 dạng phổ liên kết H-C mới.

Điều lăn tăn còn lại là: Từ thời điểm công bố một dạng phổ mới đến khi nó trở thành công cụ phổ cho mọi người dùng thường mất thời gian vài năm. Điều này phụ thuộc cố gắng của các hãng sản xuất và cung cấp thiết bị và phần mềm NMR. Chưa kể, con đường để một kỹ thuật NMR mới đến và xuất hiện ở NMRHanoi thì không lâu, nhưng đến được thực tế sử dụng ở Việt Nam thì có thể là chặng đường khá dài !