流动核磁共振在反应监测中的应用

Keifer将流动核磁共振[28]定义为任何NMR技术，其中样品在测量过程中的某个时间流过管进入NMR探针。

第一次报道的流动核磁共振技术的使用是在1951年[29]，当时，当流过NMR探针时，记录了1 H水的光谱（掺杂有FeCl 3）。在七十年代，一组相关技术被称为“停流核磁共振” [30]，“快速注入核磁共振” [31]，“连续流动”核磁共振[32]，或者只是“流动核磁共振” [ 33]分别介绍其使用一直延续到今天。所有这些技术都涉及使用标准NMR探针，不需要专门的设备。

尽管LC-NMR需要使用仅用于观察从另一来源流过管道的样品的NMR探针，但LC-NMR的引入是自然发展的。该要求导致了NMR流量探针的研究，设计和开发。开发了几种技术用于两个系统的集成，例如流动和停流LC-NMR。在流动技术中，溶剂流在分析过程中连续流动。但是，必须解决的一个重要问题是获得良好的NMR信噪比。这种限制比色谱分辨率更重要。通过信号平均可以改善NMR信噪比，但是这种方法通常需要在相当长的时间内停止流动。

通常使用术语在线和在线分析。“在线”和“在线”是指不需要手动转移样品的分析方法[34]。当NMR探针和反应系统串联连接时，所有反应混合物都通过NMR仪器并连续分析。该方法称为在线分析。这种配置最大限度地减少了反应和分析之间的时滞。对于在线分析，NMR系统不直接连接到反应系统，并且样品从反应转移到分析系统，在反应期间定期收集代表性等分试样。该方法更简单，并且可以在难以通过NMR分析直接连接时使用。FDA提供了类似的定义：“在线：测量样品从制造过程转移到哪里，并可以返回到工艺流程中。排队：[35]。

如果溶剂含有质子，则必须使用溶剂抑制脉冲序列来获得高质量的NMR谱。使用的第一个序列是预饱和序列和二项式序列。用于溶剂抑制的WET序列的引入是重要的进步。WET具有几个优点，因为溶剂抑制速度快，因此它适用于流动的样品，它可以抑制多个溶剂管线，并且它比其他技术更具有频率选择性。相比之下，预饱和在流动样品中效果不佳，并且其再循环率较慢。WET也被纳入所有标准的2D NMR序列[28]。作为示例，图3示出了NOESY脉冲序列，其中WET序列被并入混合延迟的末尾。

核磁共振光谱可以与大多数分离技术相结合，包括气相色谱（GC），超临界流体色谱（SFC），凝胶渗透色谱（GPC），高效液相色谱（HPLC），毛细管电泳（CE），毛细管LC- NMR（CapLC-NMR），毛细管电色谱-NMR（CEC-NMR），毛细管等速电泳（cITP）和尺寸排阻色谱-NMR（SEC-NMR）[28]。

连字是另一个将分离和分析技术结合起来的重要领域。连接涉及添加其他分析技术，几乎就像它们是“构建块”，例如，LC-NMR-MS，其在1995年首次描述。

流动注射分析-NMR（FIA-NMR）和直接注射-NMR（DI-NMR）是第一个引入的非色谱流动NMR方法。通过简单地除去色谱柱，LC-NMR产生FIA-NMR，这种技术能够快速进行多次分析。

与FIA-NMR相比，DI-NMR缺乏流动相，只有溶剂可以溶解样品，还有一些可以冲洗流动池。此外，简化了泵，将样品直接注入流量探头，得到简单的流动核磁共振系统。DI-NMR的应用包括用于分析文库的组合化学[36]，用于临床诊断的生物流体分析[37]和代谢组学[38]。

在有机合成中的应用

在本节中，我们将讨论最近选择的一些在流动化学中应用NMR反应监测的例子。这些实例包括流动系统的设计，标准NMR仪器和流动探针的使用，微线圈的使用以及最后使用流动NMR进行动力学和机械研究以及优化合成过程。

Marquez等人。[39]开发了一种新的NMR流量管，用于标准的5 mm NMR探头（图4）。该系统允许对流动的样品进行实验。作者对该流量管进行了测试，以监测对苯二胺和异丁醛的标准反应，形成二亚胺产物，获得了良好的结果和重现性。

作者认为，该技术可用于确定反应的机械和动力学方面，无需专门的流量探头和使用不同类型的具有不同磁场强度的光谱仪。

Danielli等。[40]描述了台式核磁共振光谱在流动反应中的应用（来自Magritek的SpinSolve，60MHz）。他们认为，核磁共振谱仪提供的场均匀性和灵敏度足以分析单扫描实验中浓度为1 mmol L -1的小分子。作为概念验证，他们研究了铱配合物催化的异丙醇对苯乙酮的转移加氢过程。反应分批进行，用泵和Teflon管将样品引入磁体，形成闭合回路，流速为1 mL min -1。可以研究动力学速率作为催化剂浓度的函数，并且通过气相色谱法获得的结果具有良好的一致性。正如预期的一级反应，发现动力学常数与催化剂浓度的线性相关性。

一个值得考虑的有趣点是在线和离线分析的比较。例如，Duchateau等。[41]描述了在连续流动条件下使用流化床反应器由芳基卤化物和镁制备格氏试剂。在第二流动反应器中，Grignard与CO 2反应以获得羧酸（图5）。使用低场NMR仪器（来自Magritek的Spinsolve-60）通过在线1 H NMR光谱监测整个过程。

通过在线NMR分析反应并用标准NMR管离线分析。在第一种情况下，氧化格氏试剂的量显着降低，显示出在线测量的优点。在在线实验中，将反应混合物以1mL min -1引入流动NMR电池中，显示在70分钟内转化率为约80％。

在这方面，Foley等人。[42]报道了三种不同的流动反应分析方法的比较：在线核磁共振，静态核磁共振管和核磁共振管的周期性反转，使用高分辨率核磁共振仪（400 MHz）。研究了反应，反应时间长的非均相反应和反应时间短的均相反应表明混合对最终结果有重要影响。

仔细评估三种分析方法和反应条件表明，NMR技术对分析结果有显着影响。考虑到应用的兴趣，选择一种或另一种方法可能是至关重要的。在这方面，流动NMR给动力学研究提供了更准确的结果，而静态NMR适合于获得结构信息和机理的确定。

考虑到高分辨率核磁共振仪器在采集和维护方面都很昂贵，并且需要特殊的实验室安装，核磁共振仪器也应进行评估。台式核磁共振仪器成本低，维护成本低; 它们可以很容易地放置在传统的实验室通风橱中并运输到所需的位置。

Elipe和Milburn [43]研究了45 MHz（Pico Spin-45）台式核磁共振仪器的优缺点。为此，他们研究了诸如Fisher酯化，Suzuki反应和肟形成的反应，并且他们通过使用非氘代溶剂的HPLC过滤器在入口端口中简单注射等分试样来分析样品。

低场NMR的主要优点在于其简单性，特别是它们不需要用于磁体的低温液体，并且它们降低了维护成本并且还简化了操作和操作。尽管高场仪器的灵敏度明显降低，但可以获得高达10：1的比率，这对于许多应用来说已经足够了。主要问题出现在涉及具有小化学位移色散和二阶耦合的复杂结构的反应中，其产生具有若干重叠信号的复杂光谱。最后，许多低场仪器在没有可变温度单元的情况下供应，这限制了应用于室温或接近磁体温度的反应（在这种情况下为25-50°C，42°C）。

使用台式核磁共振仪器时必须考虑的另一个问题是使用磁力搅拌器，如果它们靠近通风橱中的磁铁，会产生波动的磁场干扰核磁共振测量[40]。因此，建议使用机械搅拌器进行此类反应。

如上所述，微线圈的使用增加了NMR分析的灵敏度。此外，可以将这些与微反应器结合使用，从而设计出可以在芯片实验室方法中分类的集成系统。

Kentgens等人开发了一个有趣的例子。[44]，他设计了一条用于核磁共振研究的带状线微线圈，与微型反应器相结合（图6）。将该系统与定制的NMR探针偶联并插入高分辨率NMR仪器（600MHz）中。如上所述，作者证明，带状线微线圈比螺线管和平面微线圈显示出更高的灵敏度，在乙醇中线路<1 Hz。作为概念验证，在苄醇与乙酰氯的酰化反应中测试了集成流动系统（微反应器 - 带状线NMR芯片）（图7））使用DIPEA作为基础。通过原位监测研究动力学，发现在3分钟后达到70％的转化率。在DIPEA信号中观察到的扩展是质子化的结果。