《有机化合物波谱解析》章末总结2

波谱内容第二篇，仍然是一维核磁氢谱。

1 Proton ($^1H$) Magnetic Resonance Spectroscopy

1.6 Protons on Oxygen, Nitrogen, and Sulfur Atoms: Exchangeable Protons

与氧原子/氮原子/硫原子直接相连的质子被称为活泼氢（exchangeable protons）。活泼氢与其他连接在碳上的质子的主要差别有三点：

• 它们是可交换的（exchangeable），可以与溶剂中的 H/D 交换。
• 它们的化学位移受氢键影响极大。
• 对于连接在 N 上的活泼氢，由于氮原子的电四极矩（electric quadrupole moment）影响，它们的信号会部分/完全去耦。

对于羟基氢来说，其活泼氢在 $CDCl_3$ 中的化学位移可能在 0.5 - 4.0 ppm 之间，随浓度、温度、分子内/间氢键等等影响较大，可能有较大波动。酚羟基活泼氢化学位移则更大，通常在 4.0 - 7.5 ppm，同样受到温度、浓度、氢键的影响，特殊情况下化学位移可高至 10 - 12 ppm。

对于羧酸来说，在非极性溶剂中，羧酸分子往往以通过氢键结合的二聚形式存在，因此在 10.0 - 13.2 ppm 区间会出现特征的活泼氢峰；但是极性溶剂会干扰二聚体的形成，因此化学位移变化较大。

如果样品中有水作为杂质，那么可能会出现水峰。不同形态的水出峰位移也不同，对于 bulk water （例如悬浮液滴或者是管壁上有水膜），其化学位移在 4.7 ppm 处（在氘代氯仿中）；对于 dissolved water，其化学位移在 1.55 ppm 处（在氘代氯仿中）。为了避免水峰影响解谱，除了减少样品含水量之外，可以选用其他氘代试剂，如氘代苯（$C_6D_6$）的水峰在 0.4 ppm，能避开其他重要峰区。

氮上的氢在谱图上表现各有不同，这主要取决于两个因素：交换速率和 $^{14}N$ 核的电四极矩。如果交换速率很快（例如大部分脂肪胺），则 NH 与邻位 CH 完全去耦，表现为尖锐单峰；如果交换速率中等，则 NH 质子部分去耦，谱图表现为宽峰；如果交换速率慢（如酰胺、吡咯、吲哚等），则 NH 与 CH 存在耦合，NH 峰在谱图上非常宽，甚至消失在基线中，而 CH 信号往往表现出耦合。下图是一个很好的总结：

脂肪族胺/环胺 NH 化学位移一般在 0.5 - 3.0 ppm，芳香胺一般在 3.0 - 5.0 ppm，酰胺、吡咯和吲哚等 NH 化学位移更大，一般在 5.0 - 8.5 ppm。上述数据均为在氘代氯仿中数据，同时化学位移受温度、浓度、氢键等影响较大。

巯基质子的交换速度通常较慢，因此大多数情况下存在和临近 CH 的耦合，脂肪族硫醇质子化学位移在 0.9 - 2.5 ppm，芳香族硫酚质子化学位移在 2.8 - 3.6 ppm。

1.7 Coupling of Protons to Other Important Nuclei

首先是对 $^{19}F$ 的耦合，$^{19}F$ 的 spin quantum number 为 1/2，因此 H-F 的耦合与 H-H 的耦合方式相同，但是 F 的作用距离更远，因此可能会产生更多的 long-range coupling。以氟代丙酮为例：

首先注意到 δ = 2.2 ppm 处为 $CH_3$ 的峰，而且是 doublet，说明存在 H-F 的 long-range coupling。δ = 4.75 ppm 的峰为 $CH_2$ 的峰，同样是 doublet，说明与同碳的 F 发生了耦合。

然后是对 $D(^2H)$ 的耦合，D 的 spin quantum number 为 1，因此根据 2nI+1 的计算公式，H-D 耦合要比 H-H 耦合峰更多。以下图化合物为例：

对于 $\beta-CH_2$ 来说，低分辨率下呈现宽三重峰，是与 $\gamma-CH_2$ 的耦合导致的，但是如果用高分辨率核磁观察，就会发现三重峰中的每一个峰都是小的 quintet，这是与 $\alpha-CD_2$ 的耦合产生的。根据 2nI+1 的计算公式，则有 $2\times 2 \times 1 + 1 = 5$，因此是五重峰。

最后简单提一下 $^{31}P$ 和 $^{29}Si$ 的耦合，这二者的 spin quamtum number 均为 1/2，所以其耦合情况与 H-H 耦合一致。但是注意 $^{29}Si$ 同位素的自然丰度仅有 4.7%（作为对比，$^{19}F, ^{31}P$ 的自然丰度均为 100%），这意味着仅有少量的含 $^{29}Si$ 同位素的化合物才会发生耦合，而大部分的 $^{28}Si$ 同位素化合物不发生耦合，因此质子的主信号是一个单峰，在单峰两侧存在低强度的小峰，称为卫星峰（satellite peak）。例如在四甲基硅烷的主峰两侧能看到非常小的小峰，即为与 $^{29}Si$ 耦合产生的卫星峰。

1.8 Chemical Equivalance

首先定义什么叫化学等价（chemical equivalance）：如果一组原子核可以通过对称操作（symmetry operations）或快速过程（rapid process）互相交换（interchangeable），那么它们是化学等价的。

• 从对称操作考虑，如果通过对称操作，两组（或多组）原子核能互相交换，则说明他们是化学等价的。常见的对称操作包括 $C_n/\sigma /i/S_n$ 等等，这部分在无机/结构化学中已经多有讨论，此处不赘述。
• 从快速过程考虑，如果两种互变结构转换速率超过 NMR 的时间尺度（约 $10^1 \sim 10^3 Hz$），那么不同的核只会在核磁谱图上呈现出一个平均的峰。

举两个快速转换过程的例子。

其一是 1,3-二羰基化合物（如乙酰丙酮）酮式和烯醇式的转换。由于存在分子内氢键作用，因此乙酰丙酮主要以烯醇式形式存在，酮式含量较少。常温下，这两种异构体的转换速率较慢，足够在 NMR 谱图上分辨出来，我们能在谱上看到两个异构体的不同的甲基氢的峰。但是随着温度升高，转换速率增加，最终就只会显示出一个平均的 $CH_3$ 峰。

其二是环己烷平伏键和直立键的转换。在室温下，环己烷的构象会发生快速的翻转，因此无法通过核磁区分 axial proton 和 equatorial proton。只有当温度降低时，环己烷构象翻转速度降到足够慢，才会在 NMR 谱图上显示出两个不同的峰。

1.9 Magnetic Equivalance

磁等价（magnetic equivalance）的定义是：如果两个化学等价的核相对于自旋系统（spin system）中的每一个核都具有相同的耦合常数，那么它们是磁等价的。

从定义我们可以发现，化学等价是磁等价的前提条件，这意味着磁等价一定是化学等价的，而化学等价不一定意味着磁等价。

依旧举两个例子看看吧。

首先考虑对氯硝基苯，我们不难发现苯环上有两种化学环境的氢，考虑其中一组化学等价的氢，它们与自旋系统中其他的氢是否具有相同的耦合呢？

答案是否定的，以上图中 $H_A, H_{A'}$ 为例，它们与 $H_X$ 的耦合分别是 $^3J$ 和 $^5J$，这意味着它们是磁不等价的。

第二个例子考虑二氟乙烯的各种异构体。

我们知道，由于烯烃的顺式和反式耦合常数不同，因此上图三种异构体中的质子同样是磁不等价的。

那么磁不等价意味着什么呢？答案是包含磁不等价的核的系统不是一级系统，也就不满足一级系统的裂分规律（即峰裂分比例不满足 Pascal 三角），且此时裂分峰之间的频率差不等于耦合常数。不过更复杂、更细致的耦合系统不在我们此处的讨论范围内。

1.10 Chirality

对于分子内存在手性中心的情况，手性中心会导致其临近的质子的化学环境产生差异，因此会在谱图上产生峰裂分。

以 ipsenol 为例，由于手性中心的存在，我们期望在谱图上看到异丙基结构中两个 $CH_3$ 的不同的两个 doublets。不过，在 300 MHz 核磁谱图中，由于分辨率不足，我们只能看到 triplet。这时我们可以使用氘代苯作氘代试剂，这样就能看出两个不同的 doublet。

或者直接使用高分辨率的 NMR 仪器（600 MHz）就能看出两个独立的 doublets。

1.11 Long-Range Coupling

我们前面提到，核的耦合作用是通过化学键传递的，一般来说，超过 3 根键的耦合作用就已经很弱了，但是在一些特定的刚性结构中，存在长程耦合（long-range coupling）的现象，即使距离很远仍然具有很强的耦合。

例如在 bicyclo[2.1.1]hexane 中，尽管 $H_A, H_B$ 间为 $^4J$耦合，但是其耦合作用却出乎意料的强（$^4J_{AB}=7\ Hz$，作为对比，苯环间位的耦合常数仅有 1 - 3 Hz；烯丙基 H-C-C=C-H 的 $^4J$ 耦合常数仅有 1.6 Hz）。

这种反常的长程耦合作用可能归结于刚性结构中“W”形骨架，这种特定的空间结构使得两端的质子的自旋相互作用极大增强。

1.12 Nuclear Overhauser Effect

本节我们介绍 nuclear Overhauser effect，即 NOE。上文我们提到过核的 spin-spin coupling，这种耦合通过化学键传递，而 NOE 则是通过空间来传递的。NOE 的强度通与耦合的核距离的六次方成反比，因此这意味着 NOE 会随着距离的增大而迅速下降，通常认为 NOE 的作用距离为 4Å。

从物理图景上考虑，NOE 来自于从一个核到另一个核的自旋极化（nuclear spin polarization）转移，这种转移过程是通过交叉弛豫（cross-relaxation）实现的。更进一步的物理解释超出了我们讨论的范围。

作为化学系学生，我们更关心的是如何运用 NOE 来鉴别分子结构中在空间上距离相近的质子。如果我们用低功率（低于去耦功率）的辐射照射分子中的某个质子，那么与该质子在空间上相近的质子的峰信号将会增强（通常增强幅度不会超过 20%），这种效应即为 NOE。因而我们可以将此时的谱图与正常谱图做差，然后就能得到只有 NOE 增强峰的谱图，称为 NOE difference experiment。通过这种手段，我们就能鉴别出那些质子虽然通过化学键的连接较远，但是在空间上却相隔很近，是确定立体异构体、顺反异构的强力工具。

下面是一个简单的例子：

上图中 © 为化合物完整谱图，当照射 3 号位甲基氢时，其 NOE 差谱如 (b) 所示，我们能够注意到只有与 3 号位甲基临近的 4-H 峰信号增强，因此在差谱上表现出来；类似的，当照射 5 号位甲基氢时，其 NOE 差谱如 (a) 所示，4-H 和 6-H 的信号都因为 NOE 而增强。

Summary

核磁氢谱部分到此结束，下一章是核磁碳谱。