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  质子的化学等价性和磁等价性分别与¹H NMR谱中吸收峰的组数和裂分情况密切相关，对分析图谱十分有用，因此是有机化学¹H NMR谱章节教学的重要内容之一。然而，国内有机化学教材对这2个概念的介绍通常都比较简略，不利于学生很好地掌握和运用。为了有利于教学，拟对¹H NMR谱中质子的化学等价性和磁等价性问题进行一些探讨。

  1   质子的化学等价性

  1.1   质子化学等价性的意义

  在核磁共振实验中，分子中处于完全相同化学环境的质子称为化学等价质子(chemical equivalent protons)。相反，处于不同化学环境的质子，则称为化学不等价质子(chemical nonequivalent protons)。化学等价质子必然具有相同的化学位移，化学不等价质子通常具有不同的化学位移，因此，质子的化学等价性与¹H NMR谱中吸收峰的组数密切相关。

  1.2   质子化学等价性的判断

  质子是否化学等价，与分子的对称性、快速交换过程以及是否在手性环境(手性溶剂或试剂)中测定¹H NMR谱有关。文献介绍，判断质子的化学等价性可用对称性操作法^[1-2]或取代法^{[1, 3]}。其中取代法通俗易懂，比较适合于在基础有机化学教学中采用。用取代法判断质子的化学等价性时，是用一个虚拟的实验基团分别取代2个或多个质子，观察取代后得到的2种或多种结构的关系，据此可将质子之间的关系分为4种类型。

  1.3   偶然化学等价问题

  化学等价的质子，具有完全相同的化学位移，一定在同一位置出现吸收峰。但化学不等价质子的情况则比较复杂：多数情况下，它们的化学环境相差较大，在不同位置出现吸收峰；但在某些情况下，它们的化学环境相差较小，或仪器分辨率较低，结果仍然在同一位置出现吸收峰，即通常所说的“分不开”，这种情况称为偶然化学等价^[7](accidentally chemical equivalent)。因为存在偶然化学等价问题，所以不少化合物的¹H NMR谱中，吸收峰的组数要比化学不等价质子的组数少一些。如甲苯分子中，苯环上存在3组化学不等价的质子，但是，用分辨率较低的仪器测定它的¹H NMR谱时，这3组质子分不开，结果在 δ ≈ 7.2出现1个较宽的单峰。又如，CH₂上的2个质子或偕二CH₃上的2组质子，由于非对映异位导致化学不等价时，如果离手性中心或潜手性中心较远，也往往出现偶然化学等价的情况。

  1.2.4   非对映异位质子

  2个质子分别被实验基团取代后，得到2种非对映异构体，包括多个手性中心引起的非对映异构体、顺反异构体和单键旋转受阻等，这样的质子称为非对映异位质子(diastereotopic prontons)。非对映异构体具有不同的物理性质和化学性质，同样，非对映异位质子所处的化学环境是不同的。因此，无论在何种条件下测定，非对映异位质子都是化学不等价的。

  在教学中注意到，“非对映异位质子化学不等价”这种情况比较容易被学生忽视，导致分析图谱时出现错误，因此是教学中的重点和难点。现举数例说明。

  a 为1,2-二氯丙烷，其构造并不复杂，但分子中存在1个手性中心(C-2) ，是手性分子。一定构型的 a 分子中，CH₂上的2个质子H^a和H^b分别被实验基团取代后，将形成1个新的手性中心，结果得到2种非对映异构体。因此，H^a和H^b属于非对映异位质子，是化学不等价的。但CH₃上的3个质子分别被实验基团取代后，得到完全相同的结构，因此CH₃上的3个质子是化学等价的。1,2-二氯丙烷的¹H NMR谱如图 1所示^[4]，共出现4组吸收峰，其中H^a和H^b化学位移明显不同，分别出现1组dd峰。

  图 1  1,2-二氯丙烷的¹H NMR谱(300 MHz) Figure 1.  ¹H NMR spectrum of 1,2-dichloropropane (300 MHz)

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  b 为4-甲基-2-戊醇，分子中也存在1个手性中心(C-2) ，不难看出，CH₂上的2个质子H₃^a和H^b也是化学不等价的。值得注意的是，C-4上所连的2个甲基CH^c和CH₃^d，虽然每个CH₃上的3个质子本身是化学等价的，但2个CH₃相比较，各有1个质子分别被实验基团取代后，将得到2种非对映异构体，因此CH₃^c和CH₃^d上的质子是化学不等价的。4-甲基-2-戊醇的₃¹H NMR谱如图 2所示^[5]，不仅CH₂上的2个质子化学位移明显不同，而且C-4所连的CH^c和CH₃^d上的质子也在不同位置出现吸收峰。

  图 2  4-甲基-2-戊醇的¹H NMR谱(500 MHz，CDCl₃) Figure 2.  ¹H NMR spectrum of 4-methyl-2-pentanol (500 MHz，CDCl₃)

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  c 为乙醛与2分子乙醇形成的缩醛乙醛缩二乙醇。它本身并不存在手性中心，也不是手性分子，但每个CH₂CH₃中CH₂上的2个质子，即H^a和H^b，或者H^a′和H^b′，分别被实验基团取代后会同时产生2个手性中心，即次甲基(CH)碳原子和连有实验基团的碳原子；2个手性中心中，前者构型相同，后者构型相反，因此形成2种非对映异构体。由此可以判断，H^a和H^b是化学不等价的，H^a′和H^b′也是化学不等价的。进一步分析，H^a和H^a′，H^b和H^b′则分别属于对映异位质子，在通常条件下测定时是化学等价的。乙醛缩二乙醇的¹H NMR谱图 3所示^[6]，H^a和H^b，以及H^a′和H^b′，在2个不同位置出现吸收峰。

  图 3  乙醛缩二乙醇的¹H NMR谱(200 MHz，CDCl₃) Figure 3.  ¹H NMR spectrum of diethyl acetal (200 MHz，CDCl₃)

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  1.2.1   等位质子

  2个或多个质子分别被实验基团取代后，得到完全相同的结构，这样的质子称为等位质子(homotopic prontons)。例如，CH₃CH₂Br中CH₃上的3个质子或分子中的6个质子，分别被实验基团取代后，均得到完全相同的结构，因此它们属于等位质子。在¹H NMR谱中，无论在何种条件下测定，等位质子都是化学等价的。

  1.2.2   构造异位质子

  2个或多个质子分别被实验基团取代后，得到构造异构体，这样的质子称为构造异位质子(constitutionally heterotopic prontons)。如CH₃CH₂Br中CH₃上的质子和CH₂上的质子，分别有1个质子被实验基团取代后，将得到构造异构体，因此它们属于构造异位质子。构造异位质子所处的化学环境明显不同，无论在何种条件下测定，都是化学不等价的。又如，甲苯分子中，甲基的邻位、间位、对位质子也是构造异位质子，3者是化学不等价的。

  1.2.3   对映异位质子

  2个质子分别被实验基团取代后，得到一对对映异构体，这样的质子称为对映异位质子(enantiotopic prontons)。例如，CH₃CH₂Br中CH₂上的2个质子，分别被实验基团取代后，得到一对对映异构体，因此它们属于对映异位质子。对映异构体在非手性环境中具有相同的物理性质和化学性质，同样，在通常条件下测定时，对映异位质子是化学等价的。但在手性环境中测定时，它们是化学不等价的，有可能在不同位置出现吸收峰。¹H NMR谱一般是在非手性环境中测定的，因此通常认为对映异位质子也是化学等价的。

  2   质子的磁等价性

  2.1   质子磁等价性的意义

  在同一自旋体系内，化学等价的一组质子，对组外任何一个磁性核的偶合常数都相同，则这组质子称为磁等价质子(magnetic equivalent protons)。反之，在同一自旋体系内，化学不等价的质子一定是磁不等价的(magnetic nonequivalent)；化学等价的一组质子，如果与组外任意一个磁性核的偶合常数不同，则这组质子也是磁不等价的。因此，磁等价是在化学等价的基础上，一种更高级的等价。

  质子的磁等价性与峰的裂分情况密切相关。磁等价的质子，相互之间虽然也有自旋偶合作用，但不会引起自旋裂分。而化学等价但磁不等价的质子，相互之间一般也会产生自旋裂分，并且裂分峰数目不符合 n +1规律，从而产生高级图谱。在教学中，判断化学等价的一组质子是否磁等价，并了解其图谱特征是一个重要的知识点，值得认真分析。

  2.2   化学等价的质子磁等价性的判断

  2.2.3   处于特定构型中的一组化学等价的质子

  由于特定的分子构型，化学等价的一组质子可能是磁不等价的。例如，1,1-二氟乙烯：

  容易看出H^a和H^a′是化学等价的。以F^x为参考(¹⁹F是磁性核，与质子之间有偶合作用)分析H^a和H^a′的磁等价性：H^a与F^x是顺式关系，H^a′与F^x是反式关系，2者与F^x的偶合常数明显不同，因此H^b和H^b′是磁不等价的；以F^x′为参考进行分析时亦如此。由于H^a和H^a′化学等价而磁不等价，相互之间存在自旋裂分作用，再加上¹⁹F核的裂分作用，因此其¹H NMR谱中，H^a和H^a′呈现出一组复杂的多重峰，如图 6所示^[11]。

  图 6  1,1-二氟乙烯的¹H NMR谱(90 MHz，CDCl₃) Figure 6.  ¹H NMR spectrum of 1,1-difluoroethene ( 90 MHz，CDCl₃)

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  2.2.1   自旋体系中只有一组化学等价的质子

  当一个自旋体系中只有1组化学等价的质子时，它们一定是磁等价的。例如，CH₄，C₂H₆，C₆H₆等分子中，所有质子都是化学等价的，且不存在“组外”的磁性核。那么，这些化学等价的质子一定是磁等价的。再如，丁二酸二乙酯 中CH₂CH₂上的4个质子，属于等位质子或对映异位质子，在一般情况下(非手性环境中)是化学等价的，又自成体系(与C₂H₅上的质子没有偶合作用)，因此一般情况下它们也是磁等价的。这些磁等价的质子，相互之间虽然也有自旋偶合作用，但并不引起裂分。结果，CH₄，C₂H₆，C₆H₆的¹H NMR谱只出现1个单峰；一般条件下测定的丁二酸二乙酯的¹H NMR谱，如图 4所示^[8]，中间的CH₂CH₂部分也呈现1个单峰。

  图 4  丁二酸二乙酯的¹H NMR谱(90 MHz，CDCl₃) Figure 4.  ¹H NMR spectrum of diethyl succinate ( 90 MHz，CDCl₃ )

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  2.2.4   构象快速变化中的一组化学等价质子

  如果一个自旋体系中有2组或多组化学不等价的质子，并且存在不同的构象，在判断化学等价的一组质子的磁等价性时，需要考虑构象效应。如CH₃CHBr₂分子中CH₃上的3个质子，假如分子中的C—C键不能快速旋转，其化学环境将不会完 全相同，它们与CH上质子的空间关系也不会完全相同(有邻位交叉和对位交叉之分)，按照化学等价和磁等价的定义，这3个质子将是化学不等价或磁不等价的。但C—C键实际上能够快速旋转，平均化的结果，使CH₃上的3个质子所处的化学环境完全相同，即化学等价；同时，它们与CH上质子的空间关系也完全相同，使得其偶合常数也相同，因此CH₃上的3个质子是磁等价的，彼此之间不会引起自旋裂分。

  2.2.2   处于特定构造中的化学等价的质子

  在某些特定构造中的分子中，化学等价的质子可能是磁不等价的。例如，1,4-二氯丁烷：

  所有质子处于同一自旋体系中，其中C-1和C-4上的质子是化学等价的，C-2和C-3上的质子是化学等价的，即存在2组化学不等价的质子；但不同碳原子上这些化学等价的质子是磁不等价的。以C-1和C-4上的质子为例进行分析：C-1处于C-2的邻位，而C-4和C-2之间则相隔1个碳原子，显然，C-1和C-4上的质子与C-2上质子的偶合情况明显不同；同样，C-1和C-4上的质子与C-3上质子的偶合情况也明显不同。根据磁不等价的定义，C-1和C-4上的质子是磁不等价的。同理，C-2和C-3上的质子也是磁不等价的。

  表面上看，1,4-二氯丁烷的¹H NMR谱似乎应出现2组三重峰，但实际情况并非如此。如图 5所示^[9]，其图谱中实际出现了2组多重峰。对于C-1和C-4上的质子来讲，由于C-2和C-3上的质子存在强烈的偶合作用(Δ ν/J= 0) ，使得它们受到的均是C-2和C-3上质子共同的偶合作用，结果其吸收峰裂分为多重峰( δ ≈ 3.6) 。对于C-2和C-3上的质子来讲，除了分别受到C-1和C-4上质子的自旋裂分作用外，彼此之间也存在明显的自旋裂分作用，因此也裂分为复杂的多重峰( δ ≈ 2.0) 。

  图 5  1,4-二氯丁烷的¹H NMR谱(180 MHz) Figure 5.  ¹H NMR spectrum of 1,4-dichlorobutane ( 180 MHz )

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  除了1,4-二氯丁烷外，还有一些其他化合物，构造并不复杂，但由于存在化学等价而磁不等价的质子，其¹H NMR谱也不太简单。例如，2,3-二甲基丁烷 (CH₃)₂CHCH ( CH₃)₂，可看作是由2个异丙基相连而成，结构比较对称，似乎应出现1组二重峰和1组七重峰。实际上，由于左右的CH₃以及左右的CH上的质子都是化学等价而磁不等价的，其¹H NMR谱中出现了2组多重峰^[10]。

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  图 1  1,2-二氯丙烷的¹H NMR谱(300 MHz)

  Figure 1  ¹H NMR spectrum of 1,2-dichloropropane (300 MHz)

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  图 2  4-甲基-2-戊醇的¹H NMR谱(500 MHz，CDCl₃)

  Figure 2  ¹H NMR spectrum of 4-methyl-2-pentanol (500 MHz，CDCl₃)

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  图 3  乙醛缩二乙醇的¹H NMR谱(200 MHz，CDCl₃)

  Figure 3  ¹H NMR spectrum of diethyl acetal (200 MHz，CDCl₃)

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  图 4  丁二酸二乙酯的¹H NMR谱(90 MHz，CDCl₃)

  Figure 4  ¹H NMR spectrum of diethyl succinate ( 90 MHz，CDCl₃ )

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  图 5  1,4-二氯丁烷的¹H NMR谱(180 MHz)

  Figure 5  ¹H NMR spectrum of 1,4-dichlorobutane ( 180 MHz )

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  图 6  1,1-二氟乙烯的¹H NMR谱(90 MHz，CDCl₃)

  Figure 6  ¹H NMR spectrum of 1,1-difluoroethene ( 90 MHz，CDCl₃)

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