利用核磁共振氫譜分析異構化產物

袁耀鋒，王寶緒，黃良森，成佳佳

福州大學化學學院，福州 350108

核磁共振是有機波譜分析課程教學中的重點內容之一，也是有機化學工作者必須掌握的核心技術之一。有機波譜分析已普遍成為有機化學專業研究生的學位課程，但該課程的教學普遍存在以下問題：(1)主講該課程的部分教師缺乏對核磁共振儀的操作經驗，沒有感性認識，沒有有機合成一線的經驗體驗，導致講課停留在書本上和表面上，課堂授課內容不深入、不生動，無法理論聯系實際，無法深入講解分子結構與化學位移及偶合常數等參數的關系；(2)國內教材內容陳舊老化，舉例的譜圖不清楚，很少用到原始核磁譜圖，這樣涉及核磁的關鍵數據例如偶合常數分析無法精確計算，核磁譜圖的作用沒有得到充分發揮；(3)國內部分高校存在大型儀器高檔低配，現代儀器的各種性能功能沒有充分發揮出來，大材小用，無形中造成浪費；(4)教學內容與科研脫節，導致學與用兩張皮現象存在，研究生無法熟練掌握NMR等現代大型儀器的原理及操作規則，一方面影響了研究工作進度，核磁測試停留在表面，另一方面科研工作沒有深入開展，拿到的相關數據缺乏深入分析，影響了科研水平和研究能力的提高，也影響了創新人才的培養和高水平成果的產出；(5)進入21世紀，隨著科研條件的改善，研究生招生規模逐年增加，研究生來源多樣，基礎參差不齊，研究生在完成理論課程學習的同時，還要進實驗室完成導師布置的科研任務，如果能夠高效利用核磁共振等大型儀器，完全可以解決研究工作遇到的難題，提高工作效率。針對以上問題，我們有的放矢，精準施策，讓有科研經歷、使用過核磁共振等大型儀器的教師主講該課程；教材使用近年來從國外引進或者翻譯的教材，或者高水平大學留學歸國教師主編的教材，保證內容先進，與國外完全接軌；同時大型儀器完全對研究生開放，經過統一培訓，持證上崗，讓學生及時測試自己的樣品，在科研中贏得主動；科研反哺教學，在教學過程中選用的例題及練習題大多數來自于科研實際，活學活用，把學生的積極性調動起來，多出快出高水平成果。多年來我們在教學內容上與時俱進，常教常新，把有機波譜分析的學習與科研實際相結合，習題及考試題目盡可能貼近學生的科研工作。

核磁共振氫譜(1H NMR)因為靈敏度高、容易測定、樣品可以回收等特點，是鑒定有機化合物結構以及研究分子結構、構型、構象和計算反應收率等方面的重要方法[1-8]。有機分子中不同環境的氫核有不同的化學位移、裂分，通過氫核的化學位移、裂分以及峰積分面積可判斷有機化合物的結構[2-8]。核磁共振已成為有機結構分析的重要手段之一，本文僅討論核磁共振氫譜解析異構體的三個例子，說明核磁共振是有機化學專業研究生必須具備的知識，掌握了這些知識就增添了一雙識別有機合成反應的慧眼，在科研工作中就可以發揮主動性和創造性。

1 利用1H NMR判斷異構體產物

1.1 二溴苯胺異構體結構的確認

二溴苯胺存在的6種異構體(圖1)。下面給出六種可能的二溴苯胺異構體之一(5%的二溴苯胺氘代氯仿溶液)的90 MHz NMR譜儀所測譜圖的一部分(圖2)，僅給出了芳環部分的質子共振譜圖。要求利用自旋耦合常數的大小和分子的對稱性來確定哪個是該化合物的正確結構[9]。

圖1 二溴苯胺異構體

圖2 5%的二溴苯胺的部分核磁氫譜圖(90 MHz,CDCl3)

二溴苯胺有6種位置異構體。該結構的譜圖只有2組峰，積分比為2:1，且一組為二重峰，一組為三重峰，偶合常數均為7.7 Hz，兩組峰化學位移相差很遠。由此可知苯環上三個氫是AX2自旋體系，苯環為對稱三取代，2個等價的氫核與第3個氫核偶合，譜圖可看作一級譜圖，符合n+1規則，可以判斷該化合物只能是2,6-二溴苯胺(4)。

H3與H4有3J偶合，H5也與H4偶合，且H3、H5為等位氫，H3和H5化學位移相等，被H4裂分為二重峰，H4被H3和H5裂分為dd四重峰，但3J3,4=3J4,5=7.7 Hz，中間兩條曲線重疊而成為3條譜線。

1.2 羥基肉桂酸異構體產物的確認

羥基肉桂酸存在六種可能的異構體(圖3)。其異構體之一的400 MHz核磁氫譜圖(D2O質子交換后的5% CDCl3溶液)如圖4所示。使用對稱性和自旋耦合常數的大小的參數可以確定哪個是該化合物的正確結構[9]。

圖3 羥基肉桂酸六種可能的異構體

圖4 羥基肉桂酸存在六種可能的異構體之一的核磁氫譜圖

這個核磁譜圖是經過重水交換后得到的，因此羧酸和酚羥基兩個活潑氫不用考慮，這樣只考慮苯環芳香氫和烯烴氫。譜圖有六組峰信號，由低場到高場，積分比為1:1:1:1:1:1，化學位移在δ 6.00-8.00之間，譜圖中的6組峰是苯環上的4個質子與碳碳雙鍵上的2個質子的峰，因此對稱性化合物5和6只能出現四組峰，不符合條件。大約δ 7.05沒有偶合的單峰，表明該質子沒有鄰位氫，這就排除了化合物1和2，因為其所有的質子都有鄰位偶合的氫。化合物3和4差別在于烯烴雙鍵的立體化學。在高場(6.30-6.60)與低場(7.50-8.00)出現的2組二重峰，且二者偶合常數相等，3J=15 Hz(在12-18 Hz之間)，表明這兩個烯烴質子處于反式，因此正確的答案就是化合物3。在δ 6.80-7.40之間出現4組峰，忽略遠程偶合，分別是雙重峰(實際是四重峰)(6.80-7.00)、單重峰(7.05)、雙重峰(7.08-7.20)以及三重峰(7.24-7.30)，由于有單峰存在可判斷間位取代苯環的存在，進一步證明只有化合物3滿足要求。

與吸電子的羧基處于順式的烯烴質子，其化學位移應在低場(7.50-8.00)，與吸電子的羧基處于同碳的烯烴質子，其化學位移應在高場(6.30-6.60)。苯環上羧基與羥基之間的質子H2是單峰(7.05)。與羥基相鄰的質子H4其化學位移在高場(6.80-7.00)，其與羥基間位的質子H5有3J偶合(7.5 Hz)，與H2有4J偶合(3.2 Hz)，呈現為四重峰(可以看作雙重峰)。H6與吸電子的共軛烯氫相鄰，其化學位移應在低場(7.08-7.20)，與H5有3J偶合(7.5 Hz)。間位的H5被H4和H6裂分為dd四重峰，但3J4,5=3J5,6=7.5 Hz,中間兩條曲線重疊而成為3條譜線，呈現為三重峰。

2 利用1H NMR判斷有機化學反應產物的比例

用硝化試劑對苯甲醚小心硝化，得到了4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚的混合物(圖5)。圖6是該硝化反應粗產物4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚混合物在苯環芳族區域的1H NMR譜圖，要求從該譜圖的積分面積確定反應混合物中兩種產物的相對含量[9]。

圖5 苯甲醚的硝化反應

圖6 硝化反應粗產物在苯環芳香區域的核磁氫譜圖(500 MHz,CDCl3)

通過對4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚的混合組分的核磁共振氫譜進行分析，譜圖中出現了5組峰，由低場到高場，積分比為2.6:3.2:2.6:2.6:5.8。對兩個化合物結構進行分析，4-硝基苯甲醚有二重旋轉軸，苯環上的4個氫構成AA’BB’體系，其譜圖是左右對稱的，會出現兩組峰。2-硝基苯甲醚由于苯環不同基團鄰位取代，形成ABCD體系[1]，會出現四組峰。對積分比進行分析，由于2.6+3.2=5.8，處于高場(6.60-6.70)積分為5.8的是化學位移相近的兩組分疊加，積分比為2.6:3.2，因此積分為2.6的有四組峰，積分為3.2的有兩組峰，對應的兩個化合物分別是2-硝基苯甲醚和4-硝基苯甲醚。2-硝基苯甲醚的峰組為三重峰(6.67，1H)，二重峰(6.82，1H)，三重峰(7.28，1H)，二重峰(7.76，1H)。4-硝基苯甲醚的峰組為二重峰(6.65，2H)，二重峰(7.53，2H)。因此，若2-硝基苯甲醚每個氫的信號強度為2.6，4-硝基苯甲醚的信號兩個氫的強度為3.2，混合樣中2-硝基苯甲醚：4-硝基苯甲醚=2.6:1.6。所以，苯甲醚硝化后2-硝基苯甲醚的含量為61.9%，4-硝基苯甲醚的含量是38.1%。

3 結語

核磁共振技術是有機化學工作者必須掌握的核心技術之一，學懂弄通，真正地掌握了核磁共振的解析方法，就可以隨時解決有機合成中遇到的各種問題。當然，如果僅僅使用NMR數據判斷有機反應、鑒定化合物的結構有時不夠全面，需要結合紅外光譜、質譜等共同鑒定。利用核磁共振法區分結構簡單的同分異構體，需要熟練掌握不同類型化合物的自旋體系、偶合常數與結構的關系和熟悉常見官能團的NMR譜圖特征等，希望本文為有機化學專業的研究生學習和掌握有機反應產物混合物中異構體的鑒定提供幫助。