乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構的核磁共振研究
——推薦一個物理化學實驗

馮柳賓，歐陽捷，安冬麗，葉劍良

廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005

羰基化合物在室溫下易發生酮式-烯醇式互變異構，研究發現少量的酸、堿(甚至是玻璃容器)[1]、水[2,3]等均可促進這一反應的發生。另外，羰基化合物的酮式-烯醇式互變異構是有機生物分子內質子轉移的典型方式，具有重要的生理意義[4,5]。而烯醇類化合物，如烯醇醚、烯醇酯等，也是重要的反應中間體，在有機合成化學、配位化學等中都有著重要應用[6]。因此，酮式-烯醇式互變異構相關內容一直是大學有機化學中醛酮章節中的重要知識點[1]，但理解這些抽象概念對許多學生一直是個挑戰。此外，有機、生物分子的酮式-烯醇式互變異構反應平衡受溫度和溶劑影響的研究一直也是物理化學研究的重要內容[7-9]。經過幾十年的研究，已有紅外、紫外-可見，氣相色譜和液相色譜等多種技術手段應用于酮式-烯醇式互變異構平衡研究，其中核磁共振(NMR)可以說是最常用、直觀的譜學技術[10]。利用核磁共振氫譜技術探討β-二羰基化合物的酮式-烯醇式互變異構平衡是大學物理化學中的經典基礎實驗之一[11]。通過不同的實驗設計，串聯了物理化學、有機化學、儀器分析和量化計算等多方面知識，具有很高的教育和科研價值。盡管在國內核磁共振譜儀已經在多個高等院校普及，并且開設了多種核磁共振實驗課程，但很少見到開設酮式-烯醇式互變異構平衡相關實驗的報道，國內大學物理化學教科書中也未涉及這一方面的實驗內容[12,13]。因此，本文擬介紹這一經典的大學物理化學實驗。

本實驗擬通過配制不同體積占比氘代氯仿和氘代二甲基亞砜的混合溶液來構建具有極性連續變化的溶液體系[14]。再采用定量核磁共振氫譜技術觀察、分析不同極性溶液體系中乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互變異構平衡，同時結合量化計算方法來輔助分析實驗結果。這樣的實驗設計有助于學生融會貫通多學科知識，深入理解酮式-烯醇式互變異構這一重要的有機化學知識點，并培養其綜合運用實驗-理論手段系統分析問題的能力。

1 實驗目的

(1) 學習定量核磁共振氫譜的測試技術。

(2) 了解不同溶劑極性對1,3-二羰基化合物酮式和烯醇式互變異構體化學位移的影響規律；鞏固核磁共振氫譜的指認和解析能力。

(3) 掌握核磁共振法確定酮式-烯醇式互變異構平衡常數的方法。

(4) 學習利用Gaussian程序計算不同極性溶液中酮式、烯醇式互變異構體的能量和偶極矩。

2 實驗原理

2.1 1,3-二羰基化合物的酮式-烯醇式互變異構平衡

酮式-烯醇式互變異構平衡在不同羰基化合物結構下呈現明顯差異。通常情況下，酮式占主要成分，而烯醇式占比很小。然而，對α-位存在硝基、氰基、酰基以及磺酰基等吸電子基團的羰基化合物，例如1,3-二羰基化合物，烯醇式的比例則會明顯增加，甚至成為主要存在形式。乙酰丙酮(2,4-戊二酮)是最簡單的1,3-二羰基化合物(也稱β-二酮)，其互變異構平衡存在兩種化學平衡(如圖1所示)：酮式和烯醇式之間的平衡(I)和兩種烯醇式的平衡(II)。前者屬于慢交換，在核磁氫譜中可以分別觀察到酮式和烯醇式的信號峰；而后者屬于快交換，在核磁氫譜中只能夠觀察到一套時間平均信號峰。此外，乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構化學平衡中，酮和烯醇的含量會隨溶劑的極性和溫度不同而變化[11,15]。其中溶劑極性對平衡的影響遵循Meyer規則[14,15]，即隨著溶液極性增加，酮式異構體比例會增加。所以一般認為酮式異構體比烯醇式異構體具有更強的極性[11]。兩種異構體間極性差異似乎也與其電子結構特征相符：烯醇結構中羥基氧上一對p電子和碳碳、碳氧雙鍵形成p-π共軛體系，使分子內電子分布相對酮更為平均，所以極性相對較小(圖1)。但理論計算結果卻表明烯醇式異構體的極性反而更高[15,16]。

圖1 乙酰丙酮分子酮式-烯醇式互變異構平衡

2.2 混合溶劑的極性估算

溶劑極性大小通常由介電常數表征，極性越大，其介電常數越大。本實驗中，通過變化混合溶劑中氘代二甲亞砜(DMSO-d6)和氘代氯仿(CDCl3)的比例來調控溶劑極性的大小。而兩種溶劑的混合溶劑的表觀介電常數可以由經驗公式(1)計算[14]：

其中ε為混合物的表觀介電常數，X為溶劑的摩爾分數。系數a、b、c和d通過所用每種溶劑的介電常數(D)和體積(V)計算(公式2)：

2.3 基于核磁共振氫譜(1H NMR)的酮式-烯醇式互變異構平衡常數計算

核磁共振氫譜是一種現代化學中廣泛應用的分析手段，在譜圖中呈現三種基本信息：化學位移、譜峰積分面積和耦合常數。其中，譜峰積分面積與所對應氫原子個數(摩爾濃度)成正比，這是核磁定量表征的基礎，也是本實驗用來測試乙酰丙酮溶液中酮和烯醇式相對含量的依據，即通過乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構體相應的特征氫原子的譜峰面積比來確定其相對含量。所以，平衡常數Keq可用烯醇式[enol]和酮式[keto]的氫譜譜峰積分面積比值來表示(公式3)：

然而需要注意的是，同一分子中不同基團上氫的縱向弛豫時間(T1)不同，其恢復到平衡的所需時間也不同。當核磁氫譜實驗中所設置的等待時間不夠長時，不同基團上氫的譜峰強度所受影響程度也不同，從而影響定量分析的準確性。實驗使用90°脈沖激發，要注意設置氫譜的采樣時間加上等待時間大于等于5倍的T1。教學過程中學生可使用短等待時間、小脈沖激發角度(比如30°)來對比實驗結果。另外，還需要設置足夠的累加次數，以使譜圖具有足夠的信噪比。

3 實驗方法

3.1 儀器與試劑

所有核磁實驗都在配備梯度正向寬帶探頭的布魯克AVANCE III HD 600MHz超導核磁共振波譜儀(瑞士)上進行。

乙酰丙酮(AcAc，純度99.5%，羅恩試劑)，氘代二甲基亞砜(DMSO-d6，純度99.9%，0.03%V/VTMS，劍橋同位素實驗室)，氘代三氯甲烷(CDCl3，純度99.8%，0.03%V/VTMS，青島騰龍科技有限公司)。所有使用的試劑都沒有進一步純化。氘代二甲基亞砜易吸水，保存時注意保持干燥，取用要迅速，以防譜圖中水峰太大影響后續分析。

3.2 實驗步驟

3.2.1 配制樣品溶液

在通風櫥內預先配制10 mmol·L-1乙酰丙酮的CDCl3/DMSO-d6混合溶液，然后取600 μL轉移到5 mm核磁管內，其中DMSO-d6的體積占比分別為0、25%、50%、75%、100%。使用公式(2)，代入CDCl3(4.80)和DMSO-d6(46.70)的介電常數，得到混合溶劑的介電常數(表1)。

表1 不同混合比例的溶劑的介電常數

3.2.2 定量核磁氫譜實驗

為避免溫度對互變異構平衡的影響，先將裝有配制好的樣品的核磁管放置在25 °C的恒溫箱內至少4 h，然后將其放入已控溫25 °C的磁體，穩定5 min后，使用zg脈沖序列(激發脈沖設置為90°)采集1H核磁譜圖，譜寬設為δ24，中心位置為δ8，掃描次數為8次(為了獲得足夠的信噪比，可根據儀器靈敏度不同增加掃描次數)，等待時間為30 s，采樣時間為2.27 s。單次實驗時間約為5 min，數據采集和處理軟件為TopSpin 3.2。其中乙酰丙酮在不同混合溶劑下氫原子的縱向弛豫時間T1預先通過反轉恢復脈沖實驗得到(詳見表2)，據此設置定量核磁氫譜實驗的等待時間。所有譜圖以四甲基硅烷(TMS)為內標(δ0)。

表2 乙酰丙酮在CDCl3/DMSO-d6混合溶劑中的譜峰歸屬、烯醇占比、烯醇互變平衡常數及烯醇式異構體中H3’的縱向弛豫時間(T1)

3.2.3 量化計算的方法

量化計算采用Gaussian 09[17]程序。考慮到基礎實驗室一般計算資源有限，為節省計算時間，同時得到較為準確的數據。我們首先使用B3LYP/6-31G*在氣相下對酮式和烯醇式的目標分子進行結構優化，然后使用該優化后的結構，在相同的方法和基組上計算不同混合溶液中的自由能和偶極矩。計算中采用極化連續介質模型(PCM)，利用表1中的不同混合比例的溶劑介電常數模擬溶液效應。然后根據玻爾茲曼分布定律計算乙酰丙酮在不同混合溶劑中烯醇式所占比例，計算公式為：

其中Penol為烯醇式占比，Eenol和Eketo分別為計算所得的烯醇式和酮式異構體的自由能，R為氣體常數，T為絕對溫度。

4 結果與討論

4.1 基于1H NMR的乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構平衡常數分析

首先對酮式和烯醇式兩種異構體的信號峰進行歸屬。在乙酰丙酮溶于CDCl3的1H核磁譜圖中(圖2a)，δ2.05處峰為烯醇式異構體的甲基峰(H-1’/H-5’)；由于酮羰基與甲基之間的超共軛作用比烯鍵更強，導致酮式異構體的甲基(H-1/H-5)化學位移較烯醇式的偏向低場，位于δ2.25。酮式異構體的α位亞甲基氫(H-3)的化學位移出現在δ3.59；烯醇式異構體的α位烯基氫(H-3’)由于雙鍵的磁各向異性效應，使其化學位移更偏向低場(δ5.50)。而烯醇式異構體中的羥基(—OH)也受到雙鍵的磁各向異性以及氧原子與雙鍵的p-π共軛效應和分子內氫鍵造成活潑氫的去屏蔽效應，最終導致活潑氫的化學位移出現在極低場δ15.46 (在圖2未標出)[18]。乙酰丙酮在不同比例CDCl3/DMSO-d6混合溶劑中的酮式和烯醇式異構體譜峰的歸屬見表2。需要注意的是，在譜圖中出現在δ2.50左右的是DMSO-d6殘余氫峰；δ3.00-4.00之間的寬峰為DMSO-d6溶劑中吸附水的信號峰(圖2b-2e)。從表2的結果可以看出，DMSO-d6的加入產生明顯的溶劑效應，隨著混合溶劑中DMSO-d6所占比例的增加，酮式和烯醇式異構體的H-3化學位移均逐漸向低場移動，而甲基峰則逐漸向高場移動。

然后，選擇酮式異構體亞甲基峰(H-3)和烯醇式異構體中次亞甲基峰(H-3’)通過軟件TopSpin3.2進行譜線形狀擬合得出積分面積(由于水峰干擾，這里不能用簡單區間積分方法)。把H-3積分面積的一半和H-3’積分面積帶入到公式(3)計算烯醇含量占比及Keq值，結果列于表2中。教學過程中也可以使用甲基的譜峰面積來計算，并比對使用譜線形狀擬合和簡單區間積分所得結果的差別。結合表1、表2的結果可以看出，當CDCl3/DMSO-d6混合溶劑中DMSO-d6比例分別為0、25%、50%、75%和100%時，對應溶液的介電常數分別為4.80、5.28、8.74、25.04和46.70，極性逐漸增強，而烯醇式異構體占比從84.7%逐漸降低至56.6%，酮式異構體占比則逐漸增加，這與Meyer規則相符[14,15]。

4.2 量化計算

量化計算結果表明，在所有溶液中烯醇式異構體是更加穩定的存在形式(表3)，這可能是因為烯醇式異構體中形成了分子內氫鍵，從而有效降低了分子體系的能量[16]。相應的，通過玻爾茲曼分布定律計算的不同混合溶劑中烯醇式異構體比例也始終大于酮式。但隨著溶液極性增加，兩者之間的能量差逐漸變小，酮式異構體的比例逐漸增加。這與核磁實驗觀察到的烯醇式為主要異構體，且隨溶液極性增加烯醇式異構體占比逐漸減少的結果一致。另外，烯醇式異構體中羰基與羥基通過氫鍵形成六元環平面結構，兩個氧原子呈順式排布(圖3)；酮式異構體的兩個羰基則由于偶極偶極排斥作用呈反式排布(O—CC—O二面角為138.6°)。兩種異構體中作為負電中心的氧原子的排布方式不同導致烯醇式異構體的偶極矩大于酮式異構體(表3)。如果將酮式異構體的兩個羰基設為順式排布(O—CC—O二面角為0°)，然后用相同方法計算該結構的偶極矩為6.11 D (溶劑為DMSO-d6)，遠大于相應的烯醇式異構體的偶極矩(3.76 D)，也很好證實上述分析。表3結果也表明隨著溶劑極性的增加，烯醇式和酮式互變異構體的偶極矩都會有所增大，溶劑從弱極性的CDCl3到極性溶劑DMSO-d6，烯醇異構體的偶極矩增加了0.23 D，而酮式異構體才增加0.14 D。表明兩種異構體和溶劑的相互作用都在增強，而烯醇式異構體比酮式受到影響更大。在表2中烯醇式H3’隨著溶劑極性增強往低場偏移δ0.19，而酮式H3只偏移δ0.10，也與這一結論相符。

表3 量化計算的乙酰丙酮烯醇式和酮式異構體的自由能和偶極矩

圖3 在B3LYP/6-31G＊水平上優化得到的乙酰丙酮的烯醇式(a)和酮式(b)異構體結構

5 實驗安排和教學組織建議

(1) 乙酰丙酮的酮式和烯醇式異構體特征氫原子化學位移差異明顯，實驗中可以安排討論誘導效應和各向異性效應對于化學位移的影響。這有助于加深學生對不同化學環境下氫原子的化學位移范圍分布規律的認識。

(2) 由于氫譜的T1測試實驗時間較長，在教學實踐中需要提前測試或可直接引用本文報道的T1數據設置等待時間。

(3) 如果教學時間充裕時，可以進行等待時間較短的常規氫譜實驗，讓學生對比定量氫譜實驗結果，分析實驗誤差，加深對于定量核磁測試的了解。

(4) 乙酰丙酮的烯醇式異構體中烯基氫(H3’)的弛豫時間最長，即核磁測試時甲基氫更快達到平衡。因此，教師可以引導學生選擇甲基的譜峰積分面積來計算平衡常數，并對所得兩組平衡常數進行比較。

(5) 理論計算結果表明，乙酰丙酮的酮式異構體比烯醇式的極性小[2,15,16]。因此，教師可以在課堂上引導學生探討溶劑極性對乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構平衡的影響原因，并設計相關實驗進行驗證。

(6) 實驗以小組形式展開，每組3-5人，要求學生進行文獻調研，課下小組討論，熟悉實驗目的和實驗內容。整個實驗分4個階段，每個階段2學時。第一階段為理論課程，介紹酮式-烯醇式互變異構平衡、溶液極性、核磁共振氫譜；第二階段為實驗課程，進行樣品配制以及核磁實驗操作；第三階段為量化計算課程；第四階段為數據分析課程，進行核磁譜圖指認、平衡常數計算以及量化結果分析。在實際教學中可根據教學進度和對象靈活安排為綜合性實驗一次性完成，也可安排為4 + 4的兩次實驗。

6 結語

本實驗通過定量核磁共振氫譜技術，觀察不同極性溶液體系下乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互變異構平衡變化，并計算平衡常數；再結合量化計算結果探索溶劑極性影響平衡的機制。在實驗設計上，跳出單純依靠更換溶劑改變溶液極性的常規模式，通過改變混合溶劑比例來構造極性連續變化的溶液模型。實驗結果表明，不同極性溶劑中乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互變異構平衡移動明顯，易于觀察。利用量化計算分析實驗結果，可實現理論和實驗手段的有機結合。通過本實驗的開展，學生可以對基礎理論知識有直觀的感性認識，易于激發學生的科學研究熱情和興趣，培養化學研究思維，提升綜合運用多種方法分析解決問題的能力。此外，本實驗也有助于學生進一步了解核磁共振技術這一重要的研究手段，適用于化學及相關專業高年級本科生的物理化學實驗，也可以作為儀器分析實驗開展教學。