利用核磁共振氫譜分析異構(gòu)化產(chǎn)物

袁耀鋒，王寶緒，黃良森，成佳佳

福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福州 350108

核磁共振是有機(jī)波譜分析課程教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，也是有機(jī)化學(xué)工作者必須掌握的核心技術(shù)之一。有機(jī)波譜分析已普遍成為有機(jī)化學(xué)專業(yè)研究生的學(xué)位課程，但該課程的教學(xué)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(jīng)驗(yàn)，沒有感性認(rèn)識(shí)，沒有有機(jī)合成一線的經(jīng)驗(yàn)體驗(yàn)，導(dǎo)致講課停留在書本上和表面上，課堂授課內(nèi)容不深入、不生動(dòng)，無法理論聯(lián)系實(shí)際，無法深入講解分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)位移及偶合常數(shù)等參數(shù)的關(guān)系；(2)國內(nèi)教材內(nèi)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(guān)鍵數(shù)據(jù)例如偶合常數(shù)分析無法精確計(jì)算，核磁譜圖的作用沒有得到充分發(fā)揮；(3)國內(nèi)部分高校存在大型儀器高檔低配，現(xiàn)代儀器的各種性能功能沒有充分發(fā)揮出來，大材小用，無形中造成浪費(fèi)；(4)教學(xué)內(nèi)容與科研脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)與用兩張皮現(xiàn)象存在，研究生無法熟練掌握NMR等現(xiàn)代大型儀器的原理及操作規(guī)則，一方面影響了研究工作進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)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(chuàng)新人才的培養(yǎng)和高水平成果的產(chǎn)出；(5)進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科研條件的改善，研究生招生規(guī)模逐年增加，研究生來源多樣，基礎(chǔ)參差不齊，研究生在完成理論課程學(xué)習(xí)的同時(shí)，還要進(jìn)實(shí)驗(yàn)室完成導(dǎo)師布置的科研任務(wù)，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(zhǔn)施策，讓有科研經(jīng)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(jìn)或者翻譯的教材，或者高水平大學(xué)留學(xué)歸國教師主編的教材，保證內(nèi)容先進(jìn)，與國外完全接軌；同時(shí)大型儀器完全對研究生開放，經(jīng)過統(tǒng)一培訓(xùn)，持證上崗，讓學(xué)生及時(shí)測試自己的樣品，在科研中贏得主動(dòng)；科研反哺教學(xué)，在教學(xué)過程中選用的例題及練習(xí)題大多數(shù)來自于科研實(shí)際，活學(xué)活用，把學(xué)生的積極性調(diào)動(dòng)起來，多出快出高水平成果。多年來我們在教學(xué)內(nèi)容上與時(shí)俱進(jìn)，常教常新，把有機(jī)波譜分析的學(xué)習(xí)與科研實(shí)際相結(jié)合，習(xí)題及考試題目盡可能貼近學(xué)生的科研工作。

核磁共振氫譜(1H NMR)因?yàn)殪`敏度高、容易測定、樣品可以回收等特點(diǎn)，是鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)以及研究分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、構(gòu)象和計(jì)算反應(yīng)收率等方面的重要方法[1-8]。有機(jī)分子中不同環(huán)境的氫核有不同的化學(xué)位移、裂分，通過氫核的化學(xué)位移、裂分以及峰積分面積可判斷有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)[2-8]。核磁共振已成為有機(jī)結(jié)構(gòu)分析的重要手段之一，本文僅討論核磁共振氫譜解析異構(gòu)體的三個(gè)例子，說明核磁共振是有機(jī)化學(xué)專業(yè)研究生必須具備的知識(shí)，掌握了這些知識(shí)就增添了一雙識(shí)別有機(jī)合成反應(yīng)的慧眼，在科研工作中就可以發(fā)揮主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

1 利用1H NMR判斷異構(gòu)體產(chǎn)物

1.1 二溴苯胺異構(gòu)體結(jié)構(gòu)的確認(rèn)

二溴苯胺存在的6種異構(gòu)體(圖1)。下面給出六種可能的二溴苯胺異構(gòu)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(huán)部分的質(zhì)子共振譜圖。要求利用自旋耦合常數(shù)的大小和分子的對稱性來確定哪個(gè)是該化合物的正確結(jié)構(gòu)[9]。

圖1 二溴苯胺異構(gòu)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(gòu)體。該結(jié)構(gòu)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(shù)均為7.7 Hz，兩組峰化學(xué)位移相差很遠(yuǎn)。由此可知苯環(huán)上三個(gè)氫是AX2自旋體系，苯環(huán)為對稱三取代，2個(gè)等價(jià)的氫核與第3個(gè)氫核偶合，譜圖可看作一級(jí)譜圖，符合n+1規(guī)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(xué)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(gòu)體產(chǎn)物的確認(rèn)

羥基肉桂酸存在六種可能的異構(gòu)體(圖3)。其異構(gòu)體之一的400 MHz核磁氫譜圖(D2O質(zhì)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(shù)的大小的參數(shù)可以確定哪個(gè)是該化合物的正確結(jié)構(gòu)[9]。

圖3 羥基肉桂酸六種可能的異構(gòu)體

圖4 羥基肉桂酸存在六種可能的異構(gòu)體之一的核磁氫譜圖

這個(gè)核磁譜圖是經(jīng)過重水交換后得到的，因此羧酸和酚羥基兩個(gè)活潑氫不用考慮，這樣只考慮苯環(huán)芳香氫和烯烴氫。譜圖有六組峰信號(hào)，由低場到高場，積分比為1:1:1:1:1:1，化學(xué)位移在δ 6.00-8.00之間，譜圖中的6組峰是苯環(huán)上的4個(gè)質(zhì)子與碳碳雙鍵上的2個(gè)質(zhì)子的峰，因此對稱性化合物5和6只能出現(xiàn)四組峰，不符合條件。大約δ 7.05沒有偶合的單峰，表明該質(zhì)子沒有鄰位氫，這就排除了化合物1和2，因?yàn)槠渌械馁|(zhì)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(xué)。在高場(6.30-6.60)與低場(7.50-8.00)出現(xiàn)的2組二重峰，且二者偶合常數(shù)相等，3J=15 Hz(在12-18 Hz之間)，表明這兩個(gè)烯烴質(zhì)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(xiàn)4組峰，忽略遠(yuǎn)程偶合，分別是雙重峰(實(shí)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(huán)的存在，進(jìn)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(zhì)子，其化學(xué)位移應(yīng)在低場(7.50-8.00)，與吸電子的羧基處于同碳的烯烴質(zhì)子，其化學(xué)位移應(yīng)在高場(6.30-6.60)。苯環(huán)上羧基與羥基之間的質(zhì)子H2是單峰(7.05)。與羥基相鄰的質(zhì)子H4其化學(xué)位移在高場(6.80-7.00)，其與羥基間位的質(zhì)子H5有3J偶合(7.5 Hz)，與H2有4J偶合(3.2 Hz)，呈現(xiàn)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(xué)位移應(yīng)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(xiàn)為三重峰。

2 利用1H NMR判斷有機(jī)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)粗產(chǎn)物4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚混合物在苯環(huán)芳族區(qū)域的1H NMR譜圖，要求從該譜圖的積分面積確定反應(yīng)混合物中兩種產(chǎn)物的相對含量[9]。

圖5 苯甲醚的硝化反應(yīng)

圖6 硝化反應(yīng)粗產(chǎn)物在苯環(huán)芳香區(qū)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(jìn)行分析，譜圖中出現(xiàn)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(gè)化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，4-硝基苯甲醚有二重旋轉(zhuǎn)軸，苯環(huán)上的4個(gè)氫構(gòu)成AA’BB’體系，其譜圖是左右對稱的，會(huì)出現(xiàn)兩組峰。2-硝基苯甲醚由于苯環(huán)不同基團(tuán)鄰位取代，形成ABCD體系[1]，會(huì)出現(xiàn)四組峰。對積分比進(jìn)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(xué)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(yīng)的兩個(gè)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(gè)氫的信號(hào)強(qiáng)度為2.6，4-硝基苯甲醚的信號(hào)兩個(gè)氫的強(qiáng)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(jié)語

核磁共振技術(shù)是有機(jī)化學(xué)工作者必須掌握的核心技術(shù)之一，學(xué)懂弄通，真正地掌握了核磁共振的解析方法，就可以隨時(shí)解決有機(jī)合成中遇到的各種問題。當(dāng)然，如果僅僅使用NMR數(shù)據(jù)判斷有機(jī)反應(yīng)、鑒定化合物的結(jié)構(gòu)有時(shí)不夠全面，需要結(jié)合紅外光譜、質(zhì)譜等共同鑒定。利用核磁共振法區(qū)分結(jié)構(gòu)簡單的同分異構(gòu)體，需要熟練掌握不同類型化合物的自旋體系、偶合常數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系和熟悉常見官能團(tuán)的NMR譜圖特征等，希望本文為有機(jī)化學(xué)專業(yè)的研究生學(xué)習(xí)和掌握有機(jī)反應(yīng)產(chǎn)物混合物中異構(gòu)體的鑒定提供幫助。