《核磁共振波譜法》在研究生教學(xué)中的問(wèn)題分析

王文靜　王葳　趙慶

【摘 要】 碩士研究生課程《核磁共振波譜法》教學(xué)過(guò)程中的一些常見(jiàn)和重要問(wèn)題進(jìn)行了討論，并對(duì)自己的教學(xué)心得進(jìn)行了總結(jié)和歸納。

【關(guān)鍵詞】 核磁共振波譜法；研究生課程；教學(xué)；1H NMR

【中圖分類號(hào)】R445.2 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A 【文章編號(hào)】1007-8517（2016）06-0187-03

波譜分析是有機(jī)物結(jié)構(gòu)鑒定的重要手段，而在波譜分析的“四譜”（即紅外光譜、紫外光譜、核磁共振和質(zhì)譜）中，最重要的是核磁共振波譜法。在研究生的授課內(nèi)容中，核磁共振波譜法包括了1H NMR、13C NMR-DEPT及二維譜等三個(gè)部分的內(nèi)容。就這三部分內(nèi)容而言，13C NMR-DEPT和二維譜兩部分內(nèi)容的講授相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，只要配合著一些天然產(chǎn)物解析的實(shí)例進(jìn)行講解，學(xué)生便容易掌握這部分內(nèi)容；而講解的難點(diǎn)在于1H NMR的解析，學(xué)生往往對(duì)氫譜解析望而生畏。久而久之，很多研究生（包括一些已畢業(yè)的研究生）在解析核磁共振圖譜時(shí)，重視二維譜和碳譜的解析而輕視氫譜解析。究其原因，是氫譜中廣泛存在著偶合裂分的現(xiàn)象，這就需要逐一計(jì)算可能計(jì)算出來(lái)的偶合常數(shù)，并根據(jù)偶合裂分的情況來(lái)判斷各個(gè)基團(tuán)的連接情況，以及各個(gè)磁核之間的等價(jià)關(guān)系。

作者調(diào)研了其他院校該課程的教學(xué)改革[1-3]，參考劍橋大學(xué)新版英文教材[4]，將本文重心鎖定在研究生學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常感到困惑的兩個(gè)問(wèn)題，即化學(xué)位移等價(jià)與磁等價(jià)來(lái)進(jìn)行討論，希望籍此起到拋磚引玉的作用。

1 個(gè)質(zhì)子或基團(tuán)化學(xué)位移是否等價(jià)的判斷[5]

核磁共振法中如此定義“化學(xué)位移等價(jià)”：如果兩個(gè)質(zhì)子或基團(tuán)可通過(guò)對(duì)稱操作交換，或者可通過(guò)單鍵的快速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行交換，則二者為化學(xué)位移等價(jià)。學(xué)習(xí)之初，可以一些簡(jiǎn)單的化合物為例，例如對(duì)二甲苯、鄰二氯苯、反式1，2-二氯環(huán)丙烷、順式1，2-二氯環(huán)丙烷等，學(xué)生可以判斷出兩個(gè)氫（或基團(tuán)）是否等價(jià)。

需要強(qiáng)調(diào)的問(wèn)題是：如果分子中有手性碳存在，而分子中的某個(gè)亞甲基（=CH2）比較接近手性中心，因?yàn)榛瘜W(xué)環(huán)境差異，兩個(gè)氫可能是化學(xué)位移不等價(jià)的。雖然此類現(xiàn)象在天然產(chǎn)物中非常普遍，但在授課過(guò)程中仍需舉一些比較簡(jiǎn)單的實(shí)例，便于學(xué)生理解，如二氫黃酮、羥基苯丙酸（圖1）等。學(xué)生常會(huì)感到困惑的是：羥基苯丙酸中的亞甲基上兩個(gè)氫為什么不等價(jià)？講解時(shí)就需要引導(dǎo)學(xué)生注意：從分子的平面結(jié)構(gòu)的確看不出二者的差別，但搭建出分子模型，并令其處于最穩(wěn)定構(gòu)象，這樣就比較發(fā)現(xiàn)，亞甲基中兩個(gè)氫所處的化學(xué)環(huán)境有差異—站在Hc的“立場(chǎng)”來(lái)看，Hb與Hc處于同側(cè)，Ha與Hc處于異側(cè)。對(duì)于二氫黃酮而言，因?yàn)榉肿又械腍a、Hb為化學(xué)位移不等價(jià)，所以 Ha、Hb、Hc構(gòu)成了一個(gè)典型的AMX自旋系統(tǒng)，每個(gè)氫都裂分為dd峰。羥基苯丙酸的情況也是與此類似。

同時(shí)，需要提醒學(xué)生注意一個(gè)特殊的等價(jià)形式：對(duì)映等價(jià)。以順式1，2-二氯環(huán)丙烷（圖2）為例，分子中的H-1與H-2不能通過(guò)旋轉(zhuǎn)操作交換，但可通過(guò)鏡面對(duì)稱操作交換，那么H-1與H-2可稱之為對(duì)映質(zhì)子。對(duì)映質(zhì)子在非手性環(huán)境中為等價(jià)，在手性環(huán)境中為不等價(jià)。這樣的例子還有很多，如乙醇（圖2）：乙醇分子中亞甲基的兩個(gè)氫就屬于對(duì)映等價(jià)。

2 二級(jí)圖譜，化學(xué)位移等價(jià)而磁不等價(jià)的磁核及AA'XX'自旋系統(tǒng)

2.1 二級(jí)圖譜 通常，我們將那些峰數(shù)符合n+1規(guī)律、小峰強(qiáng)度比符合楊輝三角展開(kāi)式的圖譜稱為一級(jí)圖譜，而峰數(shù)符合n+1規(guī)律、小峰強(qiáng)度比不符合楊輝三角展開(kāi)式的圖譜稱為近似一級(jí)圖譜。能夠輕易地解析的圖譜都是一級(jí)或近似一級(jí)圖譜。對(duì)于峰數(shù)不符合n+1規(guī)律，組內(nèi)各峰之間相對(duì)強(qiáng)度復(fù)雜的圖譜，稱之為二級(jí)圖譜（或高級(jí)圖譜）。有的二級(jí)圖譜可以套用一級(jí)規(guī)律進(jìn)行分析（例如AB自旋系統(tǒng)、ABX自旋系統(tǒng)等），有的則不能用一級(jí)規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)單地分析。

在兩種情況下會(huì)出現(xiàn)二級(jí)圖譜：①分子中存在化學(xué)位移等價(jià)而磁不等價(jià)的核；②兩個(gè)相互偶合的磁核化學(xué)位移很接近（通常，二者化學(xué)位移差值與偶合常數(shù)之比小于6，即：Δυ/J < 6）。對(duì)于第二種情況，如果增加核磁共振儀的共振頻率（實(shí)際上就是增加Δυ/J），或者更換溶劑，那么在絕大多數(shù)情況下，原來(lái)的二級(jí)圖譜可以簡(jiǎn)化為一級(jí)圖譜。但是對(duì)于第一種情況，即分子中存在化學(xué)位移等價(jià)而磁不等價(jià)的核，在這種情況下無(wú)論如何增加儀器的頻率，都不能簡(jiǎn)化為一級(jí)圖譜。

2.2 化學(xué)位移等價(jià)而磁不等價(jià)的現(xiàn)象 磁等價(jià)在核磁共振法中是一個(gè)重要的概念，教材如此定義：在一組化學(xué)位移等價(jià)的核中，其中每一個(gè)與該分子中另一組化學(xué)位移等價(jià)的核中的每一個(gè)自旋核，如果都以相同的偶合常數(shù)進(jìn)行偶合，則這組化學(xué)位移等價(jià)的核被稱為磁等價(jià)的核。化學(xué)位移等價(jià)的核不一定是磁等價(jià)的。

在大多數(shù)的教材中，常常以對(duì)位二取代苯環(huán)、鄰位相同二取代苯環(huán)作為化學(xué)位移等價(jià)、磁不等價(jià)磁核的實(shí)例，如圖3：

學(xué)生開(kāi)始接觸化學(xué)位移等價(jià)、磁不等價(jià)的概念時(shí)，常常會(huì)感到困惑，不理解其內(nèi)涵。這時(shí)就需要轉(zhuǎn)換角度進(jìn)行答疑，磁不等價(jià)是要站在其它磁核的“立場(chǎng)”來(lái)看的。從化合物中Hb的“立場(chǎng)”來(lái)看，Ha與它是鄰位的關(guān)系，而Ha'與它是對(duì)位的關(guān)系。換言之Hb與Ha的偶合常數(shù)，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Hb與Ha'的偶合常數(shù)。可以進(jìn)一步作這樣的比仿：如果將Ha與Ha'比作左右手，Hb與Hb'比作左右腳，那么站在右腳的“立場(chǎng)”來(lái)看，左手和右手是不同的，右手與右腳在同側(cè)，而左手與右腳在異側(cè)。

化學(xué)位移等價(jià)、磁不等價(jià)的現(xiàn)象在天然產(chǎn)物中也是較為常見(jiàn)的。如果圖譜存在化學(xué)位移等價(jià)、磁不等價(jià)的磁核，那么對(duì)應(yīng)的圖譜是二級(jí)圖譜。典型的二級(jí)圖譜是不能采用一級(jí)圖譜的分析方法（可稱之為“一級(jí)規(guī)律”）進(jìn)行解析的。如圖4，為鄰二氯苯的氫譜，它是AA'XX'自旋系統(tǒng)，共計(jì)有28條譜線，已完全不能用一級(jí)規(guī)律去解釋了。雖然如此，但是AA'XX'自旋系統(tǒng)的圖譜并非毫無(wú)規(guī)律。講到這里可以提問(wèn)學(xué)生：從鄰二氯苯的氫譜可以看出有什么規(guī)律呢？細(xì)心的學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這28條譜線是左右對(duì)稱的。

具有AA'XX'自旋系統(tǒng)的二級(jí)圖譜雖然常見(jiàn)，但象鄰二氯苯那樣完全背離一級(jí)圖譜的還真不多見(jiàn)。很多AA'XX'自旋系統(tǒng)不是典型的二級(jí)圖譜，與一級(jí)圖譜十分相似，這就可以近似地作為一級(jí)圖譜來(lái)處理。

例如對(duì)位二取代的苯環(huán)，雖然也是AA'XX'自旋系統(tǒng)，但與一級(jí)圖譜十分類似。例如下圖為對(duì)硝基氯苯的核磁共振氫譜，雖然還有一些較弱的小峰，但四個(gè)主峰還是非常明顯的，對(duì)這樣的圖譜可近似地作為AX自旋系統(tǒng)來(lái)處理（即：可以看作是兩組雙峰來(lái)處理），并可以根據(jù)每一組雙峰計(jì)算出偶合常數(shù)。

具有XCH2CH2Y結(jié)構(gòu)的化合物，為AA`XX`自旋系統(tǒng)，為二級(jí)圖譜。但是，此類型化合物大多數(shù)不是典型二級(jí)圖譜，大多情況下，可近似地用一級(jí)規(guī)律進(jìn)行分析。例如硝基丙烷（CH3CH2CH2NO2）的氫譜，就可近似地作為一級(jí)圖譜來(lái)處理：-CH3為三重峰，與硝基相鄰的=CH2是三重峰，而與甲基相鄰的=CH2為tq峰（即4×3重峰，共12條譜線）。

3 磁等價(jià)核之間為什么不出現(xiàn)裂分的問(wèn)題[6]

我們?cè)谥v授n+1規(guī)律時(shí)常常以氯乙烷為例，對(duì)分子中的-CH3與=CH2的裂分情況作如下解釋：-CH3的質(zhì)子因受到=CH2兩個(gè)質(zhì)子的影響，所以裂分為三重峰；=CH2的質(zhì)子因受到-CH3三個(gè)質(zhì)子的影響，所以裂分為四重峰。會(huì)有部分學(xué)生提出：既然=CH2的兩個(gè)質(zhì)子會(huì)對(duì)-CH3的質(zhì)子施加影響，那么-CH3三個(gè)質(zhì)子之間是不是也互相影響？即：Ha2、Ha3的附加磁場(chǎng)對(duì)Ha1施加的影響。如果真如此，那么現(xiàn)象復(fù)雜得幾乎無(wú)解了，而情況并非如此。因?yàn)榇诺葍r(jià)核之間雖然有偶合，但不出現(xiàn)裂分。

氯乙烷分子中-CH3的三個(gè)質(zhì)子為磁等價(jià)，所以這三個(gè)質(zhì)子之間不會(huì)出現(xiàn)裂分；=CH2的兩個(gè)質(zhì)子也為磁等價(jià)，所以二者之間不會(huì)出現(xiàn)裂分。這就需要進(jìn)一步解釋現(xiàn)象的原因所在。如果既不回避這個(gè)問(wèn)題，又不打算采用深澀難懂的量子力學(xué)解釋，那么可以用一種較為淺顯的解釋。

從最簡(jiǎn)單的自旋系統(tǒng)-二旋系統(tǒng)引入，二旋系統(tǒng)有三種情況，即：AX自旋系統(tǒng)、AB自旋系統(tǒng)、A2自旋系統(tǒng)。AX系統(tǒng)與A2系統(tǒng)均為一級(jí)圖譜，而AB系統(tǒng)為二級(jí)圖譜。

在AX自旋系統(tǒng)中，如果兩個(gè)質(zhì)子H-a與H-b的化學(xué)位移相差較大（二者化學(xué)位移差值與偶合常數(shù)之比Δυ/J ≥20），圖譜為一級(jí)圖譜，兩個(gè)質(zhì)子均觀察到兩條等強(qiáng)度的譜線。如果H-a與H-b的化學(xué)位移相差不大（大致是20 > Δυ/J > 6），則圖譜為近似一級(jí)圖譜，兩個(gè)偶合核之間，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)側(cè)譜線較強(qiáng)、外側(cè)譜線較弱的情況，即在核磁共振氫譜中經(jīng)常看到的“屋脊效應(yīng)”，而且兩組相互偶合的距離越近，峰的不對(duì)稱性越明顯。如果H-a與H-b的化學(xué)位移相差較小（大致是Δυ/J < 6），此時(shí)兩核之間的偶合作用很強(qiáng)，圖譜為二級(jí)圖譜，自旋系統(tǒng)變遷為AB系統(tǒng)。這兩個(gè)偶合核的化學(xué)位移越逼近，偶合作用越強(qiáng)，內(nèi)側(cè)峰就越強(qiáng)、外側(cè)峰就越弱；如果這兩個(gè)偶合核的化學(xué)位移相等時(shí)情況會(huì)如何？如果是這樣，內(nèi)側(cè)峰將會(huì)合并在一起，外側(cè)峰就消失了。相應(yīng)的自旋系統(tǒng)也就由AB系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為A2系統(tǒng)。既然外側(cè)峰消失了，那也就失去了有關(guān)這兩個(gè)磁核的偶合信息。圖7反映了由AX自旋系統(tǒng)至A2自旋系統(tǒng)變遷的過(guò)程。

以上是針對(duì)自旋系統(tǒng)中只有兩個(gè)磁核的情況進(jìn)行討論的。如果系統(tǒng)中的磁核多于兩個(gè)，那么情況也是類似的。

參考文獻(xiàn)

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（收稿日期：2015.12.04）