《核磁共振波譜法》在研究生教學(xué)中的問題分析

王文靜　王　葳　趙　慶

云南中醫(yī)學(xué)院中藥學(xué)院，云南　昆明　650500

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《核磁共振波譜法》在研究生教學(xué)中的問題分析

王文靜王葳趙慶*

云南中醫(yī)學(xué)院中藥學(xué)院，云南昆明650500

【摘要】碩士研究生課程《核磁共振波譜法》教學(xué)過程中的一些常見和重要問題進行了討論，并對自己的教學(xué)心得進行了總結(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

波譜分析是有機物結(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)容的講授相對來說比較容易，只要配合著一些天然產(chǎn)物解析的實例進行講解，學(xué)生便容易掌握這部分內(nèi)容；而講解的難點在于1H NMR的解析，學(xué)生往往對氫譜解析望而生畏。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，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，這就需要逐一計算可能計算出來的偶合常數(shù)，并根據(jù)偶合裂分的情況來判斷各個基團的連接情況，以及各個磁核之間的等價關(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)過程中經(jīng)常感到困惑的兩個問題，即化學(xué)位移等價與磁等價來進行討論，希望籍此起到拋磚引玉的作用。

1個質(zhì)子或基團化學(xué)位移是否等價的判斷[5]

核磁共振法中如此定義“化學(xué)位移等價”：如果兩個質(zhì)子或基團可通過對稱操作交換，或者可通過單鍵的快速旋轉(zhuǎn)進行交換，則二者為化學(xué)位移等價。學(xué)習(xí)之初，可以一些簡單的化合物為例，例如對二甲苯、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)生可以判斷出兩個氫(或基團)是否等價。

需要強調(diào)的問題是：如果分子中有手性碳存在，而分子中的某個亞甲基(=Cp)比較接近手性中心，因為化學(xué)環(huán)境差異，兩個氫可能是化學(xué)位移不等價的。雖然此類現(xiàn)象在天然產(chǎn)物中非常普遍，但在授課過程中仍需舉一些比較簡單的實例，便于學(xué)生理解，如二氫黃酮、羥基苯丙酸(圖1)等。學(xué)生常會感到困惑的是：羥基苯丙酸中的亞甲基上兩個氫為什么不等價？講解時就需要引導(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)，亞甲基中兩個氫所處的化學(xué)環(huán)境有差異—站在Hc的“立場”來看，Hb與Hc處于同側(cè)，Ha與Hc處于異側(cè)。對于二氫黃酮而言，因為分子中的Ha、Hb為化學(xué)位移不等價，所以 Ha、Hb、Hc構(gòu)成了一個典型的AMX自旋系統(tǒng)，每個氫都裂分為dd峰。羥基苯丙酸的情況也是與此類似。

同時，需要提醒學(xué)生注意一個特殊的等價形式：對映等價。以順式1，2-二氯環(huán)丙烷(圖2)為例，分子中的H-1與H-2不能通過旋轉(zhuǎn)操作交換，但可通過鏡面對稱操作交換，那么H-1與H-2可稱之為對映質(zhì)子。對映質(zhì)子在非手性環(huán)境中為等價，在手性環(huán)境中為不等價。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氫就屬于對映等價。

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

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

在兩種情況下會出現(xiàn)二級圖譜：①分子中存在化學(xué)位移等價而磁不等價的核；②兩個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)。對于第二種情況，如果增加核磁共振儀的共振頻率(實際上就是增加Δυ/J)，或者更換溶劑，那么在絕大多數(shù)情況下，原來的二級圖譜可以簡化為一級圖譜。但是對于第一種情況，即分子中存在化學(xué)位移等價而磁不等價的核，在這種情況下無論如何增加儀器的頻率，都不能簡化為一級圖譜。

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

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

學(xué)生開始接觸化學(xué)位移等價、磁不等價的概念時，常常會感到困惑，不理解其內(nèi)涵。這時就需要轉(zhuǎn)換角度進行答疑，磁不等價是要站在其它磁核的“立場”來看的。從化合物中Hb的“立場”來看，Ha與它是鄰位的關(guān)系，而Ha'與它是對位的關(guān)系。換言之Hb與Ha的偶合常數(shù)，要遠遠大于Hb與Ha'的偶合常數(shù)。可以進一步作這樣的比仿：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”來看，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、磁不等價的現(xiàn)象在天然產(chǎn)物中也是較為常見的。如果圖譜存在化學(xué)位移等價、磁不等價的磁核，那么對應(yīng)的圖譜是二級圖譜。典型的二級圖譜是不能采用一級圖譜的分析方法(可稱之為“一級規(guī)律”)進行解析的。如圖4，為鄰二氯苯的氫譜，它是AA'XX'自旋系統(tǒng)，共計有28條譜線，已完全不能用一級規(guī)律去解釋了。雖然如此，但是AA'XX'自旋系統(tǒng)的圖譜并非毫無規(guī)律。講到這里可以提問學(xué)生：從鄰二氯苯的氫譜可以看出有什么規(guī)律呢？細心的學(xué)生就會發(fā)現(xiàn)，這28條譜線是左右對稱的。

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

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

具有XCH2CH2Y結(jié)構(gòu)的化合物，為AA`XX`自旋系統(tǒng)，為二級圖譜。但是，此類型化合物大多數(shù)不是典型二級圖譜，大多情況下，可近似地用一級規(guī)律進行分析。例如硝基丙烷(CH3CH2CH2NO2)的氫譜，就可近似地作為一級圖譜來處理：-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磁等價核之間為什么不出現(xiàn)裂分的問題[6]

我們在講授n+1規(guī)律時常常以氯乙烷為例，對分子中的-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-CH3三個質(zhì)子的影響，所以裂分為四重峰。會有部分學(xué)生提出：既然=CH2的兩個質(zhì)子會對-CH3的質(zhì)子施加影響，那么-CH3三個質(zhì)子之間是不是也互相影響？即：Ha2、Ha3的附加磁場對Ha1施加的影響。如果真如此，那么現(xiàn)象復(fù)雜得幾乎無解了，而情況并非如此。因為磁等價核之間雖然有偶合，但不出現(xiàn)裂分。

氯乙烷分子中-CH3的三個質(zhì)子為磁等價，所以這三個質(zhì)子之間不會出現(xiàn)裂分；=CH2的兩個質(zhì)子也為磁等價，所以二者之間不會出現(xiàn)裂分。這就需要進一步解釋現(xiàn)象的原因所在。如果既不回避這個問題，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)均為一級圖譜，而AB系統(tǒng)為二級圖譜。

在AX自旋系統(tǒng)中，如果兩個質(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)，圖譜為一級圖譜，兩個質(zhì)子均觀察到兩條等強度的譜線。如果H-a與H-b的化學(xué)位移相差不大(大致是20 > Δυ/J > 6)，則圖譜為近似一級圖譜，兩個偶合核之間，會出現(xiàn)內(nèi)側(cè)譜線較強、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)，此時兩核之間的偶合作用很強，圖譜為二級圖譜，自旋系統(tǒng)變遷為AB系統(tǒng)。這兩個偶合核的化學(xué)位移越逼近，偶合作用越強，內(nèi)側(cè)峰就越強、外側(cè)峰就越弱；如果這兩個偶合核的化學(xué)位移相等時情況會如何？如果是這樣，內(nèi)側(cè)峰將會合并在一起，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)變遷的過程。

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

參考文獻

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[6] 蘇克曼，張濟新．儀器分析實驗[J]．北京：高等教育出版社，2005．

衛(wèi)生管理

(收稿日期：2015.12.04)

【中圖分類號】R445.2

【文獻標(biāo)志碼】A

【文章編號】1007-8517(2016)06-0187-03

作者簡介：王文靜，女，副教授，研究方向：中藥化學(xué)成分與質(zhì)量控制。E-mail:notoww@163.com通信作者：趙慶(1969-)，男，教授，研究方向：有機化學(xué)。