基于SDBS數據庫深度探究高考視角下分子中不同化學環境氫的問題

【摘要】SDBS作為一個集成了有機物多種光譜數據的綜合資源庫，能為教學研究提供準確且豐富的譜圖資料。利用該數據庫中的氫譜圖，針對高考試題中出現的有機物分子內不同化學環境氫的問題進行深入研究，從而總結出了一取代的環烷烴上、碳碳雙鍵上、苯環上、含不對稱碳的物質中氫原子可能存在的不同化學環境及其特征。這一研究不僅有助于學生更好地理解有機物的結構，同時也為高考化學試題的備考和教學提供更完善的建議。

【關鍵詞】SDBS數據庫；核磁共振氫譜；峰面積；化學環境；高考試題

【中圖分類號】G633.8 " 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2025）02-0154-03

自2021年秋季新學年起，上海全面啟用了新化學教材，其中結構化學與有機化學被共同列為選擇性必修課程。新高考的化學試題也順應這一趨勢，加強了對有機物結構知識的考查，其中解析氫譜、判斷分子中不同化學環境的氫是高考化學試題中的常見題型。SDBS（Spectral Database for Organic Compounds）數據庫，作為一個集成了有機物多種光譜數據的綜合資源，包括了質譜、核磁共振氫譜、紅外光譜等關鍵信息，能為教學研究提供準確且豐富的圖譜資料。因此，借助此數據庫，深入鉆研與此相關的高考試題，不僅有助于促進、完善新課程的教學，更為新高考的備考提供了寶貴的指導和借鑒。

一、試題分析

（一）在環烷烴的一取代物中存在幾種化學環境氫的探析

例1（2022年湖南高考題）：是一種重要的化工原料，其中核磁共振氫譜有3組峰，且峰面積之比為4∶1∶1的結構簡式為_____。（答案：）

在SDBS數據庫中，雖然未能直接查找到環丙基甲醛（）的核磁共振氫譜信息，但是筆者成功檢索到了與其結構相似的化合物環丙基胺（）和一氯環丙烷（）的氫譜信息，相關數據展示在圖1中。在300 MHz的磁場強度下，一取代的環丙烷上都存在三種不同化學環境的氫，分別標記為Hlt;Agt;、Hlt;Bgt;、Hlt;Cgt;。

基于這些類似物的數據，可以合理地推測出在環丙基甲醛的氫譜中也應該存在四組峰，分別對應Ha、Hb、Hc、Hd這四種氫原子（如圖2所示），且這四組峰的峰面積之比應為1∶2∶2∶1。為了驗證這一推測，筆者參考了大學教材《基礎有機化學》[1]中的相關理論：分子中的氫原子如果可以通過對稱操作或快速機制進行互換，則它們被視為化學等價的，化學等價的氫原子在核磁共振譜中會具有相同的化學位移。圖3所示化合物中的He和Hf可以通過C2軸的旋轉對稱操作進行互換，使得這兩個氫原子在該化合物中是化學等價的，在環丙基甲醛分子中并不存在這樣的對稱軸，因此Hb和Hc所處的化學環境并不相同。這一分析揭示了環丙基甲醛中氫原子化學環境的復雜性和答案的不準確之處。

綜上所述，在一取代的不同大小環烷烴中，環上碳所連接的兩個氫原子并不處于相同的化學環境中。因此，在教學過程中，應當避免過度概括和簡化問題，不能簡單地認為“同一個碳原子上的氫總是等價的”，以免誤導學生并影響他們對不同化學環境氫的準確理解。

（二）碳碳雙鍵中存在幾種化學環境氫的探析

例2（2012年北京高考題）：G（C4H6O2）的核磁共振氫譜有3種峰，其峰面積之比為3∶2∶1，G與NaHCO3反應放出CO2反應Ⅱ的化學方程式是_____。（答案：）

圖4是從SDBS數據庫檢索到的甲基丙烯酸" " " （）的氫譜圖，揭示了該分子中存在4種不同化學環境的氫，分別用A、B、C、D標出，且其峰面積之比為1∶1∶1∶1，與題目所描述的并不相符。由于該分子不存在對稱操作使H（B）和H（C）互換；碳碳雙鍵旋轉受阻，也不存在快速機制使H（B）和H（C）互換，所以造成了H（B）和H（C）化學不等價的情況。

同樣的情況也出現在了2013年廣東高考題中。

例3（2013年廣東高考題）：化合物Ⅲ（）" 與NaOH乙醇溶液共熱生成化合物Ⅳ，Ⅳ的核磁共振氫譜除苯環峰外還有四組峰，峰面積之比為1∶1∶1∶2，Ⅳ的結構簡式為_____。（答案：）

類比可知，在化合物Ⅳ中，兩個碳碳雙鍵所連的四個氫原子各自處于不同的化學環境中。因此，除苯環外，實際上還存在五組峰，且峰面積之比為1∶1∶1∶1∶1。

由此可見，若雙鍵上的一個碳連有兩個相同的基團[2]，另一個雙鍵碳連有兩個氫，則這兩個氫所處的化學環境相同，如圖5中的Ha和Hb；若雙鍵上的一個碳連有兩個不同的基團，另一個碳連有兩個氫，則這兩個氫是化學不等價的，如圖6中的Hc和Hd。

（三）探究苯的一取代物氫譜中峰的組數與存在幾種化學環境氫的關系

例4 （2023年全國高考甲卷）：具有相同官能團的B（）的芳香同分異構體中，核磁共振氫譜顯" "示3組峰，且峰面積比為2∶2∶1的同分異構體的結構簡式為_____。（答案： ）

在苯的一取代物中，基于其分子結構的對稱性考慮，苯環上應該存在三種不同環境的氫，且峰面積之比為2∶2∶1，那么在核磁共振氫譜上是否完全如此表現呢？在圖7中列出了SDBS數據庫中的常見的苯的一取代物：苯胺、苯甲醚、甲苯、硝基苯的氫譜圖。苯環上氫的化學位移在6.3～8.5范圍內，值得注意的是，同為苯的一取代物，但在氫譜上，苯環上的氫可能以三組峰、兩組峰或一組峰的形式存在。

在苯胺和苯甲醚中，鄰位、對位氫的化學位移相當，且明顯大于間位氫，所以鄰位、對位氫譜峰發生重疊，從而顯現出兩組峰。在甲苯中，由于鄰位、間位、對位氫的化學位移相差無幾，導致譜峰之間重疊嚴重，從而在圖譜上呈現為一組峰。在硝基苯中，鄰位氫的化學位移最大，形成一組峰；對位氫次之，形成第二組峰；間位氫最小，形成第三組峰，從而在核磁共振氫譜上呈現出三組峰。

綜上所述，氫譜上的峰組數并不總是與不同化學環境的氫的種類數一一對應。不同化學環境的氫可能會因為化學位移非常接近而在譜圖上形成一個寬峰或者峰與峰之間重疊，導致難以區分。所以對于苯的一取代物，苯環上存在三種不同化學環境的氫，但在氫譜上不一定顯現出三組峰。

（四）含不對稱碳的物質中存在幾種化學環境氫的探析

例5（2017年海南高考題）：香茅醛（）可作為合青蒿素的中間體，關于香茅醛的敘述正確的有_____。（答案：AC）

A. 分子式為C10H18O

B. 不能發生銀鏡反應

C. 可使酸性KMnO4溶液褪色

D. 分子中有7種不同化學環境的氫

圖8是從SDBS數據庫中獲得的（S）-香茅醛的氫譜圖。在這張譜圖中出現了10組峰，說明該分子中至少存在10種不同化學環境的氫。對于與雙鍵碳相連的兩個甲基上的氫（HJ和HG）已經確認處于不同的化學環境，這一點在之前的討論中已經明確。然而令人困惑的是，與不對稱碳原子相連的CH2上的兩個氫原子HC和HD也是化學不等價的；同樣的HK的化學位移從1.36到1.27，譜峰較寬，似乎同樣受不對稱碳原子的影響，導致CH2基團上的兩個氫原子化學環境不同，譜峰發生了重疊所造成。在《有機化合物的波譜解析》[2]中給出了這樣的解釋：與手性中心相連的亞甲基，由于在任何形勢下亞甲基上的兩個氫原子不能通過對稱操作互換，所以它們不是化學位移等價的。在任何有手性中心的分子中，一對CH2質子都是非對映異位的；如果手性中心遠離CH2，則CH2兩質子表現為化學等價。

綜上所述，當脂肪鏈中存在手性中心時，即使有兩個相同的基團連接在同一個碳原子上，這兩個基團可能變得化學不等價。而手性碳對分子中其他部分的影響范圍往往難以確定，因此在涉及手性碳的分子中判斷不同化學環境的氫時，情況可能會變得復雜且難以預測。

二、教學及備考建議

（一）避免過度總結

通過對近幾年各省高考題的分析，對于有機物中不同化學環境氫的考查集中在對學生的基礎必備知識的檢驗上，對基礎知識的理解與熟練運用仍然至關重要。但需特別注意的是，高中階段有關核磁共振氫譜的化學知識是經過簡化處理的，應避免出現過度總結結論的現象。

（二）融合新的信息技術手段

SDBS數據庫能提供豐富的譜圖資源，通過它，學生可以完善他們的證據推理意識和邏輯思維結構，也能更清晰地理解氫在不同化學環境中的行為表現，進而提升解答高考中關于不同物質中化學環境氫的問題的準確性。此外，利用SDBS數據庫這樣的數字化工具進行教學和學習，也是對教育數字化轉型積極而有益的嘗試。

參考文獻：

[1]刑其毅，裴偉偉，徐瑞秋，裴堅.基礎有機化學上冊（第四版）[M].北京：北京大學出版社，2018.

[2]（美）羅伯特·西爾弗斯坦（藥明康德新藥開發有限公司 譯）.有機化合物的波譜解析（第八版）[M].上海：華東理工大學出版社，2017.