活泼氢的核磁共振氢谱

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氢是构成有机化合物的重要元素,核磁共振氢谱通过相关氢的化学位移、耦合裂分以及积分等为有机化合物的结构解析提供了大量有价值的信息。烷氢、烯氢、炔氢、芳香氢以及醛基氢等常规氢在氢谱里的表现特征性很强归属较容易。相对这类氢原子,活泼氢的解析就要复杂得多。所谓活泼氢是指有一定的酸性,容易离去或容易发生交换的氢,一般在其周围有强吸电子基团。常见的活泼氢一种是直接与杂原子相连,如OH、NH、SH等基团上的氢原子,涉及的化合物类型有醇、酚、羧酸、胺、酰胺、硫醇等;或者是羰基或硝基等基团的α-氢。由于它们受活泼氢的交换作用及氢键形成的影响,活泼氢的峰和连接在碳原子上的氢的峰有很大不同,活泼氢在不同条件下化学位移值很不固定,并在一个较大的范围变动,而峰形也有可能像其他的氢一样比较尖锐,甚至有裂分但是某些情况又比较钝,甚至不出峰。因此,活泼氢的核磁共振氢谱解析对化合物结构推导有重要意义。


O-H,N-H和S-H键活泼氢化学位移

氢原子在有机化合物分子中以单键形式与其他原子相连接,氢原子的化学位移、峰形会受到相连原子成键影响,最常见的活泼氢是与O、N和S元素相连的,其元素电负性、键长及所在化合物类型和相关活泼氢化学位移见表1。O-H、N-H、S-H的化学位移基本覆盖了氢谱的全部范围。

影响活泼氢化学位移因素

影响活泼氢的因素有很多,例如(1)与相连杂原子的电负性有关; (2)当与活泼氢相连的杂原子直接与双键或苯环相连接时,由于受到苯环或者双键所在平面的各向异性去屏蔽作用以及杂原子与芳环或双键的p-π共轭效应造成的活泼氢周围电子云密度减小,屏蔽效应也就随之减弱,质子的化学位移将向低场移动,活泼氢化学位移增大,酚的活泼氢化学位移比相应脂肪醇化学位移大,芳香胺比脂肪胺大;N-芳基取代的酰胺活泼氢化学位移比饱和烷基取代的大等等。(3)氢键的形成与溶液浓度、pH、温度、溶剂等都很有关系,不同的测试环境将造成氢键的缔合和解离情况不同,使其化学位移在较大的范围内变化。

选择溶剂时,需要考虑溶剂本身是否含有活泼氢,另外溶剂与样品的活泼氢会不会形成分子间氢键。以乙醇为例(图1),当选择氘代甲醇CD3OD为溶剂时,乙醇的活泼氢会与氘代甲醇残存质子信号重合,在δ4.81处产生吸收;当使用氘代二甲基亚砜DMSO-d6为溶剂时,由于溶剂很难避免会含有少量的水,在δ3.3左右出峰,本图移除了残余水峰,活泼氢在δ4.33处;而以CDCl3为溶剂进行测定时,羟基信号在δ2.61处;同样在CD3CN中测定时,羟基信号在δ2.60 [4]处。


活泼氢峰形

在核磁共振氢谱中,多数情况下活泼氢吸收峰的峰形表现得与碳上的质子信号相同,峰形尖锐,积分面积与质子数成比例;但有时活泼氢的峰会拉宽,甚至延展得几乎与谱图基线一致,如图2中N-甲基乙酰胺[4]的活泼氢在δ6.4处的吸收峰型很平缓。活泼氢的谱峰积分面积也有可能不足,低于相应的活泼氢的个数。

同时,化合物结构因素对活泼氢峰形也有深远影响,如羧基的活泼氢、螯合的羟基、烯醇的羟基一般都会表现为宽单峰。与氧原子和硫原子上的活泼氢比较,氧原子和硫原子只能与一个质子相连,而氮上质子有伯和仲之分,另外其氢键程度的不同也会使活泼氢存在一定的差异,对活泼氢的核磁共振信号也会产生影响。伯酰胺RCONH2分子中N上孤对电子与羰基p-π共轭使得C―N键具有部分双键的性质,C―N键不能自由旋转,旋转受限使NH2的两个质子化学不等价,因此两个氢虽然连接在同一个原子上,谱峰化学位移并不相同,表现为两个吸收峰,如图3所示氯乙酰胺的NH2在δ7.5附近的两个峰[7];有时甚至合并为一个较平坦的宽峰[3]。仲酰胺RCONHR’以及吡咯环中的氮上氢往往也不能给出一个尖锐的峰。

活泼氢的耦合裂分

常温下,OH、NH和SH相较,OH交换速度最快,一般无裂分,表现为尖锐的单峰;氨基交换速度中等,有时会产生耦合裂分,但有时又与羟基一样为尖锐的单峰。巯基SH质子交换速度最慢,和碳上质子一样,会与邻近质子有耦合作用。如苄基硫醇在CDCl3中测定(图4)[7],亚甲基与巯基之间产生耦合裂分,耦合常数J为7.6 Hz。

从测试条件来看,通常常温下看不到活泼氢与邻近氢的耦合,但随着温度的降低,交换变慢,就可以观察到活泼氢与邻近氢的耦合裂分。如甲醇在−54 °C测定,甲基受到羟基的作用,裂分为二重峰,同时羟基在甲基作用下裂分为四重峰。活泼氢在样品之间或与溶剂之间如果形成氢键将会限制其交换,此时就会产生耦合裂分,如高浓度、酸性杂质或者氘代二甲基亚砜DMSO-d6 做溶剂等。

活泼氢的识别

氢元素同位素有氕、氘和氚,最丰同位素是氕,也就是质子,自旋量子数I为1/2,氘是I为1的同位素。核磁共振氢谱测定的是氕元素的信号,氘不会出峰。水分子氢元素被氘取代就是重水D2O。识别活泼氢最简单的方法是重水D2O交换,如下式所示,利用活泼氢的快速交换机制,将氕与重水的氘交换,谱图上消失的峰就是活泼氢峰,同时δ4.8左右会出现重水的残存质子信号[3,6]。图7是某未知物重水交换前后的核磁共振氢谱对比[8]。

参考文献

大学化学,Univ. Chem. 2019, 34(1), 82−88 ,杨婕,张世平,孙伟,白银娟,西北大学化学与材料科学学院,合成与天然功能分子化学教育部重点实验室,西安 710127 

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