《核磁共振波谱法》在研究生教学中的问题分析

王文静　王葳　赵庆

【摘 要】 硕士研究生课程《核磁共振波谱法》教学过程中的一些常见和重要问题进行了讨论，并对自己的教学心得进行了总结和归纳。

【关键词】 核磁共振波谱法；研究生课程；教学；1H NMR

【中图分类号】R445.2 【文献标志码】 A 【文章编号】1007-8517（2016）06-0187-03

波谱分析是有机物结构鉴定的重要手段，而在波谱分析的“四谱”（即红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱）中，最重要的是核磁共振波谱法。在研究生的授课内容中，核磁共振波谱法包括了1H NMR、13C NMR-DEPT及二维谱等三个部分的内容。就这三部分内容而言，13C NMR-DEPT和二维谱两部分内容的讲授相对来说比较容易，只要配合着一些天然产物解析的实例进行讲解，学生便容易掌握这部分内容；而讲解的难点在于1H NMR的解析，学生往往对氢谱解析望而生畏。久而久之，很多研究生（包括一些已毕业的研究生）在解析核磁共振图谱时，重视二维谱和碳谱的解析而轻视氢谱解析。究其原因，是氢谱中广泛存在着偶合裂分的现象，这就需要逐一计算可能计算出来的偶合常数，并根据偶合裂分的情况来判断各个基团的连接情况，以及各个磁核之间的等价关系。

作者调研了其他院校该课程的教学改革[1-3]，参考剑桥大学新版英文教材[4]，将本文重心锁定在研究生学习过程中经常感到困惑的两个问题，即化学位移等价与磁等价来进行讨论，希望籍此起到抛砖引玉的作用。

1 个质子或基团化学位移是否等价的判断[5]

核磁共振法中如此定义“化学位移等价”：如果两个质子或基团可通过对称操作交换，或者可通过单键的快速旋转进行交换，则二者为化学位移等价。学习之初，可以一些简单的化合物为例，例如对二甲苯、邻二氯苯、反式1，2-二氯环丙烷、顺式1，2-二氯环丙烷等，学生可以判断出两个氢（或基团）是否等价。

需要强调的问题是：如果分子中有手性碳存在，而分子中的某个亚甲基（=CH2）比较接近手性中心，因为化学环境差异，两个氢可能是化学位移不等价的。虽然此类现象在天然产物中非常普遍，但在授课过程中仍需举一些比较简单的实例，便于学生理解，如二氢黄酮、羟基苯丙酸（图1）等。学生常会感到困惑的是：羟基苯丙酸中的亚甲基上两个氢为什么不等价？讲解时就需要引导学生注意：从分子的平面结构的确看不出二者的差别，但搭建出分子模型，并令其处于最稳定构象，这样就比较发现，亚甲基中两个氢所处的化学环境有差异—站在Hc的“立场”来看，Hb与Hc处于同侧，Ha与Hc处于异侧。对于二氢黄酮而言，因为分子中的Ha、Hb为化学位移不等价，所以 Ha、Hb、Hc构成了一个典型的AMX自旋系统，每个氢都裂分为dd峰。羟基苯丙酸的情况也是与此类似。

同时，需要提醒学生注意一个特殊的等价形式：对映等价。以顺式1，2-二氯环丙烷（图2）为例，分子中的H-1与H-2不能通过旋转操作交换，但可通过镜面对称操作交换，那么H-1与H-2可称之为对映质子。对映质子在非手性环境中为等价，在手性环境中为不等价。这样的例子还有很多，如乙醇（图2）：乙醇分子中亚甲基的两个氢就属于对映等价。

2 二级图谱，化学位移等价而磁不等价的磁核及AA'XX'自旋系统

2.1 二级图谱 通常，我们将那些峰数符合n+1规律、小峰强度比符合杨辉三角展开式的图谱称为一级图谱，而峰数符合n+1规律、小峰强度比不符合杨辉三角展开式的图谱称为近似一级图谱。能够轻易地解析的图谱都是一级或近似一级图谱。对于峰数不符合n+1规律，组内各峰之间相对强度复杂的图谱，称之为二级图谱（或高级图谱）。有的二级图谱可以套用一级规律进行分析（例如AB自旋系统、ABX自旋系统等），有的则不能用一级规律进行简单地分析。

在两种情况下会出现二级图谱：①分子中存在化学位移等价而磁不等价的核；②两个相互偶合的磁核化学位移很接近（通常，二者化学位移差值与偶合常数之比小于6，即：Δυ/J < 6）。对于第二种情况，如果增加核磁共振仪的共振频率（实际上就是增加Δυ/J），或者更换溶剂，那么在绝大多数情况下，原来的二级图谱可以简化为一级图谱。但是对于第一种情况，即分子中存在化学位移等价而磁不等价的核，在这种情况下无论如何增加仪器的频率，都不能简化为一级图谱。

2.2 化学位移等价而磁不等价的现象 磁等价在核磁共振法中是一个重要的概念，教材如此定义：在一组化学位移等价的核中，其中每一个与该分子中另一组化学位移等价的核中的每一个自旋核，如果都以相同的偶合常数进行偶合，则这组化学位移等价的核被称为磁等价的核。化学位移等价的核不一定是磁等价的。

在大多数的教材中，常常以对位二取代苯环、邻位相同二取代苯环作为化学位移等价、磁不等价磁核的实例，如图3：

学生开始接触化学位移等价、磁不等价的概念时，常常会感到困惑，不理解其内涵。这时就需要转换角度进行答疑，磁不等价是要站在其它磁核的“立场”来看的。从化合物中Hb的“立场”来看，Ha与它是邻位的关系，而Ha'与它是对位的关系。换言之Hb与Ha的偶合常数，要远远大于Hb与Ha'的偶合常数。可以进一步作这样的比仿：如果将Ha与Ha'比作左右手，Hb与Hb'比作左右脚，那么站在右脚的“立场”来看，左手和右手是不同的，右手与右脚在同侧，而左手与右脚在异侧。

化学位移等价、磁不等价的现象在天然产物中也是较为常见的。如果图谱存在化学位移等价、磁不等价的磁核，那么对应的图谱是二级图谱。典型的二级图谱是不能采用一级图谱的分析方法（可称之为“一级规律”）进行解析的。如图4，为邻二氯苯的氢谱，它是AA'XX'自旋系统，共计有28条谱线，已完全不能用一级规律去解释了。虽然如此，但是AA'XX'自旋系统的图谱并非毫无规律。讲到这里可以提问学生：从邻二氯苯的氢谱可以看出有什么规律呢？细心的学生就会发现，这28条谱线是左右对称的。

具有AA'XX'自旋系统的二级图谱虽然常见，但象邻二氯苯那样完全背离一级图谱的还真不多见。很多AA'XX'自旋系统不是典型的二级图谱，与一级图谱十分相似，这就可以近似地作为一级图谱来处理。

例如对位二取代的苯环，虽然也是AA'XX'自旋系统，但与一级图谱十分类似。例如下图为对硝基氯苯的核磁共振氢谱，虽然还有一些较弱的小峰，但四个主峰还是非常明显的，对这样的图谱可近似地作为AX自旋系统来处理（即：可以看作是两组双峰来处理），并可以根据每一组双峰计算出偶合常数。

具有XCH2CH2Y结构的化合物，为AA`XX`自旋系统，为二级图谱。但是，此类型化合物大多数不是典型二级图谱，大多情况下，可近似地用一级规律进行分析。例如硝基丙烷（CH3CH2CH2NO2）的氢谱，就可近似地作为一级图谱来处理：-CH3为三重峰，与硝基相邻的=CH2是三重峰，而与甲基相邻的=CH2为tq峰（即4×3重峰，共12条谱线）。

3 磁等价核之间为什么不出现裂分的问题[6]

我们在讲授n+1规律时常常以氯乙烷为例，对分子中的-CH3与=CH2的裂分情况作如下解释：-CH3的质子因受到=CH2两个质子的影响，所以裂分为三重峰；=CH2的质子因受到-CH3三个质子的影响，所以裂分为四重峰。会有部分学生提出：既然=CH2的两个质子会对-CH3的质子施加影响，那么-CH3三个质子之间是不是也互相影响？即：Ha2、Ha3的附加磁场对Ha1施加的影响。如果真如此，那么现象复杂得几乎无解了，而情况并非如此。因为磁等价核之间虽然有偶合，但不出现裂分。

氯乙烷分子中-CH3的三个质子为磁等价，所以这三个质子之间不会出现裂分；=CH2的两个质子也为磁等价，所以二者之间不会出现裂分。这就需要进一步解释现象的原因所在。如果既不回避这个问题，又不打算采用深涩难懂的量子力学解释，那么可以用一种较为浅显的解释。

从最简单的自旋系统-二旋系统引入，二旋系统有三种情况，即：AX自旋系统、AB自旋系统、A2自旋系统。AX系统与A2系统均为一级图谱，而AB系统为二级图谱。

在AX自旋系统中，如果两个质子H-a与H-b的化学位移相差较大（二者化学位移差值与偶合常数之比Δυ/J ≥20），图谱为一级图谱，两个质子均观察到两条等强度的谱线。如果H-a与H-b的化学位移相差不大（大致是20 > Δυ/J > 6），则图谱为近似一级图谱，两个偶合核之间，会出现内侧谱线较强、外侧谱线较弱的情况，即在核磁共振氢谱中经常看到的“屋脊效应”，而且两组相互偶合的距离越近，峰的不对称性越明显。如果H-a与H-b的化学位移相差较小（大致是Δυ/J < 6），此时两核之间的偶合作用很强，图谱为二级图谱，自旋系统变迁为AB系统。这两个偶合核的化学位移越逼近，偶合作用越强，内侧峰就越强、外侧峰就越弱；如果这两个偶合核的化学位移相等时情况会如何？如果是这样，内侧峰将会合并在一起，外侧峰就消失了。相应的自旋系统也就由AB系统转换为A2系统。既然外侧峰消失了，那也就失去了有关这两个磁核的偶合信息。图7反映了由AX自旋系统至A2自旋系统变迁的过程。

以上是针对自旋系统中只有两个磁核的情况进行讨论的。如果系统中的磁核多于两个，那么情况也是类似的。

参考文献

[1] 陈洁. “波谱分析”课程教学方法探索[J].南京理工大学学报（哲学社会科学版），1997，10（1）：57.

[2] 郭丽冰，陶曙红.《波谱解析》课程教学改革及教学效果调查分析报告[J].广东药学院学报，2005，21（4）：480.

[3] 许招会，王生，彭云.波谱解析课程教学方法探讨[J].化学教育，2006，6：35.

[4] Dudley H.W.， Fleming I. Spectroscopic Methods in Organic Chemistry[M]. New York： McGraw - Hill book company， 2008.

[5] 宁永成.有机化合物结构鉴定与有机波谱学[M].北京：科学出版社，2000.

[6] 苏克曼，张济新.仪器分析实验[J].北京：高等教育出版社，2005.

（收稿日期：2015.12.04）