《核磁共振波谱法》在研究生教学中的问题分析

2016-04-26王文静

中国民族民间医药 2016年6期

关键词：偶合波谱等价

王文静　王　葳　赵　庆

云南中医学院中药学院，云南　昆明　650500

《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*

云南中医学院中药学院，云南昆明650500

【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

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(=Cp)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。