袁耀鋒，王寶緒，黃良森，成佳佳

福州大學化學學院，福州 350108

核磁共振是有機波譜分析課程教學中的重點內容之一，也是有機化學工作者必須掌握的核心技術之一。有機波譜分析已普遍成為有機化學專業(yè)研究生的學位課程，但該課程的教學普遍存在以下問題：(1)主講該課程的部分教師缺乏對核磁共振儀的操作經驗，沒有感性認識，沒有有機合成一線的經驗體驗，導致講課停留在書本上和表面上，課堂授課內容不深入、不生動，無法理論聯(lián)系實際，無法深入講解分子結構與化學位移及偶合常數(shù)等參數(shù)的關系；(2)國內教材內容陳舊老化，舉例的譜圖不清楚，很少用到原始核磁譜圖，這樣涉及核磁的關鍵數(shù)據(jù)例如偶合常數(shù)分析無法精確計算，核磁譜圖的作用沒有得到充分發(fā)揮；(3)國內部分高校存在大型儀器高檔低配，現(xiàn)代儀器的各種性能功能沒有充分發(fā)揮出來，大材小用，無形中造成浪費；(4)教學內容與科研脫節(jié)，導致學與用兩張皮現(xiàn)象存在，研究生無法熟練掌握NMR等現(xiàn)代大型儀器的原理及操作規(guī)則，一方面影響了研究工作進度，核磁測試停留在表面，另一方面科研工作沒有深入開展，拿到的相關數(shù)據(jù)缺乏深入分析，影響了科研水平和研究能力的提高，也影響了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和高水平成果的產出；(5)進入21世紀，隨著科研條件的改善，研究生招生規(guī)模逐年增加，研究生來源多樣，基礎參差不齊，研究生在完成理論課程學習的同時，還要進實驗室完成導師布置的科研任務，如果能夠高效利用核磁共振等大型儀器，完全可以解決研究工作遇到的難題，提高工作效率。針對以上問題，我們有的放矢，精準施策，讓有科研經歷、使用過核磁共振等大型儀器的教師主講該課程；教材使用近年來從國外引進或者翻譯的教材，或者高水平大學留學歸國教師主編的教材，保證內容先進，與國外完全接軌；同時大型儀器完全對研究生開放，經過統(tǒng)一培訓，持證上崗，讓學生及時測試自己的樣品，在科研中贏得主動；科研反哺教學，在教學過程中選用的例題及練習題大多數(shù)來自于科研實際，活學活用，把學生的積極性調動起來，多出快出高水平成果。多年來我們在教學內容上與時俱進，常教常新，把有機波譜分析的學習與科研實際相結合，習題及考試題目盡可能貼近學生的科研工作。

核磁共振氫譜(1H NMR)因為靈敏度高、容易測定、樣品可以回收等特點，是鑒定有機化合物結構以及研究分子結構、構型、構象和計算反應收率等方面的重要方法[1-8]。有機分子中不同環(huán)境的氫核有不同的化學位移、裂分，通過氫核的化學位移、裂分以及峰積分面積可判斷有機化合物的結構[2-8]。核磁共振已成為有機結構分析的重要手段之一，本文僅討論核磁共振氫譜解析異構體的三個例子，說明核磁共振是有機化學專業(yè)研究生必須具備的知識，掌握了這些知識就增添了一雙識別有機合成反應的慧眼，在科研工作中就可以發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性。

1 利用1H NMR判斷異構體產物

1.1 二溴苯胺異構體結構的確認

二溴苯胺存在的6種異構體(圖1)。下面給出六種可能的二溴苯胺異構體之一(5%的二溴苯胺氘代氯仿溶液)的90 MHz NMR譜儀所測譜圖的一部分(圖2)，僅給出了芳環(huán)部分的質子共振譜圖。要求利用自旋耦合常數(shù)的大小和分子的對稱性來確定哪個是該化合物的正確結構[9]。

圖1 二溴苯胺異構體

圖2 5%的二溴苯胺的部分核磁氫譜圖(90 MHz,CDCl3)

二溴苯胺有6種位置異構體。該結構的譜圖只有2組峰，積分比為2:1，且一組為二重峰，一組為三重峰，偶合常數(shù)均為7.7 Hz，兩組峰化學位移相差很遠。由此可知苯環(huán)上三個氫是AX2自旋體系，苯環(huán)為對稱三取代，2個等價的氫核與第3個氫核偶合，譜圖可看作一級譜圖，符合n+1規(guī)則，可以判斷該化合物只能是2,6-二溴苯胺(4)。

H3與H4有3J偶合，H5也與H4偶合，且H3、H5為等位氫，H3和H5化學位移相等，被H4裂分為二重峰，H4被H3和H5裂分為dd四重峰，但3J3,4=3J4,5=7.7 Hz，中間兩條曲線重疊而成為3條譜線。

1.2 羥基肉桂酸異構體產物的確認

羥基肉桂酸存在六種可能的異構體(圖3)。其異構體之一的400 MHz核磁氫譜圖(D2O質子交換后的5% CDCl3溶液)如圖4所示。使用對稱性和自旋耦合常數(shù)的大小的參數(shù)可以確定哪個是該化合物的正確結構[9]。

圖3 羥基肉桂酸六種可能的異構體

圖4 羥基肉桂酸存在六種可能的異構體之一的核磁氫譜圖

這個核磁譜圖是經過重水交換后得到的，因此羧酸和酚羥基兩個活潑氫不用考慮，這樣只考慮苯環(huán)芳香氫和烯烴氫。譜圖有六組峰信號，由低場到高場，積分比為1:1:1:1:1:1，化學位移在δ 6.00-8.00之間，譜圖中的6組峰是苯環(huán)上的4個質子與碳碳雙鍵上的2個質子的峰，因此對稱性化合物5和6只能出現(xiàn)四組峰，不符合條件。大約δ 7.05沒有偶合的單峰，表明該質子沒有鄰位氫，這就排除了化合物1和2，因為其所有的質子都有鄰位偶合的氫?；衔?和4差別在于烯烴雙鍵的立體化學。在高場(6.30-6.60)與低場(7.50-8.00)出現(xiàn)的2組二重峰，且二者偶合常數(shù)相等，3J=15 Hz(在12-18 Hz之間)，表明這兩個烯烴質子處于反式，因此正確的答案就是化合物3。在δ 6.80-7.40之間出現(xiàn)4組峰，忽略遠程偶合，分別是雙重峰(實際是四重峰)(6.80-7.00)、單重峰(7.05)、雙重峰(7.08-7.20)以及三重峰(7.24-7.30)，由于有單峰存在可判斷間位取代苯環(huán)的存在，進一步證明只有化合物3滿足要求。

與吸電子的羧基處于順式的烯烴質子，其化學位移應在低場(7.50-8.00)，與吸電子的羧基處于同碳的烯烴質子，其化學位移應在高場(6.30-6.60)。苯環(huán)上羧基與羥基之間的質子H2是單峰(7.05)。與羥基相鄰的質子H4其化學位移在高場(6.80-7.00)，其與羥基間位的質子H5有3J偶合(7.5 Hz)，與H2有4J偶合(3.2 Hz)，呈現(xiàn)為四重峰(可以看作雙重峰)。H6與吸電子的共軛烯氫相鄰，其化學位移應在低場(7.08-7.20)，與H5有3J偶合(7.5 Hz)。間位的H5被H4和H6裂分為dd四重峰，但3J4,5=3J5,6=7.5 Hz,中間兩條曲線重疊而成為3條譜線，呈現(xiàn)為三重峰。

2 利用1H NMR判斷有機化學反應產物的比例

用硝化試劑對苯甲醚小心硝化，得到了4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚的混合物(圖5)。圖6是該硝化反應粗產物4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚混合物在苯環(huán)芳族區(qū)域的1H NMR譜圖，要求從該譜圖的積分面積確定反應混合物中兩種產物的相對含量[9]。

圖5 苯甲醚的硝化反應

圖6 硝化反應粗產物在苯環(huán)芳香區(qū)域的核磁氫譜圖(500 MHz,CDCl3)

通過對4-硝基苯甲醚和2-硝基苯甲醚的混合組分的核磁共振氫譜進行分析，譜圖中出現(xiàn)了5組峰，由低場到高場，積分比為2.6:3.2:2.6:2.6:5.8。對兩個化合物結構進行分析，4-硝基苯甲醚有二重旋轉軸，苯環(huán)上的4個氫構成AA’BB’體系，其譜圖是左右對稱的，會出現(xiàn)兩組峰。2-硝基苯甲醚由于苯環(huán)不同基團鄰位取代，形成ABCD體系[1]，會出現(xiàn)四組峰。對積分比進行分析，由于2.6+3.2=5.8，處于高場(6.60-6.70)積分為5.8的是化學位移相近的兩組分疊加，積分比為2.6:3.2，因此積分為2.6的有四組峰，積分為3.2的有兩組峰，對應的兩個化合物分別是2-硝基苯甲醚和4-硝基苯甲醚。2-硝基苯甲醚的峰組為三重峰(6.67，1H)，二重峰(6.82，1H)，三重峰(7.28，1H)，二重峰(7.76，1H)。4-硝基苯甲醚的峰組為二重峰(6.65，2H)，二重峰(7.53，2H)。因此，若2-硝基苯甲醚每個氫的信號強度為2.6，4-硝基苯甲醚的信號兩個氫的強度為3.2，混合樣中2-硝基苯甲醚：4-硝基苯甲醚=2.6:1.6。所以，苯甲醚硝化后2-硝基苯甲醚的含量為61.9%，4-硝基苯甲醚的含量是38.1%。

3 結語

核磁共振技術是有機化學工作者必須掌握的核心技術之一，學懂弄通，真正地掌握了核磁共振的解析方法，就可以隨時解決有機合成中遇到的各種問題。當然，如果僅僅使用NMR數(shù)據(jù)判斷有機反應、鑒定化合物的結構有時不夠全面，需要結合紅外光譜、質譜等共同鑒定。利用核磁共振法區(qū)分結構簡單的同分異構體，需要熟練掌握不同類型化合物的自旋體系、偶合常數(shù)與結構的關系和熟悉常見官能團的NMR譜圖特征等，希望本文為有機化學專業(yè)的研究生學習和掌握有機反應產物混合物中異構體的鑒定提供幫助。