【摘要】SDBS作為一個集成了有機(jī)物多種光譜數(shù)據(jù)的綜合資源庫，能為教學(xué)研究提供準(zhǔn)確且豐富的譜圖資料。利用該數(shù)據(jù)庫中的氫譜圖，針對高考試題中出現(xiàn)的有機(jī)物分子內(nèi)不同化學(xué)環(huán)境氫的問題進(jìn)行深入研究，從而總結(jié)出了一取代的環(huán)烷烴上、碳碳雙鍵上、苯環(huán)上、含不對稱碳的物質(zhì)中氫原子可能存在的不同化學(xué)環(huán)境及其特征。這一研究不僅有助于學(xué)生更好地理解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，同時也為高考化學(xué)試題的備考和教學(xué)提供更完善的建議。

【關(guān)鍵詞】SDBS數(shù)據(jù)庫；核磁共振氫譜；峰面積；化學(xué)環(huán)境；高考試題

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

自2021年秋季新學(xué)年起，上海全面啟用了新化學(xué)教材，其中結(jié)構(gòu)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)被共同列為選擇性必修課程。新高考的化學(xué)試題也順應(yīng)這一趨勢，加強(qiáng)了對有機(jī)物結(jié)構(gòu)知識的考查，其中解析氫譜、判斷分子中不同化學(xué)環(huán)境的氫是高考化學(xué)試題中的常見題型。SDBS（Spectral Database for Organic Compounds）數(shù)據(jù)庫，作為一個集成了有機(jī)物多種光譜數(shù)據(jù)的綜合資源，包括了質(zhì)譜、核磁共振氫譜、紅外光譜等關(guān)鍵信息，能為教學(xué)研究提供準(zhǔn)確且豐富的圖譜資料。因此，借助此數(shù)據(jù)庫，深入鉆研與此相關(guān)的高考試題，不僅有助于促進(jìn)、完善新課程的教學(xué)，更為新高考的備考提供了寶貴的指導(dǎo)和借鑒。

一、試題分析

（一）在環(huán)烷烴的一取代物中存在幾種化學(xué)環(huán)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(jié)構(gòu)簡式為_____。（答案：）

在SDBS數(shù)據(jù)庫中，雖然未能直接查找到環(huán)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(jié)構(gòu)相似的化合物環(huán)丙基胺（）和一氯環(huán)丙烷（）的氫譜信息，相關(guān)數(shù)據(jù)展示在圖1中。在300 MHz的磁場強(qiáng)度下，一取代的環(huán)丙烷上都存在三種不同化學(xué)環(huán)境的氫，分別標(biāo)記為Hlt;Agt;、Hlt;Bgt;、Hlt;Cgt;。

基于這些類似物的數(shù)據(jù)，可以合理地推測出在環(huán)丙基甲醛的氫譜中也應(yīng)該存在四組峰，分別對應(yīng)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(yīng)為1∶2∶2∶1。為了驗證這一推測，筆者參考了大學(xué)教材《基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)》[1]中的相關(guān)理論：分子中的氫原子如果可以通過對稱操作或快速機(jī)制進(jìn)行互換，則它們被視為化學(xué)等價的，化學(xué)等價的氫原子在核磁共振譜中會具有相同的化學(xué)位移。圖3所示化合物中的He和Hf可以通過C2軸的旋轉(zhuǎn)對稱操作進(jìn)行互換，使得這兩個氫原子在該化合物中是化學(xué)等價的，在環(huán)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(xué)環(huán)境并不相同。這一分析揭示了環(huán)丙基甲醛中氫原子化學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性和答案的不準(zhǔn)確之處。

綜上所述，在一取代的不同大小環(huán)烷烴中，環(huán)上碳所連接的兩個氫原子并不處于相同的化學(xué)環(huán)境中。因此，在教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)避免過度概括和簡化問題，不能簡單地認(rèn)為“同一個碳原子上的氫總是等價的”，以免誤導(dǎo)學(xué)生并影響他們對不同化學(xué)環(huán)境氫的準(zhǔn)確理解。

（二）碳碳雙鍵中存在幾種化學(xué)環(huán)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(yīng)放出CO2反應(yīng)Ⅱ的化學(xué)方程式是_____。（答案：）

圖4是從SDBS數(shù)據(jù)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(xué)環(huán)境的氫，分別用A、B、C、D標(biāo)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(zhuǎn)受阻，也不存在快速機(jī)制使H（B）和H（C）互換，所以造成了H（B）和H（C）化學(xué)不等價的情況。

同樣的情況也出現(xiàn)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(huán)峰外還有四組峰，峰面積之比為1∶1∶1∶2，Ⅳ的結(jié)構(gòu)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(xué)環(huán)境中。因此，除苯環(huán)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(tuán)[2]，另一個雙鍵碳連有兩個氫，則這兩個氫所處的化學(xué)環(huán)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(tuán)，另一個碳連有兩個氫，則這兩個氫是化學(xué)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(shù)與存在幾種化學(xué)環(huán)境氫的關(guān)系

例4 （2023年全國高考甲卷）：具有相同官能團(tuán)的B（）的芳香同分異構(gòu)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(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式為_____。（答案： ）

在苯的一取代物中，基于其分子結(jié)構(gòu)的對稱性考慮，苯環(huán)上應(yīng)該存在三種不同環(huán)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(xiàn)呢？在圖7中列出了SDBS數(shù)據(jù)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(huán)上氫的化學(xué)位移在6.3～8.5范圍內(nèi)，值得注意的是，同為苯的一取代物，但在氫譜上，苯環(huán)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(xué)位移相當(dāng)，且明顯大于間位氫，所以鄰位、對位氫譜峰發(fā)生重疊，從而顯現(xiàn)出兩組峰。在甲苯中，由于鄰位、間位、對位氫的化學(xué)位移相差無幾，導(dǎo)致譜峰之間重疊嚴(yán)重，從而在圖譜上呈現(xiàn)為一組峰。在硝基苯中，鄰位氫的化學(xué)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(xiàn)出三組峰。

綜上所述，氫譜上的峰組數(shù)并不總是與不同化學(xué)環(huán)境的氫的種類數(shù)一一對應(yīng)。不同化學(xué)環(huán)境的氫可能會因為化學(xué)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(dǎo)致難以區(qū)分。所以對于苯的一取代物，苯環(huán)上存在三種不同化學(xué)環(huán)境的氫，但在氫譜上不一定顯現(xiàn)出三組峰。

（四）含不對稱碳的物質(zhì)中存在幾種化學(xué)環(huán)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(guān)于香茅醛的敘述正確的有_____。（答案：AC）

A. 分子式為C10H18O

B. 不能發(fā)生銀鏡反應(yīng)

C. 可使酸性KMnO4溶液褪色

D. 分子中有7種不同化學(xué)環(huán)境的氫

圖8是從SDBS數(shù)據(jù)庫中獲得的（S）-香茅醛的氫譜圖。在這張譜圖中出現(xiàn)了10組峰，說明該分子中至少存在10種不同化學(xué)環(huán)境的氫。對于與雙鍵碳相連的兩個甲基上的氫（HJ和HG）已經(jīng)確認(rèn)處于不同的化學(xué)環(huán)境，這一點在之前的討論中已經(jīng)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(xué)不等價的；同樣的HK的化學(xué)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(dǎo)致CH2基團(tuán)上的兩個氫原子化學(xué)環(huán)境不同，譜峰發(fā)生了重疊所造成。在《有機(jī)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(xué)位移等價的。在任何有手性中心的分子中，一對CH2質(zhì)子都是非對映異位的；如果手性中心遠(yuǎn)離CH2，則CH2兩質(zhì)子表現(xiàn)為化學(xué)等價。

綜上所述，當(dāng)脂肪鏈中存在手性中心時，即使有兩個相同的基團(tuán)連接在同一個碳原子上，這兩個基團(tuán)可能變得化學(xué)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(xué)環(huán)境的氫時，情況可能會變得復(fù)雜且難以預(yù)測。

二、教學(xué)及備考建議

（一）避免過度總結(jié)

通過對近幾年各省高考題的分析，對于有機(jī)物中不同化學(xué)環(huán)境氫的考查集中在對學(xué)生的基礎(chǔ)必備知識的檢驗上，對基礎(chǔ)知識的理解與熟練運用仍然至關(guān)重要。但需特別注意的是，高中階段有關(guān)核磁共振氫譜的化學(xué)知識是經(jīng)過簡化處理的，應(yīng)避免出現(xiàn)過度總結(jié)結(jié)論的現(xiàn)象。

（二）融合新的信息技術(shù)手段

SDBS數(shù)據(jù)庫能提供豐富的譜圖資源，通過它，學(xué)生可以完善他們的證據(jù)推理意識和邏輯思維結(jié)構(gòu)，也能更清晰地理解氫在不同化學(xué)環(huán)境中的行為表現(xiàn)，進(jìn)而提升解答高考中關(guān)于不同物質(zhì)中化學(xué)環(huán)境氫的問題的準(zhǔn)確性。此外，利用SDBS數(shù)據(jù)庫這樣的數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)，也是對教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型積極而有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

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

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