利用二维核磁解析复杂有机分子的结构

叶克印，张香归，袁耀锋

福州大学化学学院，福州 350108

核磁共振在有机化合物的结构分析中具有举足轻重的地位，已经被广泛应用于有机化合物的结构鉴定、构型(构象)分析和化学反应动力学等方面，在有机化学、药物化学、生物化学等多个研究领域已经成为不可或缺的工具。在有机化合物的核磁共振波谱解析中，最常用的是一维的核磁共振氢谱(1H NMR)和核磁共振碳谱(13C NMR)。利用核磁共振氢谱提供的丰富信息(包括化学位移、峰形、偶合常数和积分面积等)，结合核磁共振碳谱，可以有效地判断有机化合物的化学结构[1–7]。然而对于长链的碳氢化合物核磁信号、分子结构相似的混合物以及复杂烯烃的顺-反异构体等，仅仅依靠一维核磁很难进行有效的解析。

二维核磁(Two-Dimensional NMR, 2D NMR)是一种强大的复杂有机化合物精确归属分析工具。通过引入具有两个时间变量的核磁共振实验，2D NMR将化学位移、偶合常数等重要参数展开在二维平面上，完美地解决了谱线的拥挤和重叠问题，同时还可以提供自旋核之间的相互作用的重要信息[1]。因此，二维核磁在精确解析复杂有机分子结构，特别是糖、蛋白质、核酸等方面具有不可替代的地位[8]。

进入21世纪以来，随着科研条件的改善，国内很多高校已经购置了核磁共振波谱仪，也开设相应的核磁共振波谱学课程。课程内容设置上，一般是以一维核磁共振氢谱和核磁共振碳谱为主，对于二维核磁的内容很少涉及。我们认为导致这种现象的原因主要包括以下几点：首先，关于二维核磁的教学内容大多局限于晦涩难懂的原理介绍，在教学科研中实际存在的复杂分子结构解析方面缺乏可操作性，导致学生缺乏学习兴趣；其次，国内的核磁教材普遍缺乏清晰的二维核磁谱图，无法进行有效的二维核磁教学；最后，二维核磁的科研与教学脱节，即熟练掌握二维核磁的科技工作者不参与核磁共振波谱教学，而大多数讲授核磁的教师却没有实际操作分析二维核磁的能力。

然而，鉴于二维核磁在科研和生产上的重要应用，非常有必要加强这一方面的教学和训练。基于长期的核磁共振课程教学实践，我们总结出以下几点教学改进方面的经验。二维核磁相关内容的主讲教师必须熟练掌握二维核磁波谱解析的能力，具备利用二维核磁解决科研工作相关问题的能力。在教材的选择上，使用近年来从国外引进或翻译的教材，或者是国内优秀教材，教材内容先进且与国际接轨，便于学生学习和教师授课。积极实践科研反哺教学，二维核磁教学过程中选用例题和练习题大多数来源于科研实践，教学特别注重培养学生活学活用、解决实际问题的能力。

本文展示了二维核磁共振波谱在长链碳氢化合物核磁信号、分子结构相似的混合物以及复杂烯烃的顺-反异构体等复杂分子结构解析方面的应用，表明二维核磁是解决复杂结构分析问题强大的工具。文中所用的二维核磁谱图，均选自Field、Sternhell和Kalman等人编著的图书《Organic Structures from Spectra》(Wiley)[9]。通过这些实例分析，可以看出学习掌握好二维核磁，对于提高有机化学相关专业学生解析复杂有机化合物结构方面的能力有很大的帮助。

1 利用2D NMR精确解析长链碳氢化合物

长链碳氢化合物由于分子内氢原子所处环境相似，它们的一维氢谱中氢原子的化学位移非常相近，谱线重叠严重。因此，无法有效地分析该类化合物一维核磁的化学位移、峰形、偶合常数和积分面积等重要信息，从而导致难以进行精确的核磁信号归属。那么，该如何对这些化学环境相似的核磁信号进行精确的归属呢？二维核磁就可以很好地解决这个问题。

例如，图1给出了温度为298 K时，C6D6溶剂中3-辛酮(C8H16O)的核磁共振氢谱和碳谱。1H NMR谱δ0.82，0.92，1.11，1.19，1.47，1.92和1.94 (部分重叠)处有信号。13C NMR谱δ7.8，14.0，22.7，23.7，31.7，35.4，42.1和209.0处有信号。利用图2(A)二维1H-1H COSY (Correlation Spectroscopy)谱图和图2(B) C―H HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation Spectroscopy)解析谱图，则可以将所有的氢碳信号进行精确归属。

图1 3-辛酮(C8H16O)的核磁共振氢谱和碳谱

图2 3-辛酮(C8H16O)的二维1H-1H COSY谱图(A)和13C-1H HSQC谱图(B)

对3-辛酮的一维核磁共振氢谱(图1)进行分析，可以看出谱图中共出现了6组峰，由低场到高场，积分面积比为4 : 2 : 2 : 2 : 3 : 3。处于高场(δH= 1.0–0.8)积分比为3 : 3的是化学位移相近的两组三重峰，根据峰形和位移可以得出这两组峰属于与CH2(2)、CH2(7)相连的末端甲基CH3(1)和CH3(8)。与吸电子的羰基相连碳上的质子，其化学位移应在低场(δH= 2.1–2.4)，可以得出这两组多重峰(δH= 1.92，1.94部分重叠)属于与羰基CO(3)相连的亚甲基CH2(2)和CH2(4)，并且CH2(4)相邻的正丁基给电子效应比CH2(2)相邻甲基更强，屏蔽效应更强，峰向高场移动，所以CH2(4)化学位移在1.92，CH2(2)化学位移在1.94。而处于中间的三组多重峰属于亚甲基CH2(5)、CH2(6)、CH2(7)。通过对一维核磁共振氢谱进行分析，只能得到相近化学位移几组峰归属，不能准确归属各个峰的位置。

利用二维核磁相关谱图3(A)和图3(B)，可以方便地精确归属核磁信号所对应的氢原子和碳原子。

图3 3-辛酮(C8H16O)的二维1H-1H COSY谱图(A)和13C-1H HSQC谱(B)解析

从1H-1H COSY谱图(图3(A))的横轴看，根据CH2(2)、CH2(4)重叠峰与δH= 1.19三重峰偶合的交叉峰，可得出δH= 0.92峰是与CH2(2)相连的末端甲基CH3(1)。此外，CH2(2)、CH2(4)重叠峰还与δH= 1.47多重峰偶合，则是与CH2(4)、CH2(6)相邻的CH2(5)。通过CH2(5)的确定可以相关到CH2(6)为δH= 1.11多重峰，则所有的氢都可以准确归属。

在图3(B)13C-1H HSQC谱上，可以通过质子峰位置找出对应的碳原子。最后一个没有氢原子与之对应的碳则为羰基碳CO(3)。

因此，对于一维氢谱难以精确归属的长链碳氢化合物3-辛酮(C8H16O)，通过结合二维1H-1H COSY谱图和13C-1H HSQC谱，可以便捷地做出氢谱和碳谱精确的归属(表1)。

表1 3-辛酮(C8H16O)的核磁共振氢谱和碳谱峰化学位移

2 利用2D NMR解析结构相近的有机混合物

在有机合成中，合成目标产物的同时，经常伴随结构相近的副产物的生成。对有机合成反应进行后处理之前的粗体系核磁谱图分析，有助于得到反应情况第一手信息，对于反应机理的正确分析和新反应的发现至关重要。然而，结构相近的有机混合物由于其分子结构的相似性，其核磁谱图信号也极其相似，难以精确归属。遇到这个问题时是怎么处理的呢？同样的，二维核磁可以派上大用场。

例如，图4给出了温度为298 K时，C6D6溶剂中1-碘丁烷与正丁醇的混合物的1H NMR谱图。混合物组分的谱图之间有部分重叠。利用图5(A) TOCSY (Total Correlation Spectroscopy)谱和图5(B)1H-1H COSY谱图则可以确定1-碘丁烷和正丁醇所有质子的化学位移。

图4 1-碘丁烷和正丁醇混合物的核磁共振氢谱

图5 1-碘丁烷和正丁醇的TOCSY(A)和1H-1H COSY谱(B)

对混合物的一维核磁共振氢谱进行分析，氢谱中的氢氘交换的包峰(δH= 1.94)来自1-丁醇羟基的活泼氢。从活泼氢入手，在TOCSY谱上找到包含羟基质子的自旋系统，在纵轴上出现了四组交叉峰，显示1-丁醇所有质子的相关性，且峰的强弱与相干传递的远近有关(图6)。在图6(A) TOCSY谱上找出1-丁醇中羟基的活泼氢与CH2(1)、CH2(2)、CH2(3)和CH3(4)偶合，化学位移值最高的CH2(1)直接与羟基相连。化学位移值最低的为CH3(4)。通过图6(B)1H-1H COSY谱可以看出CH2(1)和CH2(2)偶合，CH3(4)和CH2(3)偶合，从而确定CH2(2)、CH2(3)的化学位移，并且通过TOCSY谱中交叉峰的强弱也可以判断CH2(3)处于离CH2(1)更远的位置。

另一个自旋系统来自1-碘正丁烷。从碘原子的吸电子性入手，化学位移值最高的为CH2(1’)直接与碘相连。CH2(1’)在图6(A) TOCSY谱纵轴上出现了三组交叉峰。在TOCSY谱上找出1-碘正丁烷中的CH2(1’)-CH2(2’)，CH2(1’)-CH2(3’)和CH2(1’)-CH3(4’)偶合，最低化学位移值为末端的甲基，即CH3(4’)。通过图6(B)1H-1H COSY谱可以看出CH2(1’)和CH2(2’)的有交叉峰，CH3(4’)和CH2(3’)的有交叉峰，从而确定CH2(2’)、CH2(3’)的化学位移。

图6 1-碘丁烷和正丁醇的TOCSY(A)和1H-1H COSY谱(B)解析

因此，对于一维氢谱难以精确归属的混合物(1-碘丁烷和正丁醇)，通过结合二维TCOSY谱图和1H-1H COSY谱，可以便捷地对该混合物的核磁氢谱信号进行精确的归属(表2)。

表2 1-碘丁烷和正丁醇的核磁共振氢谱峰化学位移

3 利用2D NMR解析复杂烯烃的立体异构体

确定多取代烯烃的立体化学也是有机合成中经常遇到的情况。简单的1,2-二取代烯烃，可以通过相邻氢原子的偶合常数大小(顺式：7–11 Hz；反式：12–18 Hz)来判断。然而，一维1H NMR谱却很难区分多取代烯烃的立体异构体，如2-溴-2-丁烯的E和Z异构体。这两种异构体都有3个共振(―CH＝C化学位移在5.5和6.0之间；―CCH3Br化学位移在2.0和2.5之间；―CHCH3化学位移在1.5和2.0之间)。在发表科研论文的时候，如何确定产物中烯烃的立体异构情况也是审稿人经常提到的一个问题。遇到这样的问题，该如何解答呢？利用二维NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)谱就可以方便地对E和Z异构体进行精确的归属。

如何利用NOESY谱图区分立体异构体，其本质是在谱图上观察分子的空间结构。在(E)-2-溴-2-丁烯和(Z)-2-溴-2-丁烯NOESY谱图的对角线上，是氢原子自身的信号峰。在非对角线上，空间上接近的质子(空间距离小于0.5 nm)之间偶合则出现交叉峰。该交叉峰与相隔化学键的数目无关，而空间距离大于0.5 nm时就不易观察到NOESY的交叉峰。对于(E)-2-溴-2-丁烯，处于同碳上的基团，H(a)与CH3(b)在空间上相近，有偶极-偶极相互作用，出现交叉峰。H(a)与CH3(c)处于双键平面的两端，没有偶极-偶极相互作用，不出现交叉峰。同理，CH3(b)与CH3(c)出现交叉峰(图7)。

图7 (E)-2-溴-2-丁烯的NOESY谱解析

类似的，对于(E)-2-溴-2-丁烯，处于反式双键碳上的基团，H(a)与CH3(b)、CH3(c)在空间上相近出现交叉峰。CH3(b)和CH3(c)相互处于反式，在空间上相隔较远没有出现交叉峰(图8)。因此，根据NOESY谱图上出现交叉峰的不同可以方便地区分2-溴-2-丁烯的E和Z异构体。

图8 (Z)-2-溴-2-丁烯的NOESY谱解析

4 结语

从上述例子中可以看出，二维核磁是复杂有机分子的结构解析非常有效的工具。与一维核磁相比，二维核磁可以将一维核磁中重叠严重的谱线有效地区分，同时提供更多自旋核之间丰富的相互作用信息，这些是解析复杂分子结构强有力的抓手。在此基础上，结合紫外光谱、红外光谱、质谱[10]等其他测试手段综合分析，可以快速有效地解析复杂有机分子的结构。希望本文能够为有机化学相关专业的研究生学习和掌握复杂有机分子结构分析提供一定的帮助。