#M007 初识NMR——化学位移简介(7)

作者:华山后山 / 公众号:hshs-flora 发布时间:2019-08-19

感谢您的关注,点击上方“华山后山”订阅,助力您的科研与工作。
本篇讲活泼氢的化学位移。
活泼氢是核磁共振波谱领域的一个专有名词,表面意思就是性质活泼的氢,它们是一类很特别的氢,具体到化学结构上,包含羟基、氨基、巯基、羧基等(-OH,-NH,-SH,-COOH)。写着写着发现,篇幅太多了,可以分成上下两篇。上篇总论,主要阐述原理,下篇各论,讲解应用。总 论
活泼氢原子与直接相连的(杂)原子化学键较弱,从杂原子角度来看,杂原子上的氢不是唯一固定的一个,容易发生交换,氢原子是匆匆过客,待一会就离开,然后新的氢原子又来了待一会,再离开。好比一家非常火爆的饭馆,旧食客离去,新食客过来,那张椅子上始终有人,但不是同一个人。
此类氢在图谱中积分数值略有不足,往往不能显示出原本的氢数目,比如正常是1个羟基,可能积分值只有0.7个。下面我们就解释一下,为什么活泼氢积分数值容易偏小。设想一下,当且仅当食客坐在椅子上,这个椅子上的人数才可以被记录下来。你看,餐馆的那张椅子上,食客A刚刚离去,食客B还没来,椅子是不是空了?这时候,餐厅里的服务员想要休息一下,坐到了椅子上,椅子上是不是没有食客?这样下来,一天之中,这张椅子上的食客数量,是不足1个人的。这里所说到“餐厅服务员”,就是氘代溶剂中的氘原子,而且还是活泼的氘原子,如D2O(重水)、HDO(一氘代水?我也不知道这东西中文叫啥)、CD3OD(氘代甲醇)等。当氘原子占据了原有的氢的位置,那么这个氢信号宏观上就表现出不足1个了。因此,在不同的氘代溶剂条件下,由于溶剂自身交换活泼氢的能力不同,活泼氢出峰情况也不尽相同。有的氘代溶剂中,活泼氢压根儿不出峰,完全被交换没了,如重水、氘代甲醇、氘代三氟乙酸。有的氘代溶剂中,活泼氢有时出峰,有时不出峰,例如氘代氯仿。这里要澄清一下,不让活泼氢出峰的锅,氯仿不背。那是什么?是氘代氯仿中的(重)水啊,因此,含(重)水稍多一点的氘代氯仿,活泼氢大概率就看不到了。有的氘代溶剂中,活泼氢大概率会出峰,例如:万能溶剂——氘代二甲基亚砜。有同学会问了,我用氘代二甲基亚砜测试,为啥羧基不出峰呢?为什么?为什么?别着急,flora老师给你切开了揉碎了掰扯掰扯。1.横坐标量程是不是窄了?羧基化学位移低场能到16呢,查看出图量程全不全。2.要是全量程也没有发现化学位移11~16有羧基信号,那么,8~10之间有没有啊?万一是甲酸呢?甲酸的羧基在这个范围内出峰。也可能成盐了(分子内的,分子间的),例如羧基氢跑到氮原子上去了。3.要是8~10之间也没有那种宽大的信号,看看化学位移3~6附近的水峰正常吗?大不大?再把基线放大看看,是不是基线都鼓出个包了?如果是这样,很可能样品中(或氘代试剂中)含水量较多,而且是游离水,你需要干燥样品或者干燥溶剂重新测试。4.如果以上情形都不是,那么羧基是不是成了金属盐?羧酸钠?羧酸钾?羧酸钙?这就得看看你的制备或提取工艺了。5.如果以上情形都不是,恭喜你,结构错了,重新推导吧。峰 形
这里说的峰形,是指峰的形状(高、矮、胖、瘦),不是峰的类型(单峰,双峰,三重峰,四重峰……)。活泼氢的峰形大部分时候是宽的、钝的(无论是什么峰型),这与碳原子上的氢不同,相比而言,碳原子上的氢都是出峰尖锐,瘦长。
活泼氢的峰宽在很大程度上是受结构的影响。具体而言,影响活泼氢峰形的一个因素是核磁测试过程中样品化学交换反应的速率。当活泼氢交换快速时,出峰相对尖锐,即,氢的化学环境相对固定,仪器采集信号时,不同时刻的氢信号较为集中,化学位移的范围就窄;反之,活泼氢交换慢的时候,出峰相对宽钝。一般地,活泼氢交换的速度是羟基>氨基>巯基。
如果说,一个化合物含有几个不同的活泼氢基团,而且这些氢各自之间交换的非常快,那么就会出现这样的情况:所有的活泼氢只表现出一个宽的、综合的、平均的峰信号,宏观上的化学位移值就是每个活泼氢理论位移值的加权平均。
举个例子,假如结构中有两个羟基,各自的理论化学位移值分别是4.0、5.0,那么,如果发生快速交换后,只会出现一个化学位移4.5左右的大宽峰。
同理,如果一个化合物内含有几种交换速度相对慢的活泼氢,它们就会在几个不同的位置都出峰。另外一个影响活泼氢峰形因素是四极矩弛豫。主要是针对氮原子来说的。因为氧、氮、硫这三种原子中,只有氮原子有四极矩。以氨基为例,如果氮原子的四极矩弛豫很快,它的自旋的取向变化就很快,不对附近的磁性核产生偶合裂分,则产生相对尖锐的单峰;如果氮原子的四极矩弛豫很慢,则对与它连接的氢原子核产生偶合裂分。氮原子的自旋量子数I=1,按照2nI+1规律,它对氢核产生3裂分,即氨基的氢呈现三重峰,强度是1:1:1(为什么不是1:2:1,感兴趣的同学我们后台交流一下),偶合常数大约是51~55Hz;如果交换速率处于中间状态,或者四极矩弛豫处于中间状态,氨基就呈现一个宽的钝峰。通常情况下,氨基都是出宽的钝峰,只有酰胺会出较尖锐的峰(相对的),铵根离子有时会出三重峰,这是常见的“某化铵类杂质”在图谱中的重要线索。识 别如果解析本领还不是很熟练,如何通过试验来验证活泼氢呢?方法1,采用氘代DMSO测试,让活泼氢都出峰,然后加入1-2滴重水,强力振摇一会儿,再测试,这样,活泼氢都跑到水峰里去了,原来出峰的位置就没有峰了,因此得以识别。这个操作叫重水交换。方法2,增加样品浓度,使分子间氢键增强,故而去屏蔽作用增强,活泼氢的化学位移增加(低场),得以识别。方法3,增加测试温度,使分子间氢键减弱,活泼氢化学位移减小(高场),得以识别。方法4,如果你土豪,直接花点钱做个HSQC,把碳氢相关的信号识别出来,没有碳相连的氢,一定是活泼氢咯。各 论醇与酚脂肪醇的化学位移一般在1~7之间,且受溶剂影响较大。一般地,氯仿中偏高场,凭经验,我可以给出1.1~2.1这个精确数值。二甲基亚砜中偏低场,一般在3.8~6.5,偶尔也能到7(周围有苯环负屏蔽的时候),常见的是4~5之间,这也是我的经验值。脂肪醇不但出峰位置不固定,峰形也不固定,可以是尖锐峰,也可以是宽峰,遇到旁边原子上有氢还会发生裂分。若是在DMSO-d6中测试出结果,化学位移4~5之间有宽峰且积分准确,我们可以大胆猜测,这是醇羟基。酚羟基氢位移则偏向低场,一般在5~16,为啥?还不是酚羟基那点酸性,容易解离出氢离子。氢离子周围电子云密度很小了,去屏蔽效应明显,因此出峰在低场。DMSO-d6中苯酚的酚羟基化学位移在9.3,若是氯仿中,只有4.7,差别是不是很大?因为DMSO-d6中酚羟基更容易形成氢键。至于化学位移能到16这么低场,一定是形成氢键了,而且不只酚类,烯醇也可以的。此外,还有羟胺,羟基的化学位移在7~10之间,常见的位移是9附近。醛醛基氢其实不算严格意义的活泼氢,但也一起写出来吧,毕竟化学位移在这摆着呢。醛在氢谱当中具有非常特征的峰——尖锐[醛基氢也可以(注意不是必然)发生裂分,只要相邻原子上有氢],借此可以区别普通的醇羟基与羧基氢信号,醛氢化学位移8~12之间,更典型的,是化学位移在9~10之间(天然产物基本如此)。之所以如此靠近低场区,有两方面作用,一个是醛基氢处于碳氧双键的负屏蔽区,另一个是氧的吸电子作用,因此,醛基氢的化学位移就偏到了如此的低场。上文说到,醛氢最典型的化学位移是在9~10之间。那么,值得注意的是,小于9的情形与大于10的情形。甲酰氨基、甲酸(酯)片断醛氢位移在8~9之间。并且,有时候,甲酸的氢谱测出来,羧基氢与醛基氢跑到一起出峰大宽峰,化学位移8.7;当然,大部分情形下,醛基氢与羧基氢还是保持一定距离的,位移分别在8、12附近。化学位移超过10的醛基,较少见,遇到了也不要奇怪,可能是醛基结构周围有强大的去屏蔽基团或/和吸电子基团。例如蒽-9-甲醛,醛基氢位移可达11.5。

羧酸不用多说了,化学位移在10~13之间,其中不同的溶剂又可以细分,氘代氯仿中10~12,DMSO-d6中11~13,氘代甲醇中不出峰。当然,上文提到的甲酸化学位移可能跑到8~9之间。羧酸峰形一般宽、钝,根据化学位移与形状可以与一般的信号明显区分。含氮基团脂肪氨基氢,化学位移很偏高场,都在0.8~2.6之间。其中链状脂肪氨基氢位移在0.8~1.2之间;环胺的氨基氢位移一般会在2.0~2.6之间,环丙胺除外,它的氨基氢只有0.9左右;环烷烃上的氨基在1.3~2.0之间。要说脂肪氨基氢的峰型呀,大概率是宽单峰,很少有裂分完美的。酰胺的氢非常特殊,受到碳氮双键性的影响(或者解释成碳氮键旋转很慢),氮上两个氢(或基团)的化学环境不同。
大多数时候,酰胺中与氧原子在同侧的氢(或基团)的化学位移偏高场一点。请看下图吧,这张图是核磁界三位前辈高人(Erno Pretsch, Philippe Buhlmann, Martin Badertscher)搜罗整理,凝结出的酰胺化学位移之精华,可以称得上是武林秘籍了。
由酰胺的共振式平衡式,我们可以知道,当结构中有酰胺存在的时候,很可能图谱中会出现两套信号峰,一大一小,或者大小相似,积分成比例的,这就给解析工作带来了非常大的不便。但是,这个时候,你至少可以判断,呀!结构中是不是有酰胺基团啊? 某酰胺结构中与氮相连的次甲基氢信号说了这么多,还剩“两个酰胺”,简单提一下吧,内酰胺,活泼氢的化学位移差不多是6.3,苯磺酰胺的氨基氢位移大约7.4。苯胺的氨基氢化学位移一般在3~4(氘代氯仿)或4~6(氘代二甲基亚砜),出峰是一个宽峰(注意是1个哦,苯胺不存在两个氢分开的情况);另外,若氮上再连脂肪碳(即仲胺),也会发生裂分。苯肼中,末端氨基氢化学位移在4~6之间,挨着苯的亚氨基氢化学位移在11~13之间,都是宽单峰,值得注意的是,肼类化合物要是配制好了溶液不抓紧测试,可能过一会,活泼氢就交换没了,再测试时,氢谱图中就无论如何也寻不到肼基团的影子了。吡咯的活泼氢位移大约是8左右,受溶剂依赖,不太固定。含硫基团
巯基较少见。脂肪族的巯基氢化学位移一般在1~2之间,芳香族的在3~4之间,典型的巯基苯,活泼氢的位移是3.5附近。磺酸的活泼氢化学位移一般在11~12之间,无论是脂肪的还是芳香的。结 论总而言之,活泼氢直观上的特点是峰宽钝、积分数值略有不足,因此在解析时,我们可以通过峰形与化学位移将其准确识别。当然啦,如果样品不纯时,杂质峰信号会带来一定的迷惑性,这就需要另外判断了,本篇不再讨论。致 谢持续的输出真的是相当耗能。道阻且艰。多谢各位熟悉我以及不熟悉我的朋友的大力支持,我才能写下去。就在前几天,我意外的发现家严、家慈给我涨了不少粉丝,其中不乏我的叔、伯、姑、姨长辈,感动的哗啦哗啦的。在此一并感谢! 核磁共振毕竟是一个小众的圈子,从这个号开创之初就注定了它整个生命周期的格调。如果说,您周围有化学、医药、生物相关的同学或朋友,甚至是老师,请不要吝啬“在看”的按钮,把华山后山分享出去,以惠及更多想要真正学习核磁共振但是没有门路的朋友。尾 声写到本篇,已经是华山后山正儿八经的第13篇文章了,也是化学位移系列的收官之作。接下来的撰文,我打算新开一个主题,分享一下核磁共振波谱的原理,敬请期待。参考文献[1] ErnoPretsch.Structure Determination of Organic Compounds: Tables of Spectral Data (4th,revised and enlarged edition)[M]. 北京:科学出版社, 2012.如果你有疑问或想法,又或者有不同的见解,请关注公众号“华山后山”,在会话界面留言即可。深度咨询或解析需求请发送邮件到flora_5@163.com。

关注华山后山微信公众号,获取更多图文精彩内容


其他栏目