利用二維核磁解析復(fù)雜有機分子的結(jié)構(gòu)

葉克印，張香歸，袁耀鋒

福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福州 350108

核磁共振在有機化合物的結(jié)構(gòu)分析中具有舉足輕重的地位，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定、構(gòu)型(構(gòu)象)分析和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等方面，在有機化學(xué)、藥物化學(xué)、生物化學(xué)等多個研究領(lǐng)域已經(jīng)成為不可或缺的工具。在有機化合物的核磁共振波譜解析中，最常用的是一維的核磁共振氫譜(1H NMR)和核磁共振碳譜(13C NMR)。利用核磁共振氫譜提供的豐富信息(包括化學(xué)位移、峰形、偶合常數(shù)和積分面積等)，結(jié)合核磁共振碳譜，可以有效地判斷有機化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)[1–7]。然而對于長鏈的碳氫化合物核磁信號、分子結(jié)構(gòu)相似的混合物以及復(fù)雜烯烴的順-反異構(gòu)體等，僅僅依靠一維核磁很難進行有效的解析。

二維核磁(Two-Dimensional NMR, 2D NMR)是一種強大的復(fù)雜有機化合物精確歸屬分析工具。通過引入具有兩個時間變量的核磁共振實驗，2D NMR將化學(xué)位移、偶合常數(shù)等重要參數(shù)展開在二維平面上，完美地解決了譜線的擁擠和重疊問題，同時還可以提供自旋核之間的相互作用的重要信息[1]。因此，二維核磁在精確解析復(fù)雜有機分子結(jié)構(gòu)，特別是糖、蛋白質(zhì)、核酸等方面具有不可替代的地位[8]。

進入21世紀以來，隨著科研條件的改善，國內(nèi)很多高校已經(jīng)購置了核磁共振波譜儀，也開設(shè)相應(yīng)的核磁共振波譜學(xué)課程。課程內(nèi)容設(shè)置上，一般是以一維核磁共振氫譜和核磁共振碳譜為主，對于二維核磁的內(nèi)容很少涉及。我們認為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要包括以下幾點：首先，關(guān)于二維核磁的教學(xué)內(nèi)容大多局限于晦澀難懂的原理介紹，在教學(xué)科研中實際存在的復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)解析方面缺乏可操作性，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣；其次，國內(nèi)的核磁教材普遍缺乏清晰的二維核磁譜圖，無法進行有效的二維核磁教學(xué)；最后，二維核磁的科研與教學(xué)脫節(jié)，即熟練掌握二維核磁的科技工作者不參與核磁共振波譜教學(xué)，而大多數(shù)講授核磁的教師卻沒有實際操作分析二維核磁的能力。

然而，鑒于二維核磁在科研和生產(chǎn)上的重要應(yīng)用，非常有必要加強這一方面的教學(xué)和訓(xùn)練?；陂L期的核磁共振課程教學(xué)實踐，我們總結(jié)出以下幾點教學(xué)改進方面的經(jīng)驗。二維核磁相關(guān)內(nèi)容的主講教師必須熟練掌握二維核磁波譜解析的能力，具備利用二維核磁解決科研工作相關(guān)問題的能力。在教材的選擇上，使用近年來從國外引進或翻譯的教材，或者是國內(nèi)優(yōu)秀教材，教材內(nèi)容先進且與國際接軌，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和教師授課。積極實踐科研反哺教學(xué)，二維核磁教學(xué)過程中選用例題和練習(xí)題大多數(shù)來源于科研實踐，教學(xué)特別注重培養(yǎng)學(xué)生活學(xué)活用、解決實際問題的能力。

本文展示了二維核磁共振波譜在長鏈碳氫化合物核磁信號、分子結(jié)構(gòu)相似的混合物以及復(fù)雜烯烴的順-反異構(gòu)體等復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)解析方面的應(yīng)用，表明二維核磁是解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析問題強大的工具。文中所用的二維核磁譜圖，均選自Field、Sternhell和Kalman等人編著的圖書《Organic Structures from Spectra》(Wiley)[9]。通過這些實例分析，可以看出學(xué)習(xí)掌握好二維核磁，對于提高有機化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生解析復(fù)雜有機化合物結(jié)構(gòu)方面的能力有很大的幫助。

1 利用2D NMR精確解析長鏈碳氫化合物

長鏈碳氫化合物由于分子內(nèi)氫原子所處環(huán)境相似，它們的一維氫譜中氫原子的化學(xué)位移非常相近，譜線重疊嚴重。因此，無法有效地分析該類化合物一維核磁的化學(xué)位移、峰形、偶合常數(shù)和積分面積等重要信息，從而導(dǎo)致難以進行精確的核磁信號歸屬。那么，該如何對這些化學(xué)環(huán)境相似的核磁信號進行精確的歸屬呢？二維核磁就可以很好地解決這個問題。

例如，圖1給出了溫度為298 K時，C6D6溶劑中3-辛酮(C8H16O)的核磁共振氫譜和碳譜。1H NMR譜δ0.82，0.92，1.11，1.19，1.47，1.92和1.94 (部分重疊)處有信號。13C NMR譜δ7.8，14.0，22.7，23.7，31.7，35.4，42.1和209.0處有信號。利用圖2(A)二維1H-1H COSY (Correlation Spectroscopy)譜圖和圖2(B) C―H HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation Spectroscopy)解析譜圖，則可以將所有的氫碳信號進行精確歸屬。

圖1 3-辛酮(C8H16O)的核磁共振氫譜和碳譜

圖2 3-辛酮(C8H16O)的二維1H-1H COSY譜圖(A)和13C-1H HSQC譜圖(B)

對3-辛酮的一維核磁共振氫譜(圖1)進行分析，可以看出譜圖中共出現(xiàn)了6組峰，由低場到高場，積分面積比為4 : 2 : 2 : 2 : 3 : 3。處于高場(δH= 1.0–0.8)積分比為3 : 3的是化學(xué)位移相近的兩組三重峰，根據(jù)峰形和位移可以得出這兩組峰屬于與CH2(2)、CH2(7)相連的末端甲基CH3(1)和CH3(8)。與吸電子的羰基相連碳上的質(zhì)子，其化學(xué)位移應(yīng)在低場(δH= 2.1–2.4)，可以得出這兩組多重峰(δH= 1.92，1.94部分重疊)屬于與羰基CO(3)相連的亞甲基CH2(2)和CH2(4)，并且CH2(4)相鄰的正丁基給電子效應(yīng)比CH2(2)相鄰甲基更強，屏蔽效應(yīng)更強，峰向高場移動，所以CH2(4)化學(xué)位移在1.92，CH2(2)化學(xué)位移在1.94。而處于中間的三組多重峰屬于亞甲基CH2(5)、CH2(6)、CH2(7)。通過對一維核磁共振氫譜進行分析，只能得到相近化學(xué)位移幾組峰歸屬，不能準確歸屬各個峰的位置。

利用二維核磁相關(guān)譜圖3(A)和圖3(B)，可以方便地精確歸屬核磁信號所對應(yīng)的氫原子和碳原子。

圖3 3-辛酮(C8H16O)的二維1H-1H COSY譜圖(A)和13C-1H HSQC譜(B)解析

從1H-1H COSY譜圖(圖3(A))的橫軸看，根據(jù)CH2(2)、CH2(4)重疊峰與δH= 1.19三重峰偶合的交叉峰，可得出δH= 0.92峰是與CH2(2)相連的末端甲基CH3(1)。此外，CH2(2)、CH2(4)重疊峰還與δH= 1.47多重峰偶合，則是與CH2(4)、CH2(6)相鄰的CH2(5)。通過CH2(5)的確定可以相關(guān)到CH2(6)為δH= 1.11多重峰，則所有的氫都可以準確歸屬。

在圖3(B)13C-1H HSQC譜上，可以通過質(zhì)子峰位置找出對應(yīng)的碳原子。最后一個沒有氫原子與之對應(yīng)的碳則為羰基碳CO(3)。

因此，對于一維氫譜難以精確歸屬的長鏈碳氫化合物3-辛酮(C8H16O)，通過結(jié)合二維1H-1H COSY譜圖和13C-1H HSQC譜，可以便捷地做出氫譜和碳譜精確的歸屬(表1)。

表1 3-辛酮(C8H16O)的核磁共振氫譜和碳譜峰化學(xué)位移

2 利用2D NMR解析結(jié)構(gòu)相近的有機混合物

在有機合成中，合成目標產(chǎn)物的同時，經(jīng)常伴隨結(jié)構(gòu)相近的副產(chǎn)物的生成。對有機合成反應(yīng)進行后處理之前的粗體系核磁譜圖分析，有助于得到反應(yīng)情況第一手信息，對于反應(yīng)機理的正確分析和新反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。然而，結(jié)構(gòu)相近的有機混合物由于其分子結(jié)構(gòu)的相似性，其核磁譜圖信號也極其相似，難以精確歸屬。遇到這個問題時是怎么處理的呢？同樣的，二維核磁可以派上大用場。

例如，圖4給出了溫度為298 K時，C6D6溶劑中1-碘丁烷與正丁醇的混合物的1H NMR譜圖?；旌衔锝M分的譜圖之間有部分重疊。利用圖5(A) TOCSY (Total Correlation Spectroscopy)譜和圖5(B)1H-1H COSY譜圖則可以確定1-碘丁烷和正丁醇所有質(zhì)子的化學(xué)位移。

圖4 1-碘丁烷和正丁醇混合物的核磁共振氫譜

圖5 1-碘丁烷和正丁醇的TOCSY(A)和1H-1H COSY譜(B)

對混合物的一維核磁共振氫譜進行分析，氫譜中的氫氘交換的包峰(δH= 1.94)來自1-丁醇羥基的活潑氫。從活潑氫入手，在TOCSY譜上找到包含羥基質(zhì)子的自旋系統(tǒng)，在縱軸上出現(xiàn)了四組交叉峰，顯示1-丁醇所有質(zhì)子的相關(guān)性，且峰的強弱與相干傳遞的遠近有關(guān)(圖6)。在圖6(A) TOCSY譜上找出1-丁醇中羥基的活潑氫與CH2(1)、CH2(2)、CH2(3)和CH3(4)偶合，化學(xué)位移值最高的CH2(1)直接與羥基相連。化學(xué)位移值最低的為CH3(4)。通過圖6(B)1H-1H COSY譜可以看出CH2(1)和CH2(2)偶合，CH3(4)和CH2(3)偶合，從而確定CH2(2)、CH2(3)的化學(xué)位移，并且通過TOCSY譜中交叉峰的強弱也可以判斷CH2(3)處于離CH2(1)更遠的位置。

另一個自旋系統(tǒng)來自1-碘正丁烷。從碘原子的吸電子性入手，化學(xué)位移值最高的為CH2(1’)直接與碘相連。CH2(1’)在圖6(A) TOCSY譜縱軸上出現(xiàn)了三組交叉峰。在TOCSY譜上找出1-碘正丁烷中的CH2(1’)-CH2(2’)，CH2(1’)-CH2(3’)和CH2(1’)-CH3(4’)偶合，最低化學(xué)位移值為末端的甲基，即CH3(4’)。通過圖6(B)1H-1H COSY譜可以看出CH2(1’)和CH2(2’)的有交叉峰，CH3(4’)和CH2(3’)的有交叉峰，從而確定CH2(2’)、CH2(3’)的化學(xué)位移。

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

因此，對于一維氫譜難以精確歸屬的混合物(1-碘丁烷和正丁醇)，通過結(jié)合二維TCOSY譜圖和1H-1H COSY譜，可以便捷地對該混合物的核磁氫譜信號進行精確的歸屬(表2)。

表2 1-碘丁烷和正丁醇的核磁共振氫譜峰化學(xué)位移

3 利用2D NMR解析復(fù)雜烯烴的立體異構(gòu)體

確定多取代烯烴的立體化學(xué)也是有機合成中經(jīng)常遇到的情況。簡單的1,2-二取代烯烴，可以通過相鄰氫原子的偶合常數(shù)大小(順式：7–11 Hz；反式：12–18 Hz)來判斷。然而，一維1H NMR譜卻很難區(qū)分多取代烯烴的立體異構(gòu)體，如2-溴-2-丁烯的E和Z異構(gòu)體。這兩種異構(gòu)體都有3個共振(―CH＝C化學(xué)位移在5.5和6.0之間；―CCH3Br化學(xué)位移在2.0和2.5之間；―CHCH3化學(xué)位移在1.5和2.0之間)。在發(fā)表科研論文的時候，如何確定產(chǎn)物中烯烴的立體異構(gòu)情況也是審稿人經(jīng)常提到的一個問題。遇到這樣的問題，該如何解答呢？利用二維NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)譜就可以方便地對E和Z異構(gòu)體進行精確的歸屬。

如何利用NOESY譜圖區(qū)分立體異構(gòu)體，其本質(zhì)是在譜圖上觀察分子的空間結(jié)構(gòu)。在(E)-2-溴-2-丁烯和(Z)-2-溴-2-丁烯NOESY譜圖的對角線上，是氫原子自身的信號峰。在非對角線上，空間上接近的質(zhì)子(空間距離小于0.5 nm)之間偶合則出現(xiàn)交叉峰。該交叉峰與相隔化學(xué)鍵的數(shù)目無關(guān)，而空間距離大于0.5 nm時就不易觀察到NOESY的交叉峰。對于(E)-2-溴-2-丁烯，處于同碳上的基團，H(a)與CH3(b)在空間上相近，有偶極-偶極相互作用，出現(xiàn)交叉峰。H(a)與CH3(c)處于雙鍵平面的兩端，沒有偶極-偶極相互作用，不出現(xiàn)交叉峰。同理，CH3(b)與CH3(c)出現(xiàn)交叉峰(圖7)。

圖7 (E)-2-溴-2-丁烯的NOESY譜解析

類似的，對于(E)-2-溴-2-丁烯，處于反式雙鍵碳上的基團，H(a)與CH3(b)、CH3(c)在空間上相近出現(xiàn)交叉峰。CH3(b)和CH3(c)相互處于反式，在空間上相隔較遠沒有出現(xiàn)交叉峰(圖8)。因此，根據(jù)NOESY譜圖上出現(xiàn)交叉峰的不同可以方便地區(qū)分2-溴-2-丁烯的E和Z異構(gòu)體。

圖8 (Z)-2-溴-2-丁烯的NOESY譜解析

4 結(jié)語

從上述例子中可以看出，二維核磁是復(fù)雜有機分子的結(jié)構(gòu)解析非常有效的工具。與一維核磁相比，二維核磁可以將一維核磁中重疊嚴重的譜線有效地區(qū)分，同時提供更多自旋核之間豐富的相互作用信息，這些是解析復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)強有力的抓手。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合紫外光譜、紅外光譜、質(zhì)譜[10]等其他測試手段綜合分析，可以快速有效地解析復(fù)雜有機分子的結(jié)構(gòu)。希望本文能夠為有機化學(xué)相關(guān)專業(yè)的研究生學(xué)習(xí)和掌握復(fù)雜有機分子結(jié)構(gòu)分析提供一定的幫助。