NMR谱图中的活泼氢是敌还是友？

2023-02-15 02:26:32, ACD/Labs李丹 Advanced Chemistry Development, Inc. (ACD/Labs)

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NMR谱图中的活泼氢

是敌还是友？

¹H NMR 是一种用于解析和验证化合物结构的强大技术。¹H NMR 光谱中的峰位置或化学位移取决于质子周围的电子云密度。具有较高的电子云密度的质子将位于高场，较低的 ppm 数值，而较低的电子云密度的质子将位于低场，较高的 ppm 数值。在 ¹H NMR 光谱中，不同官能团的质子通常会出现在可预期的化学位移范围内。然而，对于与氧 (-OH) 或氮 (-NH) 共价键合的质子，情况并非如此。这些质子与溶液中的其他质子或氘进行快速交换。这个化学过程不断地替换溶质分子中的质子，并影响化合物中其他质子的信号的检测以及其它质子的化学位移和峰形。

活泼氢一般具有以下特征：

广泛的化学位移：溶剂、氢键强度、pH、温度和浓度等许多因素都会强烈影响活泼氢的化学位移。例如，氢键的形成导致质子化学位移向低场迁移。因此，活泼氢质子的共振信号可能出现在不同的化学位移处。换句话说，这些信号没有“绝对正确的位置”，实验条件决定了它们出现的位置。这可能会给信号归属造成误导。-OH 和 -NH 质子的典型¹H化学位移范围如下表所示：

宽峰：在质子性溶剂中，活泼氢质子在室温下很容易相互交换并产生更宽的峰，这是所有信号的平均值。在这种情况下，降低温度可以降低交换速率，峰型相对较尖锐。

峰裂分：由于这些质子在分子之间快速交换，相邻的质子间可能并不总是 “相互感觉得到” ，因此，出现的峰可能没有预期的耦合裂峰，反之亦然。

活泼氢的溶剂效应

活泼氢的宽峰可能会与样品中的其它峰重叠从而掩盖一些信息。幸运的是，可以使用实验条件（溶剂、浓度、温度等）来控制这一点。例如，氘代溶剂的类型可以确定是否在 ¹H NMR 光谱中观察到可活泼氢。因为活泼氢信号出现与否取决于与活泼氢质子与溶剂中氘原子的交换速率。

在这里，我们比较了溶解在 DMSO-d⁶ 和氘代甲醇中的仲醇 HOCHR₂的 ¹H NMR 光谱。DMSO-d⁶溶剂中没有可交换的氘原子，质子交换速率降低。因此，此时¹H NMR 光谱可以采集到羟基质子双峰和次甲基质子双峰。在氘代甲醇中由于其相对较高的质子交换速率，采集的光谱仅显示 CH 质子的单峰，而观察不到 OH 质子峰。

结构研究中的活泼氢作用

活泼氢质子对大分子结构和动力学研究具有一定的意义。氢/氘 (H/D) 交换结合 2D NMR 技术已广泛应用于蛋白质的结构、稳定性和动力学研究。例如，氨基酸主链的酰胺基团中的质子可以有意地用氘替换（标记）。然后，这些标记的位点可用于区分溶剂可及的氨基酸残基，提供有关蛋白质次级型态的信息，平衡态和动力学中间型态信息。

弛豫技术，例如核的Overhauers谱NOESY和旋转坐标系Overhauers谱ROESY，可用于研究蛋白质中的质子交换速率。可以在这些光谱中观察到活泼氢质子相应的相关信号。这些实验可以测定活泼氢质子弛豫速率，从而揭示质子彼此之间的空间距离，并有助于解析化合物2D 或 3D 结构。

如何识别 NMR 谱图中的活泼氢

如果您打算采集活泼氢信号，解析 ¹H NMR 光谱的关键是正确区分 CHn类型（其中 n = 1、2 或 3）和活泼氢。采集 2D ¹H-¹³C 相关谱，例如 HMQC、HSQC 或 HETCOR，可以帮助识别CHn类型。

我们用下面的例子来进一步说明，氨基甲酸酯化合物的结构以及其部分 ¹H NMR 光谱 (7.40–8.05 ppm)如下图所示。芳香区显示 5 个多重峰，相对积分值为 2:2:1:2:2。积分为 2 的耦合裂峰类型对应于稠环系统中的芳香族质子。7.78 ppm 处的双峰 (d) 可能是 -CH 或 -NH 质子。虽然质子的化学位移和耦合类型 (d峰) 可以提供一些线索，但是，在这种情况下，两个双峰间的耦合常数均为 (~10 Hz)，无法在仅有1H NMR的情况下判断这峰个是-CH还是-NH。因此需要采集 HSQC 光谱，以排除或确认此峰是 -OH 还是 -NH 质子。

HSQC 光谱相关信号显示的是¹H-¹³C 一键相连的基团。双峰在 7.78 ppm 处没有相关信号，因此排除了 CH 基团的可能性，并表明此双峰对应于 -OH 或 -NH 质子

提示：使用数据库或谱库将数据与先前鉴定的具有相似结构的化合物的 ¹H NMR 光谱进行检索排重可能会有额外的价值

活泼氢化合物的结构解析

为了成功解析结构，您需要从 ¹H NMR 谱中提取正确的信息。此信息包括质子总数和以及活泼氢质子个数（如果可能）。当从谱图中排除活泼氢质子峰后，光谱中的总质子数与分子式之间就会出现差异。根据化合物分子式以及其他核子谱，可以将这些非活泼氢质子归属给它们相连接的原子，将剩下的质子（非固定活泼氢质子）交由ACD/SES软件处理。

下面将用 MF=C₁₀H₁₅N 解析案例时具体说明这一过程，起初，所有的碳的类型认定为 C、CH、CH₂ 或 CH₃，留下三个未指定的质子。当计算活泼氢个数时软件出现了可能存在问题的提示。假设化合物中没有氨 (NH₃) 杂质，则碳的类型认定存在问题，所以用户应重新检查碳类型认定情况。在重新正确定义碳的类型后，ACD/SES软件成功解析出了该物质为甲基苯丙胺。

甲基苯丙胺的正确结构表明当初甲基 (CH₃) 被错误地认定为次甲基 (CH)

活泼氢质子的存在可能会给 NMR 数据解析带来挑战，但通过选择适当的实验条件，可以很容易地从光谱中去除它们的信号。在许多情况下，仅需少量的 D₂O 即可简化谱图。你可能并不想真正去掉这些活泼氢质子信号，因为这些活泼氢信号在合适的实验条件下可以为你所用，活泼氢质子信号可以而且长期以来一直用于作为获取有关分子结构或动力学信息的补充证据。

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