核磁共振中活泼氢的耦合裂分

分子中活泼氢是容易发生交换的氢，并不固定与某个原子相连接，存在着快速交换机制。如果这个交换相对于NMR时间标度是快的，活泼氢就只能感受到邻近质子的平均结果，则分子中本来不是等价的核将表现为等价，从而使裂分不能发生；如果这个过程是慢的，则不等价性就会表现出来，相互之间的耦合裂分就会出现。活泼氢的交换速度与分子的结构和测试条件如温度、浓度、溶剂等有关。

 

常温下，OH、NH和SH相较，OH交换速度最快，一般无裂分，表现为尖锐的单峰；氨基交换速度中等，有时会产生耦合裂分，但有时又与羟基一样为尖锐的单峰。巯基SH质子交换速度最慢，和碳上质子一样，会与邻近质子有耦合作用。如苄基硫醇在CDCl3中测定(图4)，亚甲基与巯基之间产生耦合裂分，耦合常数J为7.6 Hz。

从测试条件来看，通常常温下看不到活泼氢与邻近氢的耦合，但随着温度的降低，交换变慢，就可以观察到活泼氢与邻近氢的耦合裂分。如甲醇在−54 ℃测定，甲基受到羟基的作用，裂分为二重峰，同时羟基在甲基作用下裂分为四重峰(图5)。

活泼氢在样品之间或与溶剂之间如果形成氢键将会限制其交换，此时就会产生耦合裂分，如高浓度、酸性杂质或者氘代二甲基亚砜DMSO-d6做溶剂等。高浓度乙醇中，羟基氢被邻近的亚甲基―CH2―上的氢裂分成三重峰，而亚甲基上的氢由于被―CH3上的氢裂分，又被―OH上的氢裂分，将观察到一个双四重峰。低浓度时，使用氘代氯仿为溶剂，由于氘代氯仿CDCl3不可避免的酸性杂质的存在会促进活泼氢的交换，醇羟基与邻位碳上质子的耦合就会消失，得到一个尖锐的单峰。但二甲基亚砜DMSO-d6溶剂中一般不会存在酸性杂质，同时活泼氢会与DMSO-d6的氧原子形成氢键，减缓交换过程。因此，以DMSO-d6为溶剂测定核磁共振氢谱，活泼氢常常表现出与邻接氢的耦合裂分，如以DMSO-d6为溶剂，乙醇的羟基与亚甲基耦合常数J约为5.2 Hz(图6)。氨在酸性溶液中会形成铵盐，氮原子带正电，其上活泼氢的交换就会很缓慢。受氮原子影响的耦合裂分可以形成外观强度相等的三重宽峰；同时，氨基氢也会与邻接碳上质子耦合，裂分复杂。

来源：大学化学, 2019, 34，82