内容摘要:

一、阻转异构体

二、分子内氢键引起的异构

三、双键顺反引起的异构

正文部分:

一、阻转异构体

当分子中某处单键的自由旋转受阻时,可以形成一对阻转异构体,该现象也被称为阻转异构现象。旋转能垒不同,阻旋异构体的核磁谱图也具有不同的特点。

① 旋转能垒<20 kcal/mol,化学键可以自由旋转,两异构体彼此之间可迅速消旋,故核磁谱图示为同一个化合物,看不出阻旋异构。

② 旋转能垒 20-30 kcal/mol,化学键介于完全受阻和自由旋转之间,即使可以将两个异构体分离也会消旋。因此核磁谱图中总能同时看到两个化合物,无论开始几管还是最后几管,比例几乎一致。

③ 旋转能垒 >30 kcal/mol,化学键旋转完全受阻。如果能把两个异构体分离,很难消旋。因此每个异构体都能拿到清晰且单一的氢/碳谱。如果完全分不开或不能完全分开,拿到的谱图就包含两个化合物,但开始几管和最后几管的比例不一样(大极性冲一齐下来除外)。

此处举两个例子:

例一:一对阻转异构体,多次过柱未能分开且比例不变,氢/碳谱均为混合谱。由于化合物的H几乎全在芳香区,相互叠加,无法分辨每个异构体的特征峰。故SI中将两者的氢谱写在一起,碳谱亦然。注意:① 氢的数值可以<1;② 氢数的总和是单一异构体的氢总数;③ 两异构体每一处氢的比例都与dr一致,尤其是(显著的)特征氢。以甲基为例,两个异构体的甲基分别为1.2H 和 1.8H,积分总和为3H,比例为2/3。

例二:一对阻转异构体,氢谱为混合谱(dr = 2/1),碳谱为同一个化合物。但是氢谱可以分清两个异构体(根据积分判断),故文字版SI中分别写出两个氢谱,记为major/minor isomer。注意:氢谱上把主要异构体的甲基峰积为3H,次要异构体积为1.5H(符合dr),但文字版SI中次要异构体的甲基H要写作3H——因为当成一个化合物分开记录而不是写在一起。

二、分子内氢键引起的异构

最常见的氢键异构来自烯醇式和酮式。提供两例:

例三:1,3-二羰基化合物存在烯醇式和二酮式两种异构体,但烯醇式比例很高(9/1)。因此,虽然氢/碳谱均为混合谱,但积分、标峰时只标主要异构体,文字版SI也只记录主要异构体(烯醇式),看上去与单一化合物无异。

例四:1-取代-2-吡啶乙酮也存在分子内氢键,氢/碳谱均为混合谱。然而,氢谱可以分清两个异构体(根据积分判断),故文字版SI中分别给出major/minor isomer的两个氢谱。注意:氢谱上把主要异构体的甲氧羰基峰积为3H,次要异构体积为1.2H(符合dr),但文字版SI中次要异构体的甲氧羰基H要写作3H。注意,每个异构体的氢的总和是一样的,都是25H(氢总数)。碳谱无从区分,写在一起,但碳总数约等于两个异构体碳总碳数。

三、双键顺反引起的异构

当双键E/Z值较高时,一般参照例三,所收氢/碳谱虽能观察到少量异构体,但标峰、积分、文字版SI等均只针对主要异构体,看起来与单一化合物无异。

此处提供一个复杂的案例:

例五:一对顺反异构体,可惜结构式画错了。两构型差距极小,氢谱几乎是同一个化合物(5.4H/0.6H处可见区别);碳谱只能看到一个三氟甲基碳的q峰(另一个q峰大概率与此重叠);碳谱可见两个等高且相近的酰胺碳,氟谱可见两个峰,据此判断E/Z接近1/1。

总之,混合物的核磁,尤其是一对异构体的核磁数据处理比普通化合物更加费时费力,需要读者细心分辨。本作提供解决思路,请读者结合所处课题组的习惯批判性学习。