第1章 · 1.4

1.4 官能团与分子骨架

Functional Groups as Connectivity and Hydrogen Inventories
本节范围与学习目标
用两个同分子式酯的连接差别贯穿官能团辨认与逐位置氢计数,并把环、多重键和杂原子上的氢纳入结构清单。
正文完整呈现;补充说明与参考资料可按需展开。

乙酸乙酯和丙酸甲酯都含四个碳、八个氢、两个氧,也都可以写出两个甲基和一个亚甲基。它们的区别藏在这些片段如何连接:单键氧在前者直接连着 CH2,在后者直接连着 CH3。本节用这一比较说明,怎样把官能团名称还原为具体连接,并逐位置清点氢,为后续检查谱图建立可靠的结构清单。

1.4.1 沿连接辨认完整的官能团

分子骨架指碳与其他非氢原子形成的连接框架,包括链、支链和环。官能团是具有特征化学性质的原子或原子组合,辨认时需要把相邻的键一起读出。以 CH3—C(=O)—O—CH2—CH3 为例,一个碳与氧形成双键,称为羰基;这个碳还连接一个单键氧,后者再连到碳,三部分共同组成酯基。

若只看到 C=O 就把它写成酮,再把单键氧写成醚,会丢失完整酯基的连接定义。酮的羰基碳连接两个碳取代基,醛的羰基碳带氢;羧酸、酯与酰胺的羰基碳则分别连接羟基氧、另接碳的单键氧或氮。官能团名称能够发挥作用,是因为它保留了这些具体关系,而非仅统计有几个氧或氮。

羟基也需要继续查看氧的另一端。乙醇的 O—H 连接饱和碳,属于醇;酚的 O—H 直接连接芳环,羧酸的 O—H 连接羰基碳。二甲醚中的氧连接两个碳,本身不带氢。乙醇与二甲醚虽然同为 C2H6O,前者有一个氧上氢,后者的六个氢全在碳上。这一差别直接来自结构连接。

从名称返回结构

登记“酯”时,应能在图中指出 C(=O)—O—C;登记“醇”时,应能指出饱和碳所连的 O—H。官能团名称与连接图相互核对,才不会把酯拆成互不相干的酮和醚,或把羧酸中的 O—H 当成普通醇。

1.4.2 用每个位置的价态补足氢

骨架式常省略碳的元素符号和多数碳氢键。线段末端与转折处通常表示碳,标出了 O、N 等元素的位置则按所标元素读取。环内的空白区域不增加原子,标有氧的顶点也不能再补一个碳。详细的表示规则将在 1.6 节展开,这里先把每个位置明确改写成原子,再核对它已有的键。

对常见中性闭壳层的四价碳,单、双、三键分别占一个、两个、三个键级单位;连接非氢原子后,不足四个的部分由氢补足。乙烷每个碳已有一条 C—C 单键,因此各带三个氢。一个饱和碳连接三个非氢原子时通常带一个氢,连接四个非氢原子时不带氢。分支增加会占用成键位置,不会自动增加该碳的氢数。

多重键必须按完整键级计入。酯羰基碳已有一条 C=O 双键、两条单键,键级之和为四,因此不带氢。沿乙酸乙酯从左到右检查,三个含氢碳分别是 CH3、CH2、CH3,贡献三、二、三个氢;两个氧都没有 O—H,合计八个氢。图 1.4-1 同时给出丙酸甲酯,便于把每个数量放回其连接位置。

乙酸乙酯与丙酸甲酯的逐位置氢清单乙酸乙酯OCH₃3HC0HO0HCH₂2HCH₃3H碳上8H;氧上0H丙酸甲酯OCH₃3HCH₂2HC0HO0HCH₃3H碳上8H;氧上0H清点位置;不把氢数当作谱线数
图 1.4-1 两种酯的连接与氢清单。羰基上方的氧不带氢;含氢位置分别按结构计数,没有预测实际信号或谱线数。

对于氧与氮,需要同时核对连接和电荷。通常的中性氧有两条单键或一条双键,中性胺氮通常有三条单键;明确画出的氢与电荷都属于结构信息,不能为了套用简化价态把它们删去。甲基叔丁基醚的氧连着两个碳,不带氢;中心饱和碳连着三个甲基和氧,也不带氢。其十二个氢都来自四个甲基。

分开清点两类位置

先列每个碳所带的氢,再单列 O—H、N—H 等杂原子上的氢,最后相加。这样既可核对分子总组成,也可保留以后检查交换信号需要的位置。价态规则在这里用于通常的中性闭壳层结构;带电碳、自由基与金属有机结构需要另外处理。

1.4.3 环与多重键怎样改变含氢位置

烷基片段的连接位置会改变局部氢数的分配。正丙基从末端碳与外部骨架相接,异丙基从中间碳相接;二者均含七个氢,但正丙基为一个甲基和两个亚甲基,异丙基为两个甲基和一个次甲基。叔丁基的三个甲基贡献九个氢,中心碳的四个连接位置被非氢原子占满。标记取代片段时,需要把与外部相接的位置一起保留。

碳碳双键或三键的存在,也不直接告诉我们有几个氢连在多重键碳上。丙烯 CH2=CH—CH3 的两端烯碳分别带两个和一个氢,甲基另带三个。丙炔 \(\mathrm{CH_3-C\equiv CH}\) 含一个末端炔氢;2-丁炔 \(\mathrm{CH_3-C\equiv C-CH_3}\) 的两处炔碳都已连接甲基,全部六个氢来自两端甲基。由此可以保留“有炔键但没有炔碳上的氢”这一结构可能性。

闭环时,回到起点的那条键也是实际连接,不能按开链末端补氢。环己烷的每个碳与两个相邻碳相连,未取代时六处都是 CH2;苯的六处碳则各带一个氢,电子结构需要上一节的离域模型描述。二者都可画成六边形,芳香性却不能由外轮廓判断。环己烯还给出含双键但不属于苯型芳香骨架的另一例子。

苯环上某个氢被甲基取代后,该环碳不再带氢,所以甲苯有五个环上氢和三个甲基氢。二甲苯有四个环上氢和两个甲基所带的六个氢。邻、间、对二甲苯总氢数均为十,取代位置却不同。芳环外的苄基位置也需单列:苄醇的 CH2 同时连接芳环与氧,与环上的 C—H 具有不同的连接背景。

习题 1.4-1

分别统计丙炔、2-丁炔和甲基叔丁基醚 \(\mathrm{(CH_3)_3C-O-CH_3}\)的碳上氢、氧上氢和总氢数。哪些多重键碳或饱和碳没有氢?

参考解答

丙炔的甲基贡献三个氢,末端炔碳贡献一个,另一炔碳已有三键和单键而不带氢,总计四个。2-丁炔两端甲基各贡献三个,两炔碳均不带氢,总计六个。甲基叔丁基醚的三个叔丁基甲基贡献九个氢,中心碳连接三个碳和一个氧,不带氢;甲氧基再贡献三个。氧连接两个碳,不带氢,因此碳上十二氢、氧上零氢、总计十二氢。这里没有根据氢数推算信号数量。

1.4.4 氮和氧是否带氢,要查看连接与电荷

一个结构含有羰基时,还要检查羰基碳的其余连接。甲醛 H2C=O 的碳带两个氢,普通醛的羰基碳带一个氢;丙酮的羰基碳连接两个甲基而不带氢。乙酸 CH3—C(=O)—OH 的羰基碳同样不带氢,三个甲基氢与一个氧上氢相加才是它的四个总氢。把羰基碳上的氢和羟基氢分开记录,可避免把不同位置合并成一个“官能团的氢”。

习题 1.4-2

甲醛、丙酮和乙酸各有一个羰基。请分别给出羰基碳上的氢数、其他位置的氢数及总氢数,并说明乙酸的羟基是否应记作醇。

参考解答

甲醛为 \(\mathrm{H_2C=O}\),羰基碳与氧形成双键,剩余两条键由两个氢占据,总计二氢。丙酮为 \(\mathrm{CH_3-C(=O)-CH_3}\),羰基碳的键级已满,不带氢,两甲基共六氢。乙酸为 \(\mathrm{CH_3-C(=O)-OH}\),羰基碳同样不带氢,甲基三氢加氧上一个氢,共四氢。乙酸的氧氢片段属于羧酸官能团;其氧直接连接羰基碳,不能按普通醇分类。

胺的一、二、三级按氮所连的碳取代基数目分类。中性一级胺通常为 \(\mathrm{RNH_2}\),二级胺为 \(\mathrm{R_2NH}\),三级胺为 \(\mathrm{R_3N}\)。乙胺有五个碳上氢与两个氮上氢;中性三乙胺的三个乙基共带十五个氢,氮上没有氢。三级胺质子化后可以出现 N—H,因此登记氮上氢数时,必须连同中性或带电状态一起读取。

杂环把这项判断放进了闭合骨架。未取代、中性的四氢呋喃含一个氧和四个 CH2,共八个氢,氧上没有氢;哌啶含五个 CH2 和一个 N—H,共十一个氢。氮、氧已占据环顶点,不能把这些顶点当作碳。图 1.4-2 还比较吡啶与吡咯:前者有五个环碳氢、没有氮上氢,后者有四个环碳氢和一个氮上氢。

杂环的位置和氢数吡啶N5个环碳氢N上0H吡咯NH4个环碳氢N上1H四氢呋喃O4个CH₂:8HO上0H哌啶NH5个CH₂:10HN上1H未标元素的顶点为碳
图 1.4-2 四种未取代、中性杂环的结构清单。芳香结构采用一种交替键贡献式表示,不代表实际固定的局域单、双键;氢数按给出的连接和电荷状态读取。

吡啶与吡咯中氮的孤对电子参与芳香体系的方式不同,不能只凭氮的三价规则把它们统一当作普通烷基胺。对当前清单,先按给出的中性结构正确读出连接和氢数;若实际样品的质子化状态发生变化,再按对应带电结构重新检查,相关条件将在 1.10 节讨论。

结构氢数与实验可见性

结构中存在 O—H 或 N—H 时,应将它登记在氢清单里。交换、展宽或重叠可能使相应信号难以辨认或积分,因此看不到清楚的羟基信号,仍不足以单独排除羟基。实验记录需要另行说明观察条件与交换检查。

1.4.5 保留位置关系,才能比较同分子式结构

现在回到开头的两个酯。乙酸乙酯与丙酸甲酯都给出三、二、三的含氢片段,却把这些数量放在不同的连接路径上。只记“两个甲基、一个亚甲基”,会丢失单键氧究竟连接甲基还是亚甲基的信息;逐位置清点既要保留氢数,也要保留相接原子。

丁酸 CH3—CH2—CH2—C(=O)—OH 也具有 C4H8O2 分子式,但它的八个氢分为七个碳上氢和一个氧上氢。它与两个酯可以先由完整官能团与位置清单比较,后续再检查实际谱图是否支持相应预测。一个模糊的可交换峰还可能来自水、溶剂或杂质,不能独自完成这种判断。

表 1.4-1 三个教学候选的含氢位置清单
候选碳上氢杂原子上氢需保留的连接差别
乙酸乙酯甲基三、亚甲基二、甲基三零单键氧连接亚甲基
丙酸甲酯甲基三、亚甲基二、甲基三零单键氧连接甲基
丁酸甲基三、两个亚甲基各二氧上一羧酸氧直接连接氢

下方交互示意可以切换结构并追踪各位置贡献的氢数。模型给出的环境分组仅用于图中已指定的简单结构和条件;对任意新分子,仍需进一步检验对称性与运动。这里首先用它核对含氢位置,等价环境的判断方法将在 1.8 节和 1.9 节展开。

动手看一看 · 教学模型

沿连接结构检查每个位置的氢

在甲烷、乙醇、醚与酯之间切换,比较各位置贡献的氢数。

沿连接结构检查每个位置的氢C13 HC2OC32 HC43 HO点位置,高亮同一组;当前:酰侧甲基
结构氢数清单
结构氢数清单氢原子数01.633.254.886.5酰侧甲基连氧亚甲基末端甲基氢分组
结构总氢数8
环境分组3
教学可辨区域3
沿连接结构检查每个位置的氢C13 HC2OC32 HC43 HO点位置,高亮同一组;当前:酰侧甲基

图 1.4-3 圆圈只表示连接位置;总氢数、环境数与真实可见谱线需分别判断。
习题 1.4-3

教学候选仅限乙酸乙酯与丙酸甲酯。已知分子式为 \(\mathrm{C_4H_8O_2}\),结构应含酯基,并有两个各带三个氢的甲基及一个带两个氢的亚甲基。这些条件能否唯一确定结构?请提出仍需确认的一条连接信息。

参考解答

两个候选都符合条件。乙酸乙酯的甲基分别连接羰基碳和亚甲基,亚甲基直接连接单键氧;丙酸甲酯的甲基分别连接亚甲基和单键氧,亚甲基连接羰基碳。逐位置加总都得到八氢,所以仅凭分子式、酯基与三二三氢数不能排除任一候选。可以进一步确认单键氧连接的含氢碳是甲基还是亚甲基。未来可把不同局部环境的位移证据及连接实验一起用于判别;本题没有给出这些数据,答案应保留两个候选。

完成结构清单后,可以把各位置的氢数相加检查分子式,再进入下一节的环与多重键总量判断。官能团数、氢原子数、环境分组和谱线数仍需分别处理;尤其 CH2 的两个氢未必属于同一环境,不同位置的信号也可能重合。当前得到的是可供后续实验检验的连接与计数记录。

术语索引

关键术语

分子骨架 (molecular skeleton)
本节用于表示非氢原子的连接框架,包含链、支链与环。
官能团 (functional group)
赋予分子特征化学性质的原子或原子组合。
局部环境 (local environment)
氢所连原子及附近键型、取代基构成的结构描述。
烷基 (alkyl group)
由烷烃去除一个氢形成的饱和碳取代片段。
烯烃 (alkene)
含碳碳双键的烃类,双键碳不一定带氢。
炔烃 (alkyne)
含碳碳三键的烃类,末端与内部炔键的氢清单不同。
羟基 (hydroxy group)
含氧氢键的片段,其完整身份还取决于氧另一端的连接。
羰基 (carbonyl group)
碳氧双键片段,醛、酮及羧酸衍生物均可含有。
胺 (amine)
氨的一个或多个氢被碳取代基替换形成的化合物类别。
杂环 (heterocycle)
环骨架含有不同元素原子的环状结构,可为饱和或芳香结构。
参考资料

参考文献与延伸阅读

  1. Reusch WH. 无日期. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy — Reusch Virtual Textbook. Michigan State University;ACS Organic Division托管. 公开教材。用于核对氢环境与信号计数的区别。
  2. Berkowski K, Jamison TF. 2006. 5.13 Organic Chemistry II, Fall 2006. MIT OpenCourseWare. 课程讲义。用于把结构清单接入多证据结构分析。
  3. Silverstein RM, Webster FX, Kiemle D, Bryce DL. 2014. Spectrometric Identification of Organic Compounds, 8th ed. Wiley. 出版社条目。用于官能团、分子式与光谱约束的联合核对。
  4. Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS, Vyvyan JR. 2015. Introduction to Spectroscopy, 5th ed. Cengage. 出版社条目。用于有机结构与氢谱入门背景。
  5. McMurry J. 2023. Organic Chemistry. OpenStax. 3.1 Functional Groups;15.5 Aromatic Heterocycles: Pyridine and Pyrrole。用于官能团分类与芳香杂环结构核对;本页文字、计数题和SVG独立编写。