第1章 · 1.7

1.7 异构体与可区分性

Structural Differences and What a Spectrum Can Distinguish
本节范围与学习目标
围绕同谱是否意味着同结构,比较连接异构、顺反构型、镜像排列和互换构象,解释各类差别在给定实验条件下能否被识别。
正文完整呈现;补充说明与参考资料可按需展开。

两个样品的氢谱具有相同的信号组数,甚至在常规条件下完全吻合,能否据此认定它们具有同一种结构?判断需要先说明比较的结构差别,再说明实验能够感受到什么。本节沿几组具体比较解释连接异构、构型、镜像排列与构象,并据此界定一项谱图证据能够排除哪些候选。

1.7.1 分子式相同,连接是否也相同

分子式相同而结构不同的化合物称为异构体。比较时先建立原子对应,再逐条核对成键对象和键级;连接不同的一类称为连接异构体,也常称构造异构体。乙醇的氧连接碳与氢,二甲醚的氧连接两个碳,二者同为 C2H6O,却不能通过改动绘图起点或整体转动结构图变成彼此。

已经讨论的两个酯还说明,信号组数也可能无法区分连接。图 1.7-1 中 A 是乙酸乙酯,B 是丙酸甲酯,均含两个甲基和一个亚甲基。在普通非手性溶液及常见快速转动条件下,两个候选各可以按三组氢讨论,贡献氢数均为三、二、三。该计数没有保留它们在酯基两侧的连接差别。

乙酸乙酯与丙酸甲酯的逐位置氢清单A 乙酸乙酯OCH₃3HC0HO0HCH₂2HCH₃3H碳上8H;氧上0HB 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 1.7-1 A、B 是本节两个连接异构候选,数量由结构计数得到。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。

继续检查单键氧的邻接对象,A 连接 CH2,B 连接 CH3。若独立证据已经可靠指认“直接与单键氧相连的饱和碳贡献三个氢”,便在给定两候选范围内支持 B、排除 A。这比只数三组信号多使用了一项位置与氢数的配对信息。实际读谱时,需要说明这项位置指认由何种证据建立,不能把题目明确给出的归属当作仅靠数峰获得。

比较同一层次的信息

原子总数用于核对组成,逐原子邻接用于比较连接,信号组数与参数则用于比较实验响应。一个分子内部两个氢是否等价,是另一个比较对象,将在下一节讨论。不同层次的“相同”需要分别写清依据。

习题 1.7-1 相同的三类氢是否足以识别酯?

教学设定:样品为单一中性酯,分子式是 \(\mathrm{C_4H_8O_2}\),候选仅限图 1.7-1 的 A 与 B。已确认三类氢的数目为三、二、三;进一步确认直接与氧相连的饱和碳上有三个氢。应保留哪个候选?如果只知道三类氢,结论怎样变化?

参考解答

逐个检查酯中的单键氧:A 的单键氧连接亚甲基,该碳上有两个氢;B 的单键氧连接甲基,该碳上有三个氢。因此新增证据支持 B,并在题目给定的两候选范围内排除 A。只保留三类氢及氢数时,A 与 B 都符合,不能识别为其中之一。实际谱图还需说明怎样完成含氧基团的指认,不能把题目明确给定的指认当作仅靠数峰获得的事实。

1.7.2 连接不变时,双键两侧仍可不同

连接一致而空间排列不同的结构属于立体异构体。需要进一步查看,这种差别能否通过通常的单键转动消除。顺-2-丁烯与反-2-丁烯都有相同的四碳连接和中央 C=C:顺式的两个甲基在双键同侧,反式在相对两侧。转动整张图不改变侧别,双键也不能像普通 C—C 单键那样转动而保留原有 π 重叠。

顺反构型可以保留相同的氢分组数顺-2-丁烯CCCH₃CH₃HH甲基6H;烯氢2H反-2-丁烯CCCH₃HHCH₃甲基6H;烯氢2H相同计数,不保证位移与耦合相同
图 1.7-2 两个非对映构型的原子连接相同,甲基的相对侧别不同。普通快速甲基转动条件下均可按六个甲基氢与两个烯氢讨论;图示没有给出实测参数。

这种不能仅靠通常单键转动互换的排列差别属于构型差别。顺、反-2-丁烯不构成镜像对,属于非对映体;非对映关系并不要求必须存在四面体手性中心。一般烯烃使用 \(E/Z\) 时,还需要按基团优先顺序判定,本例仅用两个相同甲基说明同侧与异侧。

在常见快速甲基转动条件下,每个异构体的两端甲基由对称关系联系,合计六个氢;两处烯氢也可以按一组共两个氢讨论。因此,它们都具有两组氢、三比一的氢数比。计数相同仍保留构型差别,实际的化学位移、耦合参数与裂分形状可以不同,具体的构型证据将在 6.4 节展开。

另一方面,结构差别也不保证每个对应峰都能分开。某些位置的参数变化很小,信号还可能重叠或被其他峰覆盖。对于混合物中的两种非对映体,能否找到两套可辨信号,需要针对具体位置查看线宽、噪声与组分含量,不能由异构类别直接给出保证。

1.7.3 镜像结构为什么可以有相同常规氢谱

上一节的丁-2-醇中央碳连接甲基、乙基、羟基和氢,四个不同基团可形成一对镜像排列。互为镜像却不能通过整体转动完全重合的结构称为对映体。图 1.7-3 保留相同的原子连接,画出两种镜像排列;它们可用 \(R\)、\(S\) 描述符区分,本节尚不根据图形判定哪个属于哪一描述符。

连接不变的镜像排列镜像排列 ACCH₃CH₂CH₃OHH镜像排列 BCCH₃CH₂CH₃OHHA、B 为图中标签,不是 R/S 判定
图 1.7-3 丁-2-醇的一对镜像排列。实楔与虚楔只指定空间方向;A、B 未赋绝对构型。常规非手性溶液中能否区分,还须按正文说明的测量与相互作用条件判断。

在相同的非手性、各向同性环境中,一对对映体的常规对应化学位移和标量耦合参数相同。可以把分子连同周围相互作用一起作镜像比较:非手性介质不偏向其中一种排列,常规谱所使用的这些参数不能为镜像对提供不同标记。这里限定常规溶液实验,不能把它扩展为任何核磁实验都无法涉及手性信息;Garbacz 的手性 NMR 物理讨论区分了这些条件。

比较纯样品与混合样品时,还应保持温度、浓度、化学形态及参照方式一致,并排除手性添加物或需要另行处理的聚集作用。在可忽略相互聚集的普通非手性稀溶液中,纯 \(R\)、纯 \(S\) 和不同 \(R/S\) 比例的样品可以具有相同归一化常规氢谱。一套信号没有独自确定样品只含一种对映体。

与单一构型标准品吻合时

若未知样品的普通非手性氢谱与已知 \(R\) 型标准品吻合,还要保留 \(S\) 型及不同镜像组分比例的可能。提高分辨率不能让本来相同的对应参数自行分离。若任务要求区分镜像对,需要引入能够产生手性区分的条件并验证结果。

手性溶剂、手性添加剂或与手性试剂形成衍生物,可以使两种对映体建立不同的非对映相互作用,进而获得可比较的谱差。具体信号能否分开、如何据此确定构型,仍取决于体系和指认依据;加入手性试剂本身没有完成验证。相关方法将在 6.6 节介绍。

习题 1.7-2 谱图重合允许哪些结论?

在同温、同浓度的非手性稀溶液中测量两瓶 2-丁醇,已排除聚集和手性杂质。两张归一化常规氢谱吻合。能否断定两瓶的 R/S 比例相同?若一瓶只有 R 型,另一瓶等量含 R 型与 S 型,会不会仅因混合而多出一套信号?

参考解答

不能断定比例相同。在题设条件下,R 与 S 的对应位移和耦合相同,改变二者比例不会产生独立的组分标记。第二瓶两种对映体的对应信号相互重合,不会仅因含有两种对映体就增加一套信号。谱图吻合可支持其他已检验的结构特征一致,但不能提供对映体比例。要研究比例,需引入经过验证的手性识别条件或其他能区分对映体的方法。

1.7.4 单键转动为什么可能只留下平均响应

正丁烷沿中央 C—C 单键转动时,两端甲基可以相互远离,也可以处在较邻近的交错位置。原子连接没有改变,这类可经形式上的单键转动等运动互换的空间排列称为构象。比较两幅图时,应检查实际的互换路径;仅仅改变纸面排版不增加构象,不能经通常单键转动消除的差别也应另行处理。

分子运动与测量之间还涉及速率。如果同一氢在不同构象环境间交换足够快,NMR 可以记录时间平均后的响应;交换较慢时,则可能保留可区分环境的信号。“快”需要相对于两种环境本来的共振频率差判断,与一次采集持续几分钟并非同一个尺度问题。定量条件和线形将在 1.9 节及 6.7 节讨论。

因此,结构图中画出一个方便讨论的构象,没有说明分子在溶液中始终保持它;出现平均信号,也没有证明分子固定在一幅平均几何图上。单键转动还可能受环、拥挤或共轭限制,需要根据实际结构与速率判断,不能把所有单键都视为自由转动。

1.7.5 能排除一个候选,还剩哪些可能

异构关系由结构比较确定,实验可区分性则由所测特征和条件确定。两个候选预测存在差别,还需要该差别能够观察、重复确认并超过相关不确定度。报告谱图“相同”时,应说明比较了组数、相对氢数,还是已经比较位移与裂分;使用的信息不同,能够排除的范围也不同。

设候选表有 A、B、C,其中 A、B 为镜像对,C 为连接异构体。若一项可靠位置证据与 C 冲突,却与 A、B 都相容,剩余集合仍有两个候选。在题设普通非手性条件下继续精细测量相同的对应参数,未必能缩小镜像对;需要根据尚存的结构差别选择下一项比较。

说明识别的范围

唯一识别要求在已经说明的候选集合内,只剩一个结构符合所用证据。若任务仅要求确认连接结构,可以说明镜像对共有的连接得到支持、绝对构型未定;若需要构型或组分比例,则还没有完成该项判断。

习题 1.7-3 从候选集合判断结论强度

教学设定:候选表列有 A、B、C 三种结构。A 与 B 为一对对映体,C 与它们互为连接异构体。在普通非手性稀溶液的常规实验中,一项已经可靠指认的证据与 C 冲突,与 A、B 均相容。请给出剩余候选数,并判断“已经确定 A”这一结论是否成立。若提高分辨率后 A、B 的对应参数仍等同,应怎样安排后续比较?

参考解答

先从三个候选中删除与可靠证据冲突的 C,剩下两个候选 A、B。“已经确定 A”不成立,因为没有证据排除 B。A、B 在题设条件下对应参数等同,不能把提高分辨率当作必能奏效的措施。若需要区分它们,应改用能够提供手性区分的条件,并验证新的差别;若任务只要求确认连接结构,可以报告连接结构已得到这组证据支持,而绝对构型未定。

对连接不同的剩余候选,记录它们不同的邻接位置;对镜像对,记录当前介质是否提供手性区分;对互换构象,记录运动条件及观察尺度。下一节将把本节的结构比较方法用于同一分子内的两个氢,借助取代后的结构关系判断其环境等价性。

结构关系与实验条件的对照索引
表 1.7-1 结构关系与常规氢谱证据的对应范围
比较对象可寻找的差别不能由此保证
连接异构体不同邻接位置的位移、氢数及关联信号数必然不同
非对映体位移、耦合与空间关系证据每个对应峰都能分开
对映体适当手性环境引入的差别普通非手性氢谱能确定 R/S
互换构象条件变化引起的位移或线形变化每个画出的构象都各给一套信号
术语索引

关键术语

异构体 (isomers)
分子式相同而结构不同的化合物。
连接异构体 (constitutional isomers)
原子连接关系不同的异构体,又称构造异构体。
立体异构体 (stereoisomers)
连接关系相同而空间排列不同的异构体。
构型 (configuration)
不能仅靠通常单键转动互换的立体排列。
构象 (conformation)
通过形式上的单键转动等运动可互换的空间排列。
对映体 (enantiomers)
互为镜像且不能重合的一对立体异构体。
非对映体 (diastereomers)
不构成对映关系的立体异构体。
非手性环境 (achiral environment)
在所讨论相互作用中不区分镜像排列的环境。
实验可区分性 (experimental distinguishability)
给定实验与条件下,候选间差别能否被观察和确认。
唯一识别 (unique identification)
在说明范围的候选集合内,仅有一个结构仍符合所用证据。
参考资料

参考文献与延伸阅读

  1. IUPAC. 2025. Constitutional isomerism. Compendium of Chemical Terminology, 5th ed. Gold Book,C01285。用于连接异构定义及乙醇、二甲醚比较。
  2. IUPAC. 2025. Diastereoisomerism. Compendium of Chemical Terminology, 5th ed. Gold Book,D01679。用于非对映关系的范围。
  3. IUPAC. 2025. Enantiomer. Compendium of Chemical Terminology, 5th ed. Gold Book,E02069。用于镜像与不可重合的定义。
  4. IUPAC. 2025. Conformation. Compendium of Chemical Terminology, 5th ed. Gold Book,C01258。用于构象及单键转动的定义。
  5. William H. Reusch. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Michigan State University,Virtual Textbook of Organic Chemistry;ACS Division of Organic Chemistry 托管。在线教程,访问日期 2026-10-11。用于氢环境、位移与积分的入门说明。
  6. William H. Reusch. Resolution of Racemates. Michigan State University,Virtual Textbook of Organic Chemistry;ACS Division of Organic Chemistry 托管。在线教程,访问日期 2026-10-11。用于手性参照与非对映相互作用的有限引介。
  7. P. Garbacz. 2024. Antisymmetric Nuclear Magnetic Shielding as an Indicator of Molecular Chirality. In: Physical Principles of Chirality in NMR. Royal Society of Chemistry, pp. 158–203. doi:10.1039/BK9781839169588-00158。本节仅引用其中对常规 NMR 手性区分限制的讨论;专门电场实验不属于本节方法范围。