3.10 从分子式到候选结构

候选结构(candidate structure)是目前与已知约束相容、仍需要检验的分子连接图。候选可以随着新证据增加而减少；某个候选暂时最合适，也不意味着已经穷尽所有连接异构体。分子式确定原子总量，谱图限定氢环境及其关系，两者承担的工作不同（Field、Li 与 Magill，2020）。

对中性、闭壳层、采用通常价态的含碳化合物，先计算不饱和度(degree of unsaturation, DBE)。无环饱和烃的氢数为 \(2C+2\)，三价氮使饱和氢数增加一个，卤素占据一个氢的位置。每形成一个环或一个双键，都使氢数减少两个；三键贡献两个不饱和度。二价氧不改变该氢数关系，因此不出现在式中。

式中 \(C,N,H,X\) 分别为碳、氮、氢和卤素原子数，均是无量纲整数。计算出负数或不合理的半整数时，先检查分子式、离子形式和价态假设。DBE 等于一只能说明需要一个环或双键，不能单凭计算宣布存在羰基；DBE 等于四也不能自动宣布有苯环，仍须核对芳香氢与原子预算。

五组信号的积分为 \(2+1+2+2+3=10\)，已经用完分子式中的十个氢。d 的四条谱线共同代表两个氢，e 的三条谱线共同代表三个氢；不能把四条与三条谱线再加到氢数中。芳香区合计五个氢，分成 \(2:1:2\) 的三组，首先支持一个单取代苯基。它有六个碳、五个氢，消耗四个 DBE。

扣去这个片段后，还剩三个碳、五个氢、两个氧和一个 DBE。余下的氢全在 d、e 中，位移与饱和烷基相容，缺少独立的烯氢信号。因此把最后一个 DBE 分配给无氢的羰基是合理起点。该步骤采用了芳香区识别与位移证据；仅从分子式减法本身，还不能证明剩下的一定是酯。

暂拟三个芳香氢环境时，也要说明观察条件。单取代苯环在这里的非手性溶液及快速平均条件下，可使两个邻位氢同组、两个间位氢同组，对位氢单独一组。化学等价不保证磁等价，芳香多重峰内部也可能含二阶效应。故峰表只记录 m，用积分和环境数识别片段，不把它们强制改成 d 或 t。

这个耦合配对(coupling match)仍是一项需要与结构计数联合使用的证据：不相关的两组氢也可能偶然具有相近的 \(J\)。本例恰好只有五个非芳香氢，且两个信号都没有额外可解析裂分，乙基解释同时满足氢数和峰形。若积分是 \(1:3\)，或 q 中存在另一个明显耦合常数，就不能照搬同一个片段。

先检查一阶近似(first-order approximation)是否适用于乙基。d 与 e 的位移差为 \(2.99\ \mathrm{ppm}\)。以标称频率近似参考频率，换算得到 \(\Delta\nu\) 约为 \(1196\ \mathrm{Hz}\)，故 \(\Delta\nu/J\) 约为 \(166\)。这一频率差远大于耦合常数，支持对这对信号采用 q/t 解释。这个计算没有检验芳环自旋系统，不能据此宣布整张谱均为一阶谱。

乙基甲基因快速转动而平均；亚甲基的两个氢在本例非手性介质中是对映异位，具有相同化学位移。本教学模型还忽略不能解析的长程耦合，使亚甲基可作为一个等价氢组处理。d 位于 \(4.38\ \mathrm{ppm}\)，支持亚甲基直接连接氧；若乙基的亚甲基只邻接羰基碳，通常不应出现同样的氧取代位移。这里开始利用化学环境区分片段的连接方向。

表中 Ph 表示 \(\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{5}\)。A1 至 A4 的苯基各有五个氢，链部分各有两个与三个氢；A5 的二取代环有四个氢，另有一个醛氢和五个乙氧基氢。逐个展开后，所有候选的碳均满足四价、氧满足二价，未暗加电荷或游离价。它们均是真正的同分子式候选，排除理由必须来自信号要求。

A2、A3 的亚甲基两氢在这里可由非手性环境及快速平均表现为同组，不能因为写了两个氢就自动预测 AB 型裂分。它们与甲基之间隔着羰基及氧，没有乙基的三键氢—氢路径；可能存在的微小长程耦合，也不能替代已给定的 \(7.2\ \mathrm{Hz}\) q/t。A5 虽有正确的乙氧基，却必须另安排醛氢，不能把缺失的醛氢解释为普通 OH 交换。

A4 的问题与前三个不同。化学位移经验有条件依赖，不能把它写成价态错误或绝对不可能。d 的氧取代位移与 a 的低场芳香氢共同偏向 A1；在本教学设定的通常溶液环境模型下，选择 A1。真实未知物若只提供同等一维证据，应报告 A1 为优先结构，并把 A4 的连接方向列作需要独立核验的剩余问题（Reich，2017）。

表中共列出九个碳和两个氧，氢数为 \(0+1+1+1+1+1+0+2+3=10\)。环上一个闭环及三个双键贡献四个 DBE，羰基贡献一个，合计五。三个芳香氢组加两组乙基氢，正好对应五组记录。由同一原子图同时核对元素、积分、环境数和裂分，才算完成本例的结构结算。

a 到邻位、c 到间位的具体映射在这里采用通常的羰基取代芳环位移模型；a 的较低场位置支持该映射。若换成实测谱，仅有一张低分辨率 m 峰表时，应将其作为暂定指认，不能把环上每条谱线再精确分配给某个氢。完整编号可以保留，而证据较弱的位点对应关系需在报告中注明。

DBE 为五，可分配给一个苯环和一个醛羰基。二取代苯环提供六碳四氢，甲氧基提供一碳三氢一氧，醛基提供一碳一氢一氧，元素和氢数正好结清。邻位与间位甲氧基苯甲醛都满足这些条件。两者均为中性通常价态，均有四个通常不等价的芳香氢，加甲氧基及醛氢共六组环境。对位候选通常只有两组各2H 的芳香环境，与已可靠分辨的四组1H 不符。

区别出现在芳环邻位氢网络。邻位取代留下四个连续的带氢碳位点，存在三条邻位氢对关系；间位取代留下一个三氢连续片段，另有一个氢夹在两个取代位点之间，没有邻位氢伙伴，但仍可有较小的间位耦合。这个“无邻位伙伴”条件比简单说“一个单峰”准确，后者会忽略小耦合和峰重叠。

先重新获得能读出芳香裂分的完整氢谱，比较哪些大耦合能在两端配对，并检查相应氢间频率差是否足以采用一阶近似。若重叠或强耦合妨碍判断，可再选择能检验氢—氢网络的实验。第 5.1 节讨论实验选择，第 5.4 节介绍 COSY；此处只要求说明两候选产生不同的网络预测，无需预先掌握二维谱原理。

即使补做相关实验，也不应把一条弱相关的缺失当作绝对排除。应优先核验连续三条邻位关系是否成立，或是否存在无邻位氢伙伴的位置，并结合分辨率和耦合强弱检查负证据。可解析的配对成立后，再向环原子编号回填指认，而不是仅凭甲氧基附近的一个位移数值选择位置异构体。

B 的报告则要保留两个候选及其不同网络预测。某组信号无法解析时，允许标记“芳香区共4H，个别裂分待定”，不要为填满指认表而补出不存在的 \(J\)。选补充实验时，写清它将区分哪一项连接，而不是笼统要求再测所有谱种。

这些结算步骤适合在 UCLA WebSpectra 或 EPFL/cheminfo 的分级练习中重复使用（Merlic、Fam 与 Strouse，1997；Patiny 与 cheminfo，无日期）。练习时先完成自己的候选表，再查看题目的额外证据；具体谱图留在原网站查阅。本节的两个例子、图形与答案均为教学再创作。下一节将处理重叠和缺失信息造成的记录问题。