6.4 烯烃和环系的相对构型

双键两端各有一个氢时，跨双键的三键耦合约束这两枚固定编号氢之间的相对位置。所比较的对象应先写入指认表。

这里的顺反关系(cis/trans relationship)表示指定对象位于双键的同侧或异侧。E/Z 描述符(E/Z descriptor)则比较双键两端各自优先级较高的基团：同侧为 Z，异侧为 E。优先级由CIP 顺序规则(Cahn–Ingold–Prelog sequence rules)确定；最先比较直接相连原子的原子序数，若相同，再按规则逐层比较。对象选择和优先级排序都是命名步骤，不能由耦合大小代替（Favre、Powell，2013，P-91.2与P-92）。

图 6.4-2右侧给出一个可逐原子核查的例子。2-溴丁-2-烯的两个甲基同侧，但在 C2 上溴优先于甲基，在 C3 上甲基优先于氢，高优先级基团分居异侧，所以该图是 E 构型。它只有一枚烯氢，不能套用“两枚烯氢的大耦合”规则。对于末端 CH₂=CHR，末端两氢之间是偕耦合；虽然它们可分别与另一端的氢发生顺式、反式三键耦合，整个末端双键仍没有 E/Z 标签。检查键数和原子编号可避免把这些耦合混为一项。

以图中丁-2-烯酸甲酯为教学例，C1是羰基碳，C2与C3为双键碳，C4为末端甲基。设已用 HSQC、COSY 及 HMBC 确认 H2、H3 与 C4甲基的指认，并可靠提取 \(^{3}J_{\mathrm{H}_{2},\mathrm{H}_{3}}=15.5\,\mathrm{Hz}\)。这里的数值为题设参数。首先，它支持两氢反式；随后检查 CIP：C2端的C1基团优先于H2，C3端的C4优先于H3。因此，两氢反式使C1与C4也呈异侧，得到E候选。命名结论在原子关系已确定之后产生。

该E候选还预测 H2 与 C4甲基位于双键同侧。设短混合时间的选择性 NOE 实验中，照射H2可观察到C4甲基的可重复响应；对照证实照射带宽没有覆盖甲基信号，也没有覆盖H3。这一响应与E图中的空间接近相容。Z候选把H2和H3放在同侧，同时把H2与C4分置异侧，需面对耦合和空间预测的共同检验。取代基的转动会改变具体氢—氢距离，所以“同侧”提供的是几何倾向，不能直接赋予固定 NOE 强度。

若 H2/H3 的 NOE 未被检出，只能记录为在给定条件下低于检测水平。重叠、弛豫条件和有限灵敏度都可能使相关不可见。此例的支持来自已识别的大耦合与受控的H2—甲基空间响应，缺峰只作补充。反过来，若得到与Z相容的空间相关，却仍读出较大的反式耦合，应先检查指认、第二组分和NOE伪影。不能保留一个候选的J解释，再借另一个候选解释NOE。

环翻转(ring flip)使每根轴向键变为赤道向、每根赤道向键变为轴向，但指定取代基的上、下关系保持。于是一个上方甲基可从轴向上变为赤道向上；它不会在翻转中成为下方甲基。判断构型时，应给原子保留固定编号，将a、e作为随构象变化的属性。否则，翻转前后的“轴向氢”可能指不同原子，不能直接放进同一张实验相关表（Favre、Powell，2013，P-94；Reich，环系耦合资料）。

表6.4-1可从轴向方向交替这一条件推得。例如选定C1轴向向上，则C2轴向向下、C3轴向向上、C4轴向向下。C1与C2均轴向时，两取代基异面，属于反式；两者均赤道向时方向同时反转，仍是反式。C1与C3均轴向时，两者同面，属于顺式。位置差改变了顺反对应，所以“两个取代基都赤道向”不能单独回答顺反问题。

这张表只适用于所述椅式。五元环的起伏、桥环约束和明显扭曲的六元环不能直接套入。稠环还要区分单个环的取代关系与环并合关系；即使某些氢位于同面，也需说明它们是哪一对环并合氢。对于未知环系，先检查环大小与连接拓扑，再决定能否使用椅式模型。模型不适用时，应比较候选实际允许的二面角和距离，而不强行给每枚氢贴a或e标签。

考虑C1连甲基、C4连叔丁基的环己烷，编号只按本例固定。设分析已支持叔丁基主要处于赤道向，且普通椅式足以描述优势构象。为作图，任意规定C4叔丁基向下，则H4轴向向上。此时C1、C3、C5的轴向方向均向下，C2与C6的轴向方向向上。图 6.4-3画出反式候选：C1甲基赤道向上，H1轴向向下。图中的上、下选择是几何参考，整个分子转向不会改变反式关系。

现给教学数据：H1与C2、C6各一枚已指认氢的三键耦合分别为11.2和10.8 Hz，另外两项邻位耦合较小；H4也具有与两侧相邻轴向氢相容的较大耦合。先由连接网络确认前两项分别跨C1—C2及C1—C6，排除将偕耦合误纳入。H1的两项大耦合支持轴向向下，因此C1甲基赤道向上。C4叔丁基向下，两个取代基异面，支持反式候选。若为顺式且叔丁基仍为赤道向下，C1甲基必须轴向向下，H1变为赤道向上，难以解释该组耦合。

此处只比较跨相邻环碳的四项耦合。H1与所连甲基氢之间还可有三键耦合，须另作指认，不能把它当成H1的第三个轴向邻氢。C2等位置的两氢也须通过连接和整个耦合网络区分；如果仅因它与H1有NOE便先叫它“轴向氢”，再用这条NOE证明H1轴向，推理会循环。没有独立标签时，可以先用H2a、H2b这样的中性编号，等候选通过整组数据检验后才附上构象位置。

空间证据需在同一个椅式里核对。设短混合时间下，H1与C3、C5的向下轴向氢均出现可重复的NOE；H4与C2、C6的向上轴向氢也有响应。这两组1,3轴向空间接近，与反式候选的两面分布相容。这里“轴向氢”是候选优势构象中的位置说明，实验记录仍应保留每枚氢的固定编号。顺式候选使H1向上，不能在保留同一优势椅式的同时解释H1与上述向下氢的空间接近。结论应写成“支持两取代基反式及所示优势椅式”，不把它扩展为普通非手性介质中的绝对构型指认。

式中 \(p_k\) 是第 \(k\) 个构象的无量纲占比，\(J_k\) 是同一原子对在该构象中的耦合，\(J_{\mathrm{obs}}\) 是观测有效耦合，后两者均以Hz表示。NOE不能用平均距离直接代入静态关系；在适当的运动模型下，交叉弛豫对短距离具有更大的权重。一个占比较低但使两核靠近的构象，也可能影响空间响应。因此，中等J与较强NOE并不自动矛盾，需要检验同一构象系综能否给出两者（Claridge，2016）。

缺乏唯一结论时，应保留候选和可检验差异。例如两种双键候选只在一对重叠信号的NOE上不同，可先改善分辨率或改用选择性一维实验；两种环候选在某个已指认甲次氢的邻位耦合上不同，可选择去耦或拟合以获得该参数。延长混合时间后才出现的远端相关，须检查自旋扩散，不能直接增加为一条构型约束。对于环翻转明显的体系，温度变化可帮助检验优势椅式假设，但具体动力学解释留到6.8节。

报告中应区分已经测得的参数、采用的构象前提和据此支持的构型。例如写明某对氢的J由拟合得到，哪组NOE在短混合时间可重复，叔丁基赤道向是否有独立依据，以及是否仍存在其他允许构象。若CH₂两氢尚未分开指认，只能先把相关定位到该碳的氢集合；具体原子指认将在6.5节继续。保留这些标签和条件，后续实验才能逐项复核现有结论。