6.5 非对映异位氢的具体指认

取代检验(replacement test)是在同一结构中分别把待比较的两个氢替换成同一种标记，再比较两种产物。检验时保留其他原子的连接与构型，不能在第二次取代后随意反转已有手性中心。两种产物若是同一分子，两氢为同位；若互为对映体，则为对映异位；若是非对映异构体，则为非对映异位氢(diastereotopic protons)。这是关于结构位置的判断，观察到两个峰并不是这一定义的组成部分（Moss, 1996）。

以单一构型的 (2R)-2-丁醇为例，碳链固定编号为 C1—C2—C3—C4，羟基连于 C2，C3 是亚甲基。分别将 C3 的两氢之一换成氘，C3 就有 C2、C4、D、H 四个不同配体。两种产物的 C2 都保留 R 构型，新增 C3 中心分别为 R 或 S，故得到 (2R,3R) 与 (2R,3S) 两个非对映异构体。C3 的原来两氢因此是非对映异位氢。氘在这里首先是纸面检验的标记，不要求读者实际合成两种产物。

乙醇提供了另一种结果。将其亚甲基的任一氢换成氘，会得到互为对映体的产物；在普通非手性介质中，这两个位置具有相同的平均化学环境。把乙醇的结论移到 (2R)-2-丁醇，会忽略原有 C2 中心。反过来，也不能用“分子里有手性中心”替代逐位置检验：应当检查所讨论的原子、分子对称性和保持不变的构型。

单键转动能够改变一个氢朝向附近官能团的瞬时角度，却不能仅靠这种转动把两个非对映异位位置交换成同一位置。位移和耦合可以随构象平均而接近，位置身份仍须保留。如果确有化学过程置换两氢，应另行检查该过程的速率和谱图表现；有关交换的处理见 6.7 节。

对带两个相同氢配体的中心，暂将其中一个氢的 CIP 次序提高到另一个氢之上，同时保持它们与其他配体的次序关系。若这样生成的中心被指定为 R，该氢称为 pro-R 氢(pro-R hydrogen)；另一氢称为 pro-S 氢(pro-S hydrogen)。用 D 替换 H 是本例实现这个比较的方便方式。原亚甲基中心本身没有 R/S 构型，pro-R/pro-S 指明的是两个位置经假想区分后产生的结果（IUPAC, 2025）。

现在只展开 2-丁醇 C3 的四面体，把 C2 的既定 R 构型写在配体标签中。图 6.5-2 的结构标签 H_α、H_β用于追踪画出的两根 C—H 键。C3 所连的 C2 与 C4 首层都是碳；下一层中，C2 的比较序列是 O、C、H，C4 是 H、H、H。前者在首个比较项胜出，故氘取代后的次序是 C2、C4、D、H。这一步依据连接图，和哪个氢更下场没有关系。

在中间面板，最低次序 H 朝后，沿 1→2→3 观察为顺时针，故新增 C3 为 R，H_α 是 pro-R。在右面板，1→2→3 的图面次序仍为顺时针，但最低次序 H 朝前，必须反转判读，C3 为 S，H_β 是 pro-S。旋转整幅四面体不改变结果；镜像或交换任意两个配体则会改变结果。换一种画法时，应重新核对最低次序配体，而不把“右下角的氢”当作永久的 pro-R 位置。

HSQC 若将 H_a、H_b都接到 C3，结合碳的类型和氢数，可以确认这两组共振属于同一亚甲基。COSY 以及拟合所得的偕耦合可以进一步检查两者属于同一自旋网络。即使这些连接证据都成立，交换 H_a与 H_b的空间位置，仍不改变“它们都连于 C3”的结论。给出立体专属指认(stereospecific assignment)需要再排除这个交换方案（Claridge, 2016）。

作一个教学设定：同一非手性溶剂、固定温度下，(2R)-2-丁醇的 C3 两组位移为 1.58 ppm 与 1.43 ppm，完整自旋系统拟合给出偕耦合的绝对值 14.0 Hz。标称 500 MHz 仪器上的频率差可按式 6.5-1 估计。此处化学位移 \(\delta\) 是无量纲比值，分别为 \(1.58\times10^{-6}\) 与 \(1.43\times10^{-6}\)；\(\nu_0\)采用标称质子频率，所得频差单位为 Hz。

频差与偕耦合绝对值之比约为 5.4，提示分析时要留意二阶效应，不能把多重峰中任意相邻谱线的间距都叫作耦合常数。这里列出的是设定的自旋参数，没有据此声称得到某种实测裂分。H_a与 H_b的积分各对应一个氢；每组多重峰包含几条谱线，是另一个计数问题。拟合还应包含两端甲基和 C2 氢等相关自旋，而不把真实分子简化为完全孤立的三自旋系统。

改溶剂或温度后，两位置的位移顺序可能改变。如果继续每次按下场重新命名 H_a，同一个符号就可能改指另一个原子。更可靠的记录是保留初始样品条件下的标签，另列各条件的位移与对应关系；完成立体指认后，再统一使用 H3(pro-R) 与 H3(pro-S)。比较文献结构或数据库条目时，也要先核对作者的编号和标签规则（Reich, 无署年）。

先在未标记样品中，用 HSQC 找到 C3 两组氢相关，再用 COSY 和自旋系统拟合取得与 C2 氢 H2 的耦合。表 6.5-1 给出全部用于本例的设定结果。标记样品中只有一个 C3 质子；综合相同碳位点、保留的连接网络和耦合，确认它由原 H_b追踪而来。轻微位移变化属于本题的已知观测，匹配时不能要求两个样品的数字逐字相等。

推理顺序是：独立确证的 C3(R) 标记先指定被氘占据的位置为 pro-R；对照谱再确定原 H_a所在的位置被替换，H_b保留；于是得到 H_a=H3(pro-R)，H_b=H3(pro-S)。7.8 Hz 大于 4.2 Hz 并不承担命名任务，它只帮助追踪两样品间的信号。若独立确证的标记实际为 C3(S)，同样的消失与保留模式会导出相反指认。

实际比较氘代样品时，还要考虑同位素导致的位移变化、原质子耦合的改变及可能残留的氢—氘耦合。原 H_a多重峰不再出现，不等于那个区域每条谱线都应消失；剩余质子的裂分也不会简单保留原样。位移近似、积分变化和 HSQC 都应结合使用。若两个位置都部分氘代，必须检查标记比例，不能用一个不完整的差谱宣称某个位置被完全替换。

Karplus 关系将三键耦合与二面角联系起来，不把 pro-R/pro-S 作为输入（Karplus, 1963）。同一个 pro-R 氢在不同构象中可与邻氢呈反式、旁式等关系；柔性分子的观测耦合还包含构象平均。因此较大耦合支持某些角度分布，只有在已知构型和可检验构象的前提下才能继续映射到具体位置。对本节的 2-丁醇，仅用 7.8 Hz 这个数指定 pro-R，会遗漏 C2—C3 的转动自由度。

NOE 的使用还应保留本章已讨论的实验条件。用一个 NOE 把某氢置于参考氢附近后，至少应寻找能检验另一位置或另一候选的相关；短混合时间、多组参考氢和选择性照射检查可减少歧义。缺峰也可能来自灵敏度或弛豫条件，并不自动表示距离很远。对柔性体系，一个低占比近距离构象可能对 NOE 有较大贡献，不能直接把相关强度当成唯一静态构象的距离（Claridge, 2016）。

最后把指认置信度(assignment confidence)落实到每个标签。已经确认所属碳、尚未分清两氢时，保留 H3a/H3b，并注明 pro-R/pro-S 未定；只确定某氢与参考中心的相对空间关系时，写出该关系及采用的构象；获得绝对构型锚点并排除交换方案后，再写立体专属指认。如果整体结构只有相对构型，两幅互为镜像的结构仍可能给出同样的普通非手性溶液谱，而 pro-R/pro-S 随镜像互换。这一限制在 6.6 节继续讨论。

可交付的指认表应附带编号结构图、溶剂和温度、各组位移、提取耦合的方法、支持相关和仍未排除的候选。报告本例时应写明“基于独立确证的 C3(R) 单氘对照，H_a指认为 H3(pro-R)”，并保存对照的身份依据。如果那个依据后来改变，就沿表中对应关系重做指认，不用移动结构图中的楔线来保留原结论。