一文详解核磁（NMR）中的活泼氢

核磁谱图
活泼氢
重水交换
核磁共振氢谱

摩熵化学 08/22

在核磁共振氢谱（¹H NMR）中，活泼氢指的是分子中与电负性较大的原子直接相连的氢原子。这类氢原子的电子云密度因原子的强吸电子作用而显著降低，导致其容易从母体分子中解离，质子化能力弱，易失去质子，且能与其他含活泼氢的分子，如 H₂O、D₂O或溶剂分子发生快速的质子交换反应即氢核交换。

常见的活泼氢包括羟基（-OH，如醇、酚、羧酸中的 - OH）、氨基（-NH₂、-NH-，如胺、酰胺、氨基酸中的 - NH-）、巯基（-SH，如硫醇、硫酚中的 - SH）等。与 O、S、N 等杂原子相连的氢是活泼氢。

活泼氢在不同条件下化学位移值很不固定，并在一个较大的范围变动，而峰形也有可能像其他的氢一样比较尖锐，甚至有裂分但是某些情况又比较钝，甚至不出峰。因此，活泼氢的核磁共振氢谱解析对化合物结构推导有重要意义。

01、O-H,N-H和S-H键活泼氢化学位移

氢原子在有机化合物分子中以单键形式与其他原子相连接，氢原子的化学位移、峰形会受到相连原子成键影响，最常见的活泼氢是与O、N和S元素相连的，其元素电负性、键长及所在化合物类型和相关活泼氢化学位移见表1。

O-H、N-H、S-H的化学位移基本覆盖了氢谱的全部范围。不同结构的化合物里，其化学位移在一定范围内变化。氢与不同的杂原子相连，造成共价键的偶极矩和键长的不同，随着元素电负性的减小，共价键偶极矩减小，同时键长增大。活泼氢的化学位移呈现出宽范围的变化，除受成键电子云分布以及化学键各向异性等因素影响外，还与测定时选定的溶剂、样品浓度、温度、样品中的水分等因素有关^[1]。

02、影响活泼氢化学位移因素

影响活泼氢的因素有很多，例如：

(1)从结构来看，活泼氢的化学位移与相连杂原子的电负性有关;

(2)当与活泼氢相连的杂原子直接与双键或苯环相连接时，由于受到苯环或者双键所在平面的各向异性去屏蔽作用以及杂原子与芳环或双键的p-π共轭效应造成的活泼氢周围电子云密度减小，屏蔽效应也就随之减弱，质子的化学位移将向低场移动，活泼氢化学位移增大，酚的活泼氢化学位移比相应脂肪醇化学位移大，芳香胺比脂肪胺大；N-芳基取代的酰胺活泼氢化学位移比饱和烷基取代的大等等[1]。

(3)氢键的形成与溶液浓度、pH、温度、溶剂等都很有关系，不同的测试环境将造成氢键的缔合和解离情况不同，使其化学位移在较大的范围内变化。

选择溶剂时，需要考虑溶剂本身是否含有活泼氢，另外溶剂与样品的活泼氢会不会形成分子间氢键。

以乙醇为例(图1)，当选择氘代甲醇CD3OD为溶剂时，乙醇的活泼氢会与氘代甲醇残存质子信号重合，在δ4.81处产生吸收；当使用氘代二甲基亚砜DMSO-d6为溶剂时，由于溶剂很难避免会含有少量的水，在δ3.3左右出峰，本图移除了残余水峰，活泼氢在δ4.33处；而以CDCl3为溶剂进行测定时，羟基信号在δ2.61处；同样在CD3CN中测定时，羟基信号在δ2.60处。

03、活泼氢的峰形

在核磁共振氢谱中，多数情况下活泼氢吸收峰的峰形表现得与碳上的质子信号相同，峰形尖锐，积分面积与质子数成比例；但有时活泼氢的峰会拉宽，甚至延展得几乎与谱图基线一致，如图2中N-甲基乙酰胺的活泼氢在δ6.4处的吸收峰型很平缓。

活泼氢的谱峰积分面积也有可能不足，低于相应的活泼氢的个数。活泼氢的一般交换速度为OH>NH>SH，羟基交换速度最快，峰形一般较尖锐；氮上的氢交换速度中等，峰形有尖有钝，或难以看到明显的峰形；巯基活泼氢交换速度最慢，一般峰形会较宽或产生裂分。

其次，活泼氢的峰形还与O、N 和S元素本身性质有关。从表2可以看出。

同时，化合物结构因素对活泼氢峰形也有深远影响，如羧基的活泼氢、螯合的羟基、烯醇的羟基一般都会表现为宽单峰。与氧原子和硫原子上的活泼氢比较，氧原子和硫原子只能与一个质子相连，而氮上质子有伯和仲之分，另外其氢键程度的不同也会使活泼氢存在一定的差异，对活泼氢的核磁共振信号也会产生影响。

伯酰胺RCONH2分子中N上孤对电子与羰基p-π共轭使得C-N键具有部分双键的性质，C-N键不能自由旋转，旋转受限使NH2的两个质子化学不等价，因此两个氢虽然连接在同一个原子上，谱峰化学位移并不相同，表现为两个吸收峰，如图3所示氯乙酰胺的NH2在δ7.5附近的两个峰；有时甚至合并为一个较平坦的宽峰。仲酰胺RCONHR’以及吡咯环中的氮上氢往往也不能给出一个尖锐的峰。

04、活泼氢的耦合裂分

分子中活泼氢是容易发生交换的氢，并不固定与某个原子相连接，存在着快速交换机制。如果这个交换相对于NMR时间标度是快的，活泼氢就只能感受到邻近质子的平均结果，则分子中本来不是等价的核将表现为等价，从而使裂分不能发生；如果这个过程是慢的，则不等价性就会表现出来，相互之间的耦合裂分就会出现。活泼氢的交换速度与分子的结构和测试条件如温度、浓度、溶剂等有关。

常温下，OH、NH和SH相较，OH交换速度最快，一般无裂分，表现为尖锐的单峰；氨基交换速度中等，有时会产生耦合裂分，但有时又与羟基一样为尖锐的单峰。巯基SH质子交换速度最慢，和碳上质子一样，会与邻近质子有耦合作用。如苄基硫醇在CDCl3中测定(图4)，亚甲基与巯基之间产生耦合裂分，耦合常数J为7.6Hz。

从测试条件来看，通常常温下看不到活泼氢与邻近氢的耦合，但随着温度的降低，交换变慢，就可以观察到活泼氢与邻近氢的耦合裂分。如甲醇在−54 °C测定，甲基受到羟基的作用，裂分为二重峰，同时羟基在甲基作用下裂分为四重峰。

活泼氢在样品之间或与溶剂之间如果形成氢键将会限制其交换，此时就会产生耦合裂分，如高浓度、酸性杂质或者氘代二甲基亚砜DMSO-d6做溶剂等。

05、活泼氢的识别

想观察活泼氢信号时不能选择 D₂O 和 CD₃OD 作溶剂，可选择 CDCl₃或 DMSO-d₆等作溶剂。

当活泼氢与其它峰重叠时，可以利用重水交换方法确定是否是活泼氢。即在核磁管里加入1 - 2 滴重水，摇匀，再做谱图会发现活泼氢消失。但谱图会发现水峰信号增强，在CDCl3中此时HDO峰会在4.8 ppm 的位置。活泼氢因与相连原子的键能较弱，且氢核易解离，因为具有一定酸性或碱性。在溶液中可发生质子转移反应。