一文詳解核磁（NMR）中的活潑氫

核磁譜圖
活潑氫
重水交換
核磁共振氫譜

摩熵化學 2025/08/22

在核磁共振氫譜（1H NMR）中，活潑氫指的是分子中與電負性較大的原子直接相連的氫原子。這類氫原子的電子云密度因原子的強吸電子作用而顯著降低，導致其容易從母體分子中解離，質子化能力弱，易失去質子，且能與其他含活潑氫的分子，如 H?O、D?O或溶劑分子發生快速的質子交換反應即氫核交換。

常見的活潑氫包括羥基（-OH，如醇、酚、羧酸中的 - OH）、氨基（-NH?、-NH-，如胺、酰胺、氨基酸中的 - NH-）、巰基（-SH，如硫醇、硫酚中的 - SH）等。與 O、S、N 等雜原子相連的氫是活潑氫。

活潑氫在不同條件下化學位移值很不固定，并在一個較大的范圍變動，而峰形也有可能像其他的氫一樣比較尖銳，甚至有裂分但是某些情況又比較鈍，甚至不出峰。因此，活潑氫的核磁共振氫譜解析對化合物結構推導有重要意義。

01、O-H,N-H和S-H鍵活潑氫化學位移

氫原子在有機化合物分子中以單鍵形式與其他原子相連接，氫原子的化學位移、峰形會受到相連原子成鍵影響，最常見的活潑氫是與O、N和S元素相連的，其元素電負性、鍵長及所在化合物類型和相關活潑氫化學位移見表1。

O-H、N-H、S-H的化學位移基本覆蓋了氫譜的全部范圍。不同結構的化合物里，其化學位移在一定范圍內變化。氫與不同的雜原子相連，造成共價鍵的偶極矩和鍵長的不同，隨著元素電負性的減小，共價鍵偶極矩減小，同時鍵長增大。活潑氫的化學位移呈現出寬范圍的變化，除受成鍵電子云分布以及化學鍵各向異性等因素影響外，還與測定時選定的溶劑、樣品濃度、溫度、樣品中的水分等因素有關^[1]。

02、影響活潑氫化學位移因素

影響活潑氫的因素有很多，例如：

(1)從結構來看，活潑氫的化學位移與相連雜原子的電負性有關;

(2)當與活潑氫相連的雜原子直接與雙鍵或苯環相連接時，由于受到苯環或者雙鍵所在平面的各向異性去屏蔽作用以及雜原子與芳環或雙鍵的p-π共軛效應造成的活潑氫周圍電子云密度減小，屏蔽效應也就隨之減弱，質子的化學位移將向低場移動，活潑氫化學位移增大，酚的活潑氫化學位移比相應脂肪醇化學位移大，芳香胺比脂肪胺大；N-芳基取代的酰胺活潑氫化學位移比飽和烷基取代的大等等[1]。

(3)氫鍵的形成與溶液濃度、pH、溫度、溶劑等都很有關系，不同的測試環境將造成氫鍵的締合和解離情況不同，使其化學位移在較大的范圍內變化。

選擇溶劑時，需要考慮溶劑本身是否含有活潑氫，另外溶劑與樣品的活潑氫會不會形成分子間氫鍵。

以乙醇為例(圖1)，當選擇氘代甲醇CD3OD為溶劑時，乙醇的活潑氫會與氘代甲醇殘存質子信號重合，在δ4.81處產生吸收；當使用氘代二甲基亞砜DMSO-d6為溶劑時，由于溶劑很難避免會含有少量的水，在δ3.3左右出峰，本圖移除了殘余水峰，活潑氫在δ4.33處；而以CDCl3為溶劑進行測定時，羥基信號在δ2.61處；同樣在CD3CN中測定時，羥基信號在δ2.60處。

03、活潑氫的峰形

在核磁共振氫譜中，多數情況下活潑氫吸收峰的峰形表現得與碳上的質子信號相同，峰形尖銳，積分面積與質子數成比例；但有時活潑氫的峰會拉寬，甚至延展得幾乎與譜圖基線一致，如圖2中N-甲基乙酰胺的活潑氫在δ6.4處的吸收峰型很平緩。

活潑氫的譜峰積分面積也有可能不足，低于相應的活潑氫的個數。活潑氫的一般交換速度為OH>NH>SH，羥基交換速度最快，峰形一般較尖銳；氮上的氫交換速度中等，峰形有尖有鈍，或難以看到明顯的峰形；巰基活潑氫交換速度最慢，一般峰形會較寬或產生裂分。

其次，活潑氫的峰形還與O、N 和S元素本身性質有關。從表2可以看出。

同時，化合物結構因素對活潑氫峰形也有深遠影響，如羧基的活潑氫、螯合的羥基、烯醇的羥基一般都會表現為寬單峰。與氧原子和硫原子上的活潑氫比較，氧原子和硫原子只能與一個質子相連，而氮上質子有伯和仲之分，另外其氫鍵程度的不同也會使活潑氫存在一定的差異，對活潑氫的核磁共振信號也會產生影響。

伯酰胺RCONH2分子中N上孤對電子與羰基p-π共軛使得C-N鍵具有部分雙鍵的性質，C-N鍵不能自由旋轉，旋轉受限使NH2的兩個質子化學不等價，因此兩個氫雖然連接在同一個原子上，譜峰化學位移并不相同，表現為兩個吸收峰，如圖3所示氯乙酰胺的NH2在δ7.5附近的兩個峰；有時甚至合并為一個較平坦的寬峰。仲酰胺RCONHR’以及吡咯環中的氮上氫往往也不能給出一個尖銳的峰。

04、活潑氫的耦合裂分

分子中活潑氫是容易發生交換的氫，并不固定與某個原子相連接，存在著快速交換機制。如果這個交換相對于NMR時間標度是快的，活潑氫就只能感受到鄰近質子的平均結果，則分子中本來不是等價的核將表現為等價，從而使裂分不能發生；如果這個過程是慢的，則不等價性就會表現出來，相互之間的耦合裂分就會出現。活潑氫的交換速度與分子的結構和測試條件如溫度、濃度、溶劑等有關。

常溫下，OH、NH和SH相較，OH交換速度最快，一般無裂分，表現為尖銳的單峰；氨基交換速度中等，有時會產生耦合裂分，但有時又與羥基一樣為尖銳的單峰。巰基SH質子交換速度最慢，和碳上質子一樣，會與鄰近質子有耦合作用。如芐基硫醇在CDCl3中測定(圖4)，亞甲基與巰基之間產生耦合裂分，耦合常數J為7.6Hz。

從測試條件來看，通常常溫下看不到活潑氫與鄰近氫的耦合，但隨著溫度的降低，交換變慢，就可以觀察到活潑氫與鄰近氫的耦合裂分。如甲醇在?54 °C測定，甲基受到羥基的作用，裂分為二重峰，同時羥基在甲基作用下裂分為四重峰。

活潑氫在樣品之間或與溶劑之間如果形成氫鍵將會限制其交換，此時就會產生耦合裂分，如高濃度、酸性雜質或者氘代二甲基亞砜DMSO-d6做溶劑等。

05、活潑氫的識別

想觀察活潑氫信號時不能選擇 D?O 和 CD?OD 作溶劑，可選擇 CDCl?或 DMSO-d?等作溶劑。

當活潑氫與其它峰重疊時，可以利用重水交換方法確定是否是活潑氫。即在核磁管里加入1 - 2 滴重水，搖勻，再做譜圖會發現活潑氫消失。但譜圖會發現水峰信號增強，在CDCl3中此時HDO峰會在4.8 ppm 的位置。活潑氫因與相連原子的鍵能較弱，且氫核易解離，因為具有一定酸性或堿性。在溶液中可發生質子轉移反應。