4.8 一些特殊的NMR研究新进展
4.8.1 仲氢诱导极化
最早中文把这种Parahydrogen译为仲氢，这里沿用仲氢。但实际上，Para-H2是两个氢原子核自旋反平行的（H↑H↓），以前译为后氢Orthohydrogen，实际上Ortho-H2两个氢原子核自旋是平行的（H↑H↑），所以偶见把Parahydrogen译为对氢，对氢极化，把Orthohydrogen译为邻氢，为邻氢极化，这种译法亦无不妥。
在低温等条件下，溶于氘代溶剂中的氢分子会发生仲氢诱导极化（PHIP，Parahydrogen-Induced Polarization）。该理论认为：任何含磁活性中心的双原子分子，都存在着不同的核自旋的构型。对H2分子来说，存在着两种不同的核自旋构型的异构体。即：（1）仲氢（Parahydrogen）异构体，以反对称的核自旋构型的异构体存在（αβ-βα）；（2）原氢（Orthohydrogen）异构体，以对称的核自旋构型的异构体存在（αα，ββ，αβ+βα）（Hübler P，Giernoth R，Kümmerle G，Bargon J. J.Am.Chem.Soc.1999，121，5311）；仲氢诱导极化提高了NMR信号的吸收和发射，能够让我们获得比经典NMR方法高出很多的灵敏度。据认为：在低温下仲氢的比例要大于原氢，样品被保存在低温下（如液氮中），样品在低温下，会发生由核自旋构型不同的原氢到仲氢的转化，这样仲氢就会被相对富集（Ducktt S B，Sleigh C J. J.Prog.Nucl.Mag.Spectr.1999，34，71）。仲氢诱导极化（PHIP）的寿命比较短，一般为10 min左右，这种由原氢到仲氢的转化就会饱和（R Eisenberg.Acc.Chem.Res.1991，24，110）。以上就是著名的仲氢诱导极化理论。
在核磁谱学上，仲氢诱导极化（PHIP）非常容易给出核磁共振信号。这种新的用核磁来测微量氢气的方法叫作H2 NMR。
图4.39是本书作者利用仲氢诱导极化获得氢气分子在溶剂（CDCl3∶CS2=1∶1）中的1H NMR谱图[Wang，Nai-Xing et al. J.Phys.Chem.A 2006，110（19），6276]：
图4.39 1H NMR谱的H2（H2分解自C60H2）
Vaska在1961年报道了一种化合物，叫作Vaska化合物[L Vaska，J W Diluzio. J.Am.Chem.Soc.1961，83（12）：2784]，分子式为Ir Cl（CO）[P（C6H5）3]2，其结构式为：
Vaska化合物被认为能够催化某一些不够稳定的化合物并放出少量氢气，例如能够催化使得甲酸和C60H2等放出H2。Vaska化合物是一种黄色晶体，溶解在苯、甲苯、氯仿等溶剂中。Vaska化合物能够与H2，O2，MeI，SO2，CO，HCl，CS2以及一些烯烃等形成加化物。
Vaska化合物能够与H2形成的加化物，其分子结构如下：
二氢Vaska化合物的1H NMR谱图如图4.40。
图4.40 二氢Vaska化合物IrH2Cl（CO）（PPh3）2的1H NMR谱
二氢Vaska化合物IrH2Cl（CO）（PPh3）2的谱图归属为：1H NMR（250 MHz，C6D6，TMS），δ-7.4（t，d，J1=16.67 Hz，J2=-5.0 Hz，Ha），-18.2（t，d，J1=16.67 Hz，J2=-5.0 Hz，Hb）。
我们可以看到，实际上谱图中图4.41存在着（t，d）的峰形，即三重峰再每个峰再分裂为双重峰：
图4.41 二氢Vaska化合物IrH2Cl（CO）（PPh3）2的1H NMR拓展谱
应该说明，利用仲氢诱导极化得到的微量氢气分子在溶剂中的1H NMR谱，有的时候会出现倒峰（倒立的信号峰）。
这里有两个问题需要强调：
①二氢Vaska化合物IrH2Cl（CO）（PPh3）2的1H NMR两组信号都出现在非常高的高场，δ—7.4和δ—18.2，这是一般核磁谱学所罕见的现象。
②要想得到清晰的此类1H NMR图，就要在低温液氮浴中保存样品，至少10 min，以便利用仲氢诱导极化效应。
总之，仲氢诱导极化理论关于仲氢（Parahydrogen）和原氢（Orthohydrogen）的概念，仲氢异构体以反对称的（αβ-βα）核自旋构型的异构体存在，原氢以对称的（αα，ββ，αβ+βα）核自旋构型的异构体存在；低温下会发生由核自旋构型不同的原氢到仲氢的富集；仲氢诱导极化（PHIP）的过程仅10 min，但极大地提高了核磁共振的灵敏度。这些学说非常独到和深刻，理论与实际情况完全一致。
最近美国化学会志又发表了有关Parahydrogen（对氢）诱导极化的问题，有兴趣的读者可以参阅这篇文献（Danila A.Barskiy，D.A.et al. J.Am.Chem.Soc.，2016，138，8080）。Parahydrogen（对氢）诱导极化是一个非常有趣和深刻的理论问题，希望有学者能够继续研究这方面的问题。
关于“Parahydrogen”，作者在美国从事研究工作时，是把其作为对氢诱导极化看待的；国内核磁方面有关中文资料，是把Parahydrogen译为仲氢的，而且科学出版社的《英汉化学化工词典（第四版）》和一些电子词典中也是把Parahydrogen译为仲氢的。作者相信：从理论上看，实际上叫作对氢诱导极化也是比较适宜的。同样，也可以把Orthohydrogen诱导极化看作邻氢诱导极化。
4.8.2 旋转异构体的核磁共振研究
在正常情况下，化合物（A）中的甲基（δ 2.92）和醛基（δ 8.17）分别各自只出现一个共振信号
但是，在分析产物的核磁谱图的时候，我们发现了一个奇特的现象，甲基和醛基在这里都分别给出两个重叠的信号。这是氮原子的手性中心引起的吗？我们知道核磁共振不能区分对映体的共振信号，只有非对映异构体，才能够使相应基团的信号分开。但化合物（A）明显不属于非对映异构体。
图4.42是化合物（A）的NMR谱图：
图4.42 化合物（A）的谱图
化合物（A）含有的N-甲基本来应该给出一个单峰；但这里化合物（A）的N-甲基却给出了两个单峰（积分面积比为1∶1或者2∶1），而且这些产物的碳谱也出现了类似的情况。这是什么原因呢？
我们经过深入分析，发表了对这种特殊核磁现象的研究论文（Zhang J X，Wang Y Wang N X*et al.Synlett，2014，11，1621）。我们认为核磁谱图中甲基和醛基信号的增加是由于化合物（A）产生了旋转异构体，并且异构体的比例是1∶1或者2∶1。
首先，酰胺羰基与氮原子上的孤对电子发生p-π共轭，碳氮键呈现类似双键的特点，它的旋转受到一定的阻碍。在旋转的时候，产物会有一些相对稳定的顺反构型。也就是说，产物是含有不同比例的顺反构型的混合物。因此，在核磁氢谱和碳谱中，就出现了与氮原子相连的甲基质子重叠出现的信号（甲基质子出现两组信号）。
在化合物（B）中，氮原子上的甲基和酰胺甲基也分别现了质子信号的重叠，也分别给出了两个单峰，如图4.43。
图4.43 化合物（B）的1H NMR谱图
很明显，这是由于出现了能够相对稳定存在的两种旋转异构体，其过程如下：
以上事实说明，实际上样品中的化合物（A）并不是单一的，而是以化合物（A）和化合物（A'）这两种能够独立存在和相对稳定旋转异构体共同存在的。
核磁共振研究给我们指出了两种旋转异构体的存在。
叔胺构型转化的活化能很低，约21 kJ·mol-1，在室温下每秒钟可以翻转构型2×1011次。如果叔胺氮原子位于环中或桥头上，则可阻止构型翻转，产物的构型会出现均一化的态势。我们得到的产物是多取代的酰胺化合物，其性质与叔胺的性质有明显的差别。
但是，由于环状结构的存在，如化合物（C），碳氮键的旋转在环状酰胺中同样被削弱了。于是，环状酰胺化合物中氮原子上的亚甲基和酰胺甲基在核磁谱图图4.44的相应位置也不再出现信号增加现象。这就说明，化合物（C）实际上不存在旋转异构体了。
图4.44 化合物（C）的1H NMR谱图
根据以上分析，我们可以总结出这样一个规律：
①N，N-二甲基甲酰胺对应的产物中，碳氮键旋转产生的顺反异构体出现了1∶1的比例（当碳氮键旋转受到的阻碍较小），这一数值由图4.42可以看出。
②随着氮原子相连的取代基增大，碳氮键的旋转受到一定的阻碍。N，N-二甲基乙酰胺对应的产物中旋转产生的异构体的比例为2∶1。这一数值由以上核磁谱图4.43可以看出。
③当氮原子位于环状结构中的时候，碳氮键的旋转被限制，产物中很难由于旋转而产生异构体，谱图的重叠情况就不明显了（图4.44）。
4.8.3 应用NMR谱来检测有机反应过程
近年来，应用核磁共振谱来检测有机反应过程已经引起了合成化学家的兴趣。美国Demchenko教授等在Org.Lett.发表了他们对相关反应过程的NMR的检测（Mydock L K，Medha N Kamat M N，Demchenko A V.Org.Lett.2011，13，2928）。反应物1甲基化以后，得到产物2a，起始物1反应后得到的反应混合物经浓缩，再用制备TLC分离（爬大板），展开剂用丙酮和二氯乙烷（acetone/CH2Cl2，3.5/6.5，v/v）。反应物与产物的1H NMR谱清楚地显示了反应成功的结果，对应的1H NMR谱图如图4.45。
图4.45 反应过程检测得到的氢谱图1H NMR（300 MHz，CDCl3）
可以看出，由于2a是一个有机盐，其几组质子的化学位移都程度不同地向低场移动。图4.45还给出了有机盐2a进一步反应得到3a和4a及4b的相应谱图。
这种用1H NMR谱来检测反应过程的方法，对有机合成研究很有意义。通过谱图的叠加对照，使结果一目了然。
本书没有涉及质谱的内容，这里仅说明两点：①切记质谱图表示的不是传统意义的分子量，因为传统意义上的分子量是由平均原子量（该元素的各种同位素质量与丰度乘积的和）加和起来的，而质谱图表示的是该分子中所含各元素的最大丰度的同位素的精确质量之和，是丰度最大同位素的质量和而绝非查找同位素表得出的平均原子量加和的分子量。②质谱中同位素丰度较低的质谱信号太弱，往往埋没在噪声中，丰度略大的同位素质量和会在最大丰度同位素质量和给出的信号旁边另给出一个信号。例如HCl的高分辨质谱中，除了在35.9767处有一个信号强度为100%的峰外，还有一个信号强度为24.6%的峰在37.9737。解谱时，若质谱强度为100%的信号旁边有一个强度不到其1/3的小峰，则该分子中可能含有氯元素。