乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構(gòu)的核磁共振研究
——推薦一個(gè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)

馮柳賓，歐陽(yáng)捷，安冬麗，葉劍良

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

羰基化合物在室溫下易發(fā)生酮式-烯醇式互變異構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)少量的酸、堿(甚至是玻璃容器)[1]、水[2,3]等均可促進(jìn)這一反應(yīng)的發(fā)生。另外，羰基化合物的酮式-烯醇式互變異構(gòu)是有機(jī)生物分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的典型方式，具有重要的生理意義[4,5]。而烯醇類化合物，如烯醇醚、烯醇酯等，也是重要的反應(yīng)中間體，在有機(jī)合成化學(xué)、配位化學(xué)等中都有著重要應(yīng)用[6]。因此，酮式-烯醇式互變異構(gòu)相關(guān)內(nèi)容一直是大學(xué)有機(jī)化學(xué)中醛酮章節(jié)中的重要知識(shí)點(diǎn)[1]，但理解這些抽象概念對(duì)許多學(xué)生一直是個(gè)挑戰(zhàn)。此外，有機(jī)、生物分子的酮式-烯醇式互變異構(gòu)反應(yīng)平衡受溫度和溶劑影響的研究一直也是物理化學(xué)研究的重要內(nèi)容[7-9]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，已有紅外、紫外-可見，氣相色譜和液相色譜等多種技術(shù)手段應(yīng)用于酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡研究，其中核磁共振(NMR)可以說(shuō)是最常用、直觀的譜學(xué)技術(shù)[10]。利用核磁共振氫譜技術(shù)探討β-二羰基化合物的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡是大學(xué)物理化學(xué)中的經(jīng)典基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一[11]。通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，串聯(lián)了物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、儀器分析和量化計(jì)算等多方面知識(shí)，具有很高的教育和科研價(jià)值。盡管在國(guó)內(nèi)核磁共振譜儀已經(jīng)在多個(gè)高等院校普及，并且開設(shè)了多種核磁共振實(shí)驗(yàn)課程，但很少見到開設(shè)酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡相關(guān)實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，國(guó)內(nèi)大學(xué)物理化學(xué)教科書中也未涉及這一方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[12,13]。因此，本文擬介紹這一經(jīng)典的大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)擬通過(guò)配制不同體積占比氘代氯仿和氘代二甲基亞砜的混合溶液來(lái)構(gòu)建具有極性連續(xù)變化的溶液體系[14]。再采用定量核磁共振氫譜技術(shù)觀察、分析不同極性溶液體系中乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡，同時(shí)結(jié)合量化計(jì)算方法來(lái)輔助分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有助于學(xué)生融會(huì)貫通多學(xué)科知識(shí)，深入理解酮式-烯醇式互變異構(gòu)這一重要的有機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)，并培養(yǎng)其綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)-理論手段系統(tǒng)分析問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 學(xué)習(xí)定量核磁共振氫譜的測(cè)試技術(shù)。

(2) 了解不同溶劑極性對(duì)1,3-二羰基化合物酮式和烯醇式互變異構(gòu)體化學(xué)位移的影響規(guī)律；鞏固核磁共振氫譜的指認(rèn)和解析能力。

(3) 掌握核磁共振法確定酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡常數(shù)的方法。

(4) 學(xué)習(xí)利用Gaussian程序計(jì)算不同極性溶液中酮式、烯醇式互變異構(gòu)體的能量和偶極矩。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 1,3-二羰基化合物的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡

酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡在不同羰基化合物結(jié)構(gòu)下呈現(xiàn)明顯差異。通常情況下，酮式占主要成分，而烯醇式占比很小。然而，對(duì)α-位存在硝基、氰基、?；约盎酋；任娮踊鶊F(tuán)的羰基化合物，例如1,3-二羰基化合物，烯醇式的比例則會(huì)明顯增加，甚至成為主要存在形式。乙酰丙酮(2,4-戊二酮)是最簡(jiǎn)單的1,3-二羰基化合物(也稱β-二酮)，其互變異構(gòu)平衡存在兩種化學(xué)平衡(如圖1所示)：酮式和烯醇式之間的平衡(I)和兩種烯醇式的平衡(II)。前者屬于慢交換，在核磁氫譜中可以分別觀察到酮式和烯醇式的信號(hào)峰；而后者屬于快交換，在核磁氫譜中只能夠觀察到一套時(shí)間平均信號(hào)峰。此外，乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構(gòu)化學(xué)平衡中，酮和烯醇的含量會(huì)隨溶劑的極性和溫度不同而變化[11,15]。其中溶劑極性對(duì)平衡的影響遵循Meyer規(guī)則[14,15]，即隨著溶液極性增加，酮式異構(gòu)體比例會(huì)增加。所以一般認(rèn)為酮式異構(gòu)體比烯醇式異構(gòu)體具有更強(qiáng)的極性[11]。兩種異構(gòu)體間極性差異似乎也與其電子結(jié)構(gòu)特征相符：烯醇結(jié)構(gòu)中羥基氧上一對(duì)p電子和碳碳、碳氧雙鍵形成p-π共軛體系，使分子內(nèi)電子分布相對(duì)酮更為平均，所以極性相對(duì)較小(圖1)。但理論計(jì)算結(jié)果卻表明烯醇式異構(gòu)體的極性反而更高[15,16]。

圖1 乙酰丙酮分子酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡

2.2 混合溶劑的極性估算

溶劑極性大小通常由介電常數(shù)表征，極性越大，其介電常數(shù)越大。本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)變化混合溶劑中氘代二甲亞砜(DMSO-d6)和氘代氯仿(CDCl3)的比例來(lái)調(diào)控溶劑極性的大小。而兩種溶劑的混合溶劑的表觀介電常數(shù)可以由經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算[14]：

其中ε為混合物的表觀介電常數(shù)，X為溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)。系數(shù)a、b、c和d通過(guò)所用每種溶劑的介電常數(shù)(D)和體積(V)計(jì)算(公式2)：

2.3 基于核磁共振氫譜(1H NMR)的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡常數(shù)計(jì)算

核磁共振氫譜是一種現(xiàn)代化學(xué)中廣泛應(yīng)用的分析手段，在譜圖中呈現(xiàn)三種基本信息：化學(xué)位移、譜峰積分面積和耦合常數(shù)。其中，譜峰積分面積與所對(duì)應(yīng)氫原子個(gè)數(shù)(摩爾濃度)成正比，這是核磁定量表征的基礎(chǔ)，也是本實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試乙酰丙酮溶液中酮和烯醇式相對(duì)含量的依據(jù)，即通過(guò)乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構(gòu)體相應(yīng)的特征氫原子的譜峰面積比來(lái)確定其相對(duì)含量。所以，平衡常數(shù)Keq可用烯醇式[enol]和酮式[keto]的氫譜譜峰積分面積比值來(lái)表示(公式3)：

然而需要注意的是，同一分子中不同基團(tuán)上氫的縱向弛豫時(shí)間(T1)不同，其恢復(fù)到平衡的所需時(shí)間也不同。當(dāng)核磁氫譜實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的等待時(shí)間不夠長(zhǎng)時(shí)，不同基團(tuán)上氫的譜峰強(qiáng)度所受影響程度也不同，從而影響定量分析的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)使用90°脈沖激發(fā)，要注意設(shè)置氫譜的采樣時(shí)間加上等待時(shí)間大于等于5倍的T1。教學(xué)過(guò)程中學(xué)生可使用短等待時(shí)間、小脈沖激發(fā)角度(比如30°)來(lái)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，還需要設(shè)置足夠的累加次數(shù)，以使譜圖具有足夠的信噪比。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 儀器與試劑

所有核磁實(shí)驗(yàn)都在配備梯度正向?qū)拵筋^的布魯克AVANCE III HD 600MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀(瑞士)上進(jìn)行。

乙酰丙酮(AcAc，純度99.5%，羅恩試劑)，氘代二甲基亞砜(DMSO-d6，純度99.9%，0.03%V/VTMS，劍橋同位素實(shí)驗(yàn)室)，氘代三氯甲烷(CDCl3，純度99.8%，0.03%V/VTMS，青島騰龍科技有限公司)。所有使用的試劑都沒有進(jìn)一步純化。氘代二甲基亞砜易吸水，保存時(shí)注意保持干燥，取用要迅速，以防譜圖中水峰太大影響后續(xù)分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1 配制樣品溶液

在通風(fēng)櫥內(nèi)預(yù)先配制10 mmol·L-1乙酰丙酮的CDCl3/DMSO-d6混合溶液，然后取600 μL轉(zhuǎn)移到5 mm核磁管內(nèi)，其中DMSO-d6的體積占比分別為0、25%、50%、75%、100%。使用公式(2)，代入CDCl3(4.80)和DMSO-d6(46.70)的介電常數(shù)，得到混合溶劑的介電常數(shù)(表1)。

表1 不同混合比例的溶劑的介電常數(shù)

3.2.2 定量核磁氫譜實(shí)驗(yàn)

為避免溫度對(duì)互變異構(gòu)平衡的影響，先將裝有配制好的樣品的核磁管放置在25 °C的恒溫箱內(nèi)至少4 h，然后將其放入已控溫25 °C的磁體，穩(wěn)定5 min后，使用zg脈沖序列(激發(fā)脈沖設(shè)置為90°)采集1H核磁譜圖，譜寬設(shè)為δ24，中心位置為δ8，掃描次數(shù)為8次(為了獲得足夠的信噪比，可根據(jù)儀器靈敏度不同增加掃描次數(shù))，等待時(shí)間為30 s，采樣時(shí)間為2.27 s。單次實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為5 min，數(shù)據(jù)采集和處理軟件為TopSpin 3.2。其中乙酰丙酮在不同混合溶劑下氫原子的縱向弛豫時(shí)間T1預(yù)先通過(guò)反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖實(shí)驗(yàn)得到(詳見表2)，據(jù)此設(shè)置定量核磁氫譜實(shí)驗(yàn)的等待時(shí)間。所有譜圖以四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)(δ0)。

表2 乙酰丙酮在CDCl3/DMSO-d6混合溶劑中的譜峰歸屬、烯醇占比、烯醇互變平衡常數(shù)及烯醇式異構(gòu)體中H3’的縱向弛豫時(shí)間(T1)

3.2.3 量化計(jì)算的方法

量化計(jì)算采用Gaussian 09[17]程序。考慮到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室一般計(jì)算資源有限，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。我們首先使用B3LYP/6-31G*在氣相下對(duì)酮式和烯醇式的目標(biāo)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后使用該優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，在相同的方法和基組上計(jì)算不同混合溶液中的自由能和偶極矩。計(jì)算中采用極化連續(xù)介質(zhì)模型(PCM)，利用表1中的不同混合比例的溶劑介電常數(shù)模擬溶液效應(yīng)。然后根據(jù)玻爾茲曼分布定律計(jì)算乙酰丙酮在不同混合溶劑中烯醇式所占比例，計(jì)算公式為：

其中Penol為烯醇式占比，Eenol和Eketo分別為計(jì)算所得的烯醇式和酮式異構(gòu)體的自由能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

4 結(jié)果與討論

4.1 基于1H NMR的乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡常數(shù)分析

首先對(duì)酮式和烯醇式兩種異構(gòu)體的信號(hào)峰進(jìn)行歸屬。在乙酰丙酮溶于CDCl3的1H核磁譜圖中(圖2a)，δ2.05處峰為烯醇式異構(gòu)體的甲基峰(H-1’/H-5’)；由于酮羰基與甲基之間的超共軛作用比烯鍵更強(qiáng)，導(dǎo)致酮式異構(gòu)體的甲基(H-1/H-5)化學(xué)位移較烯醇式的偏向低場(chǎng)，位于δ2.25。酮式異構(gòu)體的α位亞甲基氫(H-3)的化學(xué)位移出現(xiàn)在δ3.59；烯醇式異構(gòu)體的α位烯基氫(H-3’)由于雙鍵的磁各向異性效應(yīng)，使其化學(xué)位移更偏向低場(chǎng)(δ5.50)。而烯醇式異構(gòu)體中的羥基(—OH)也受到雙鍵的磁各向異性以及氧原子與雙鍵的p-π共軛效應(yīng)和分子內(nèi)氫鍵造成活潑氫的去屏蔽效應(yīng)，最終導(dǎo)致活潑氫的化學(xué)位移出現(xiàn)在極低場(chǎng)δ15.46 (在圖2未標(biāo)出)[18]。乙酰丙酮在不同比例CDCl3/DMSO-d6混合溶劑中的酮式和烯醇式異構(gòu)體譜峰的歸屬見表2。需要注意的是，在譜圖中出現(xiàn)在δ2.50左右的是DMSO-d6殘余氫峰；δ3.00-4.00之間的寬峰為DMSO-d6溶劑中吸附水的信號(hào)峰(圖2b-2e)。從表2的結(jié)果可以看出，DMSO-d6的加入產(chǎn)生明顯的溶劑效應(yīng)，隨著混合溶劑中DMSO-d6所占比例的增加，酮式和烯醇式異構(gòu)體的H-3化學(xué)位移均逐漸向低場(chǎng)移動(dòng)，而甲基峰則逐漸向高場(chǎng)移動(dòng)。

然后，選擇酮式異構(gòu)體亞甲基峰(H-3)和烯醇式異構(gòu)體中次亞甲基峰(H-3’)通過(guò)軟件TopSpin3.2進(jìn)行譜線形狀擬合得出積分面積(由于水峰干擾，這里不能用簡(jiǎn)單區(qū)間積分方法)。把H-3積分面積的一半和H-3’積分面積帶入到公式(3)計(jì)算烯醇含量占比及Keq值，結(jié)果列于表2中。教學(xué)過(guò)程中也可以使用甲基的譜峰面積來(lái)計(jì)算，并比對(duì)使用譜線形狀擬合和簡(jiǎn)單區(qū)間積分所得結(jié)果的差別。結(jié)合表1、表2的結(jié)果可以看出，當(dāng)CDCl3/DMSO-d6混合溶劑中DMSO-d6比例分別為0、25%、50%、75%和100%時(shí)，對(duì)應(yīng)溶液的介電常數(shù)分別為4.80、5.28、8.74、25.04和46.70，極性逐漸增強(qiáng)，而烯醇式異構(gòu)體占比從84.7%逐漸降低至56.6%，酮式異構(gòu)體占比則逐漸增加，這與Meyer規(guī)則相符[14,15]。

4.2 量化計(jì)算

量化計(jì)算結(jié)果表明，在所有溶液中烯醇式異構(gòu)體是更加穩(wěn)定的存在形式(表3)，這可能是因?yàn)橄┐际疆悩?gòu)體中形成了分子內(nèi)氫鍵，從而有效降低了分子體系的能量[16]。相應(yīng)的，通過(guò)玻爾茲曼分布定律計(jì)算的不同混合溶劑中烯醇式異構(gòu)體比例也始終大于酮式。但隨著溶液極性增加，兩者之間的能量差逐漸變小，酮式異構(gòu)體的比例逐漸增加。這與核磁實(shí)驗(yàn)觀察到的烯醇式為主要異構(gòu)體，且隨溶液極性增加烯醇式異構(gòu)體占比逐漸減少的結(jié)果一致。另外，烯醇式異構(gòu)體中羰基與羥基通過(guò)氫鍵形成六元環(huán)平面結(jié)構(gòu)，兩個(gè)氧原子呈順式排布(圖3)；酮式異構(gòu)體的兩個(gè)羰基則由于偶極偶極排斥作用呈反式排布(O—CC—O二面角為138.6°)。兩種異構(gòu)體中作為負(fù)電中心的氧原子的排布方式不同導(dǎo)致烯醇式異構(gòu)體的偶極矩大于酮式異構(gòu)體(表3)。如果將酮式異構(gòu)體的兩個(gè)羰基設(shè)為順式排布(O—CC—O二面角為0°)，然后用相同方法計(jì)算該結(jié)構(gòu)的偶極矩為6.11 D (溶劑為DMSO-d6)，遠(yuǎn)大于相應(yīng)的烯醇式異構(gòu)體的偶極矩(3.76 D)，也很好證實(shí)上述分析。表3結(jié)果也表明隨著溶劑極性的增加，烯醇式和酮式互變異構(gòu)體的偶極矩都會(huì)有所增大，溶劑從弱極性的CDCl3到極性溶劑DMSO-d6，烯醇異構(gòu)體的偶極矩增加了0.23 D，而酮式異構(gòu)體才增加0.14 D。表明兩種異構(gòu)體和溶劑的相互作用都在增強(qiáng)，而烯醇式異構(gòu)體比酮式受到影響更大。在表2中烯醇式H3’隨著溶劑極性增強(qiáng)往低場(chǎng)偏移δ0.19，而酮式H3只偏移δ0.10，也與這一結(jié)論相符。

表3 量化計(jì)算的乙酰丙酮烯醇式和酮式異構(gòu)體的自由能和偶極矩

圖3 在B3LYP/6-31G＊水平上優(yōu)化得到的乙酰丙酮的烯醇式(a)和酮式(b)異構(gòu)體結(jié)構(gòu)

5 實(shí)驗(yàn)安排和教學(xué)組織建議

(1) 乙酰丙酮的酮式和烯醇式異構(gòu)體特征氫原子化學(xué)位移差異明顯，實(shí)驗(yàn)中可以安排討論誘導(dǎo)效應(yīng)和各向異性效應(yīng)對(duì)于化學(xué)位移的影響。這有助于加深學(xué)生對(duì)不同化學(xué)環(huán)境下氫原子的化學(xué)位移范圍分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

(2) 由于氫譜的T1測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，在教學(xué)實(shí)踐中需要提前測(cè)試或可直接引用本文報(bào)道的T1數(shù)據(jù)設(shè)置等待時(shí)間。

(3) 如果教學(xué)時(shí)間充裕時(shí)，可以進(jìn)行等待時(shí)間較短的常規(guī)氫譜實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)比定量氫譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)誤差，加深對(duì)于定量核磁測(cè)試的了解。

(4) 乙酰丙酮的烯醇式異構(gòu)體中烯基氫(H3’)的弛豫時(shí)間最長(zhǎng)，即核磁測(cè)試時(shí)甲基氫更快達(dá)到平衡。因此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生選擇甲基的譜峰積分面積來(lái)計(jì)算平衡常數(shù)，并對(duì)所得兩組平衡常數(shù)進(jìn)行比較。

(5) 理論計(jì)算結(jié)果表明，乙酰丙酮的酮式異構(gòu)體比烯醇式的極性小[2,15,16]。因此，教師可以在課堂上引導(dǎo)學(xué)生探討溶劑極性對(duì)乙酰丙酮的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡的影響原因，并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(6) 實(shí)驗(yàn)以小組形式展開，每組3-5人，要求學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，課下小組討論，熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分4個(gè)階段，每個(gè)階段2學(xué)時(shí)。第一階段為理論課程，介紹酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡、溶液極性、核磁共振氫譜；第二階段為實(shí)驗(yàn)課程，進(jìn)行樣品配制以及核磁實(shí)驗(yàn)操作；第三階段為量化計(jì)算課程；第四階段為數(shù)據(jù)分析課程，進(jìn)行核磁譜圖指認(rèn)、平衡常數(shù)計(jì)算以及量化結(jié)果分析。在實(shí)際教學(xué)中可根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和對(duì)象靈活安排為綜合性實(shí)驗(yàn)一次性完成，也可安排為4 + 4的兩次實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)定量核磁共振氫譜技術(shù)，觀察不同極性溶液體系下乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡變化，并計(jì)算平衡常數(shù)；再結(jié)合量化計(jì)算結(jié)果探索溶劑極性影響平衡的機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，跳出單純依靠更換溶劑改變?nèi)芤簶O性的常規(guī)模式，通過(guò)改變混合溶劑比例來(lái)構(gòu)造極性連續(xù)變化的溶液模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同極性溶劑中乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互變異構(gòu)平衡移動(dòng)明顯，易于觀察。利用量化計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)手段的有機(jī)結(jié)合。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的開展，學(xué)生可以對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)有直觀的感性認(rèn)識(shí)，易于激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究熱情和興趣，培養(yǎng)化學(xué)研究思維，提升綜合運(yùn)用多種方法分析解決問(wèn)題的能力。此外，本實(shí)驗(yàn)也有助于學(xué)生進(jìn)一步了解核磁共振技術(shù)這一重要的研究手段，適用于化學(xué)及相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可以作為儀器分析實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)。