乙酰丙酮的酮式-烯醇式互变异构的核磁共振研究——推荐一个物理化学实验

冯柳宾，欧阳捷，安冬丽，叶剑良

厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005

羰基化合物在室温下易发生酮式-烯醇式互变异构，研究发现少量的酸、碱(甚至是玻璃容器)[1]、水[2,3]等均可促进这一反应的发生。另外，羰基化合物的酮式-烯醇式互变异构是有机生物分子内质子转移的典型方式，具有重要的生理意义[4,5]。而烯醇类化合物，如烯醇醚、烯醇酯等，也是重要的反应中间体，在有机合成化学、配位化学等中都有着重要应用[6]。因此，酮式-烯醇式互变异构相关内容一直是大学有机化学中醛酮章节中的重要知识点[1]，但理解这些抽象概念对许多学生一直是个挑战。此外，有机、生物分子的酮式-烯醇式互变异构反应平衡受温度和溶剂影响的研究一直也是物理化学研究的重要内容[7-9]。经过几十年的研究，已有红外、紫外-可见，气相色谱和液相色谱等多种技术手段应用于酮式-烯醇式互变异构平衡研究，其中核磁共振(NMR)可以说是最常用、直观的谱学技术[10]。利用核磁共振氢谱技术探讨β-二羰基化合物的酮式-烯醇式互变异构平衡是大学物理化学中的经典基础实验之一[11]。通过不同的实验设计，串联了物理化学、有机化学、仪器分析和量化计算等多方面知识，具有很高的教育和科研价值。尽管在国内核磁共振谱仪已经在多个高等院校普及，并且开设了多种核磁共振实验课程，但很少见到开设酮式-烯醇式互变异构平衡相关实验的报道，国内大学物理化学教科书中也未涉及这一方面的实验内容[12,13]。因此，本文拟介绍这一经典的大学物理化学实验。

本实验拟通过配制不同体积占比氘代氯仿和氘代二甲基亚砜的混合溶液来构建具有极性连续变化的溶液体系[14]。再采用定量核磁共振氢谱技术观察、分析不同极性溶液体系中乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互变异构平衡，同时结合量化计算方法来辅助分析实验结果。这样的实验设计有助于学生融会贯通多学科知识，深入理解酮式-烯醇式互变异构这一重要的有机化学知识点，并培养其综合运用实验-理论手段系统分析问题的能力。

1 实验目的

(1) 学习定量核磁共振氢谱的测试技术。

(2) 了解不同溶剂极性对1,3-二羰基化合物酮式和烯醇式互变异构体化学位移的影响规律；巩固核磁共振氢谱的指认和解析能力。

(3) 掌握核磁共振法确定酮式-烯醇式互变异构平衡常数的方法。

(4) 学习利用Gaussian程序计算不同极性溶液中酮式、烯醇式互变异构体的能量和偶极矩。

2 实验原理

2.1 1,3-二羰基化合物的酮式-烯醇式互变异构平衡

酮式-烯醇式互变异构平衡在不同羰基化合物结构下呈现明显差异。通常情况下，酮式占主要成分，而烯醇式占比很小。然而，对α-位存在硝基、氰基、酰基以及磺酰基等吸电子基团的羰基化合物，例如1,3-二羰基化合物，烯醇式的比例则会明显增加，甚至成为主要存在形式。乙酰丙酮(2,4-戊二酮)是最简单的1,3-二羰基化合物(也称β-二酮)，其互变异构平衡存在两种化学平衡(如图1所示)：酮式和烯醇式之间的平衡(I)和两种烯醇式的平衡(II)。前者属于慢交换，在核磁氢谱中可以分别观察到酮式和烯醇式的信号峰；而后者属于快交换，在核磁氢谱中只能够观察到一套时间平均信号峰。此外，乙酰丙酮的酮式-烯醇式互变异构化学平衡中，酮和烯醇的含量会随溶剂的极性和温度不同而变化[11,15]。其中溶剂极性对平衡的影响遵循Meyer规则[14,15]，即随着溶液极性增加，酮式异构体比例会增加。所以一般认为酮式异构体比烯醇式异构体具有更强的极性[11]。两种异构体间极性差异似乎也与其电子结构特征相符：烯醇结构中羟基氧上一对p电子和碳碳、碳氧双键形成p-π共轭体系，使分子内电子分布相对酮更为平均，所以极性相对较小(图1)。但理论计算结果却表明烯醇式异构体的极性反而更高[15,16]。

图1 乙酰丙酮分子酮式-烯醇式互变异构平衡

2.2 混合溶剂的极性估算

溶剂极性大小通常由介电常数表征，极性越大，其介电常数越大。本实验中，通过变化混合溶剂中氘代二甲亚砜(DMSO-d6)和氘代氯仿(CDCl3)的比例来调控溶剂极性的大小。而两种溶剂的混合溶剂的表观介电常数可以由经验公式(1)计算[14]：

其中ε为混合物的表观介电常数，X为溶剂的摩尔分数。系数a、b、c和d通过所用每种溶剂的介电常数(D)和体积(V)计算(公式2)：

2.3 基于核磁共振氢谱(1H NMR)的酮式-烯醇式互变异构平衡常数计算

核磁共振氢谱是一种现代化学中广泛应用的分析手段，在谱图中呈现三种基本信息：化学位移、谱峰积分面积和耦合常数。其中，谱峰积分面积与所对应氢原子个数(摩尔浓度)成正比，这是核磁定量表征的基础，也是本实验用来测试乙酰丙酮溶液中酮和烯醇式相对含量的依据，即通过乙酰丙酮的酮式-烯醇式互变异构体相应的特征氢原子的谱峰面积比来确定其相对含量。所以，平衡常数Keq可用烯醇式[enol]和酮式[keto]的氢谱谱峰积分面积比值来表示(公式3)：

然而需要注意的是，同一分子中不同基团上氢的纵向弛豫时间(T1)不同，其恢复到平衡的所需时间也不同。当核磁氢谱实验中所设置的等待时间不够长时，不同基团上氢的谱峰强度所受影响程度也不同，从而影响定量分析的准确性。实验使用90°脉冲激发，要注意设置氢谱的采样时间加上等待时间大于等于5倍的T1。教学过程中学生可使用短等待时间、小脉冲激发角度(比如30°)来对比实验结果。另外，还需要设置足够的累加次数，以使谱图具有足够的信噪比。

3 实验方法

3.1 仪器与试剂

所有核磁实验都在配备梯度正向宽带探头的布鲁克AVANCE III HD 600MHz超导核磁共振波谱仪(瑞士)上进行。

乙酰丙酮(AcAc，纯度99.5%，罗恩试剂)，氘代二甲基亚砜(DMSO-d6，纯度99.9%，0.03%V/VTMS，剑桥同位素实验室)，氘代三氯甲烷(CDCl3，纯度99.8%，0.03%V/VTMS，青岛腾龙科技有限公司)。所有使用的试剂都没有进一步纯化。氘代二甲基亚砜易吸水，保存时注意保持干燥，取用要迅速，以防谱图中水峰太大影响后续分析。

3.2 实验步骤

3.2.1 配制样品溶液

在通风橱内预先配制10 mmol·L-1乙酰丙酮的CDCl3/DMSO-d6混合溶液，然后取600 μL转移到5 mm核磁管内，其中DMSO-d6的体积占比分别为0、25%、50%、75%、100%。使用公式(2)，代入CDCl3(4.80)和DMSO-d6(46.70)的介电常数，得到混合溶剂的介电常数(表1)。

表1 不同混合比例的溶剂的介电常数

3.2.2 定量核磁氢谱实验

为避免温度对互变异构平衡的影响，先将装有配制好的样品的核磁管放置在25 °C的恒温箱内至少4 h，然后将其放入已控温25 °C的磁体，稳定5 min后，使用zg脉冲序列(激发脉冲设置为90°)采集1H核磁谱图，谱宽设为δ24，中心位置为δ8，扫描次数为8次(为了获得足够的信噪比，可根据仪器灵敏度不同增加扫描次数)，等待时间为30 s，采样时间为2.27 s。单次实验时间约为5 min，数据采集和处理软件为TopSpin 3.2。其中乙酰丙酮在不同混合溶剂下氢原子的纵向弛豫时间T1预先通过反转恢复脉冲实验得到(详见表2)，据此设置定量核磁氢谱实验的等待时间。所有谱图以四甲基硅烷(TMS)为内标(δ0)。

表2 乙酰丙酮在CDCl3/DMSO-d6混合溶剂中的谱峰归属、烯醇占比、烯醇互变平衡常数及烯醇式异构体中H3’的纵向弛豫时间(T1)

3.2.3 量化计算的方法

量化计算采用Gaussian 09[17]程序。考虑到基础实验室一般计算资源有限，为节省计算时间，同时得到较为准确的数据。我们首先使用B3LYP/6-31G*在气相下对酮式和烯醇式的目标分子进行结构优化，然后使用该优化后的结构，在相同的方法和基组上计算不同混合溶液中的自由能和偶极矩。计算中采用极化连续介质模型(PCM)，利用表1中的不同混合比例的溶剂介电常数模拟溶液效应。然后根据玻尔兹曼分布定律计算乙酰丙酮在不同混合溶剂中烯醇式所占比例，计算公式为：

其中Penol为烯醇式占比，Eenol和Eketo分别为计算所得的烯醇式和酮式异构体的自由能，R为气体常数，T为绝对温度。

4 结果与讨论

4.1 基于1H NMR的乙酰丙酮的酮式-烯醇式互变异构平衡常数分析

首先对酮式和烯醇式两种异构体的信号峰进行归属。在乙酰丙酮溶于CDCl3的1H核磁谱图中(图2a)，δ2.05处峰为烯醇式异构体的甲基峰(H-1’/H-5’)；由于酮羰基与甲基之间的超共轭作用比烯键更强，导致酮式异构体的甲基(H-1/H-5)化学位移较烯醇式的偏向低场，位于δ2.25。酮式异构体的α位亚甲基氢(H-3)的化学位移出现在δ3.59；烯醇式异构体的α位烯基氢(H-3’)由于双键的磁各向异性效应，使其化学位移更偏向低场(δ5.50)。而烯醇式异构体中的羟基(—OH)也受到双键的磁各向异性以及氧原子与双键的p-π共轭效应和分子内氢键造成活泼氢的去屏蔽效应，最终导致活泼氢的化学位移出现在极低场δ15.46 (在图2未标出)[18]。乙酰丙酮在不同比例CDCl3/DMSO-d6混合溶剂中的酮式和烯醇式异构体谱峰的归属见表2。需要注意的是，在谱图中出现在δ2.50左右的是DMSO-d6残余氢峰；δ3.00-4.00之间的宽峰为DMSO-d6溶剂中吸附水的信号峰(图2b-2e)。从表2的结果可以看出，DMSO-d6的加入产生明显的溶剂效应，随着混合溶剂中DMSO-d6所占比例的增加，酮式和烯醇式异构体的H-3化学位移均逐渐向低场移动，而甲基峰则逐渐向高场移动。

然后，选择酮式异构体亚甲基峰(H-3)和烯醇式异构体中次亚甲基峰(H-3’)通过软件TopSpin3.2进行谱线形状拟合得出积分面积(由于水峰干扰，这里不能用简单区间积分方法)。把H-3积分面积的一半和H-3’积分面积带入到公式(3)计算烯醇含量占比及Keq值，结果列于表2中。教学过程中也可以使用甲基的谱峰面积来计算，并比对使用谱线形状拟合和简单区间积分所得结果的差别。结合表1、表2的结果可以看出，当CDCl3/DMSO-d6混合溶剂中DMSO-d6比例分别为0、25%、50%、75%和100%时，对应溶液的介电常数分别为4.80、5.28、8.74、25.04和46.70，极性逐渐增强，而烯醇式异构体占比从84.7%逐渐降低至56.6%，酮式异构体占比则逐渐增加，这与Meyer规则相符[14,15]。

4.2 量化计算

量化计算结果表明，在所有溶液中烯醇式异构体是更加稳定的存在形式(表3)，这可能是因为烯醇式异构体中形成了分子内氢键，从而有效降低了分子体系的能量[16]。相应的，通过玻尔兹曼分布定律计算的不同混合溶剂中烯醇式异构体比例也始终大于酮式。但随着溶液极性增加，两者之间的能量差逐渐变小，酮式异构体的比例逐渐增加。这与核磁实验观察到的烯醇式为主要异构体，且随溶液极性增加烯醇式异构体占比逐渐减少的结果一致。另外，烯醇式异构体中羰基与羟基通过氢键形成六元环平面结构，两个氧原子呈顺式排布(图3)；酮式异构体的两个羰基则由于偶极偶极排斥作用呈反式排布(O—CC—O二面角为138.6°)。两种异构体中作为负电中心的氧原子的排布方式不同导致烯醇式异构体的偶极矩大于酮式异构体(表3)。如果将酮式异构体的两个羰基设为顺式排布(O—CC—O二面角为0°)，然后用相同方法计算该结构的偶极矩为6.11 D (溶剂为DMSO-d6)，远大于相应的烯醇式异构体的偶极矩(3.76 D)，也很好证实上述分析。表3结果也表明随着溶剂极性的增加，烯醇式和酮式互变异构体的偶极矩都会有所增大，溶剂从弱极性的CDCl3到极性溶剂DMSO-d6，烯醇异构体的偶极矩增加了0.23 D，而酮式异构体才增加0.14 D。表明两种异构体和溶剂的相互作用都在增强，而烯醇式异构体比酮式受到影响更大。在表2中烯醇式H3’随着溶剂极性增强往低场偏移δ0.19，而酮式H3只偏移δ0.10，也与这一结论相符。

表3 量化计算的乙酰丙酮烯醇式和酮式异构体的自由能和偶极矩

图3 在B3LYP/6-31G＊水平上优化得到的乙酰丙酮的烯醇式(a)和酮式(b)异构体结构

5 实验安排和教学组织建议

(1) 乙酰丙酮的酮式和烯醇式异构体特征氢原子化学位移差异明显，实验中可以安排讨论诱导效应和各向异性效应对于化学位移的影响。这有助于加深学生对不同化学环境下氢原子的化学位移范围分布规律的认识。

(2) 由于氢谱的T1测试实验时间较长，在教学实践中需要提前测试或可直接引用本文报道的T1数据设置等待时间。

(3) 如果教学时间充裕时，可以进行等待时间较短的常规氢谱实验，让学生对比定量氢谱实验结果，分析实验误差，加深对于定量核磁测试的了解。

(4) 乙酰丙酮的烯醇式异构体中烯基氢(H3’)的弛豫时间最长，即核磁测试时甲基氢更快达到平衡。因此，教师可以引导学生选择甲基的谱峰积分面积来计算平衡常数，并对所得两组平衡常数进行比较。

(5) 理论计算结果表明，乙酰丙酮的酮式异构体比烯醇式的极性小[2,15,16]。因此，教师可以在课堂上引导学生探讨溶剂极性对乙酰丙酮的酮式-烯醇式互变异构平衡的影响原因，并设计相关实验进行验证。

(6) 实验以小组形式展开，每组3-5人，要求学生进行文献调研，课下小组讨论，熟悉实验目的和实验内容。整个实验分4个阶段，每个阶段2学时。第一阶段为理论课程，介绍酮式-烯醇式互变异构平衡、溶液极性、核磁共振氢谱；第二阶段为实验课程，进行样品配制以及核磁实验操作；第三阶段为量化计算课程；第四阶段为数据分析课程，进行核磁谱图指认、平衡常数计算以及量化结果分析。在实际教学中可根据教学进度和对象灵活安排为综合性实验一次性完成，也可安排为4 + 4的两次实验。

6 结语

本实验通过定量核磁共振氢谱技术，观察不同极性溶液体系下乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互变异构平衡变化，并计算平衡常数；再结合量化计算结果探索溶剂极性影响平衡的机制。在实验设计上，跳出单纯依靠更换溶剂改变溶液极性的常规模式，通过改变混合溶剂比例来构造极性连续变化的溶液模型。实验结果表明，不同极性溶剂中乙酰丙酮(2,4-戊二酮)的酮式-烯醇式互变异构平衡移动明显，易于观察。利用量化计算分析实验结果，可实现理论和实验手段的有机结合。通过本实验的开展，学生可以对基础理论知识有直观的感性认识，易于激发学生的科学研究热情和兴趣，培养化学研究思维，提升综合运用多种方法分析解决问题的能力。此外，本实验也有助于学生进一步了解核磁共振技术这一重要的研究手段，适用于化学及相关专业高年级本科生的物理化学实验，也可以作为仪器分析实验开展教学。