等效氢,是指在有机物分子中,位置等同的氢原子。显然有多少种等效氢,其一元取代物就有多少种。这种通过等效氢来确定一元取代物同分异构体数目的方法,叫等效氢法。
有这样几种情况
分子中等效氢原子一般有如下情况:
①.分子中同一甲基上连接的
氢原子等效,如甲烷上的氢原子;甲烷空间
立体结构为正四面体。
②.同一碳原子所连甲基上的氢原子等效,如
新戊烷(可以看作四个甲基取代了甲烷分子中的四个氢原子而得),其四个甲基等效,各个甲基上的氢原子等效,也就是说新戊烷分子中的12个氢原子等效;其一元取代物有一种。
【一种烃如果有m个氢原子,那么它的n元取代物与(m-n+1)元取代物种类相等】。
③.处于镜面对称位置(相当于平面成像时,物与像的关系)上的氢原子等效,如2,2,3,3-
四甲基丁烷分子中的18个氢原子是等效的。
判断方法
判断“等效氢”有两个基本原则。第一条规则是同一碳原子上的氢原子是等效的;如CH4中的4个氢原子等同。根据这个规律,含有n个碳原子的烃最多只有n种等效氢。第二条原则是等效碳原子上的氢原子是等效的。
等效碳原子的判断方法有可以有两种。首先,同一碳原子上所连的相同基团的相同位置是等效的;如新戊烷C(CH3)4中的4个甲基上的12个氢原子等同,而C(CH2CH3)4中的4个乙基中的对应碳原子等效12个氢原子等同。
其次,处于对称位置上的碳原子是等效的,如乙烷和乙烯的两个碳原子等效;苯分子中的6个碳等效;CH3C(CH3)2C(CH3)2CH3上的6个碳原子等效(注意中心两个碳原子虽然等效却不产生等效氢原子)。
虽然大多数环烷烃并不是平面结构,我们仍然可以假定它们为平面正多边形,利用镜面对称的方法来判断等效碳原子的个数。
如环己烷看成正六面形,有六个对称轴,因此六个碳原子等效,只有一种等效氢原子。而
甲基环己烷只有一个对称轴,有五个等效碳原子(加上环外甲基上的碳原子),因此有五种等效氢原子。
应用
“等效氢原子法”是判断同分异构体的最基本的一种方法。分子中等效氢原子有多少种,则一元取代物的结构就有多少种(有些特殊上的氢原子可能无法取代,如羟基上的氢)。
如新戊烷(2,2,3,3—
四甲基丁烷)的一氯代物只有一种;丙烷的一氯代物有2种(CH3—CH2—CH3中两个甲基上的6个H原子等效,亚甲基上的二个氢原子等效,分子中共2种等效氢原子)。
等效氢也可以用来判断核磁共振氢谱图特征峰的数目和强度。不同化学环境中的氢原子,其峰的位置是不同的。特征峰的数目反映了有机分子中等效氢的种类;使用
核磁共振仪自带的自动积分仪可以对各峰的面积进行自动积分,得到的数值用阶梯式积分曲线高度表示出来。
不同特征峰的强度比(或特征峰的高度比)反映了不同种类等效氢原子的数目比。例如CH3CH2OH中,有3种H,则有3个峰,强度比为3:2:1。
CH3OCH3中,只有一种H,则有1个峰。CH3COOCH3中有2种等效氢原子(注意由于酯基不是对称结构,该分子没有对称轴),个数比3:3(或者约分后变成1:1)。
需注意的是,
镜面对称的氢原子被官能团取代后,会产生手性异构问题.