有機化學的基礎101 質子自旋 訊號分裂 Spin-spin splitting(一)

1.  在「氫核磁共振光譜1HNMR spectrum」，大部分的訊號都是複雜的圖形，而不是單一的波峰。

2.   一個分岔(分裂)的訊號圖形，提供許多寶貴的資訊，可用來判斷分子的結構，因為波峰訊號的樣子，直接來自於幾個相鄰的質子(氫)彼此的交互作用。

3.       組成「多重譜線multiplet」訊號的直線數量，顯示出與隔壁「碳」上的氫原子，數量有多少。

4.     我們所觀察到的分岔圖形，是每一個氫原子核(質子)與相鄰原子核的「磁自旋magnetic spin」，彼此交互作用造成的；這種交互作用，稱為「耦合coupling」。

5.       讓我們來比較「乙醇」和「溴乙烷」的氫核磁共振光譜。這二種化合物都有乙基分子群，它們的訊號圖形也大致相同，雖然化學位移的位置不同。

6.       無論是那一種化合物，高磁場的「甲基CH3」的訊號，都分裂成三條直線的多重譜線(triplet)，而「亞甲基CH2」的訊號則分裂成四條直線的多重譜線(quartet)。

7.       讓我們來了解「乙醇」和「溴乙烷」這二種化合物的「甲基CH3」分子群。

8.       「甲基CH3」的氫原子群，會於相鄰的「亞甲基CH2」，交互作用；當「甲基」與相鄰碳的氫分子們(亞甲基)的交互作用，被阻斷，「氫核磁共振光譜」顯現的訊號就是單一的尖銳波峰。

9.       我們觀察到「甲基」的訊號圖形是分裂，導因於它與相鄰氫原子群的交互作用時，自旋依據的磁場方向，可以是與外加磁場同方向，也可以是反方向。

10. 「亞甲基」的2個氫原子，有三種可能的方向：一、2個氫原子都與外加磁場同方向；二、2個氫原子都與外加磁場反方向；或者，三、1個氫原子與外加磁場同方向，另1個氫原子與外加磁場反方向。

11.   第三種情形，在二個原子的能量都一樣的情況下，還會有二種可能的排列訊組合：↑↓或↓↑。(箭頭指原子自旋所依據的磁場方向)

12. 原子自旋的組合模式，相當多元豐富，這就造就各種觀察到的圖形：分子群和3個相鄰的氫原子交互作用產生的「四重線quartet」；分子群和2個相鄰的氫原子交互作用產生的「三重線triplet」。

13. 「甲基」上每個氫原子所經驗到磁場，是「外加磁場」和「隔壁2個氫原子的小磁場」的總和；

14. 當「隔壁的原子核」的磁性方向，和「外加磁場」一樣，有效磁場就會變大；當「隔壁的原子核」的磁性方向，和「外加磁場」相反，有效磁場就會變小。

15. 因此，「甲基」上的氫原子們，實際上是暴露在三種不同的磁場：比較大的磁場、跟原來差不多的磁場、比較小的磁場。甲基上的「氫」，所承受的各種些微不同的磁場環境，會反應成它獨特的共振頻率。

16.   因此，我們看到的不是一個單一尖峰的訊號，相反地，我們看到「三重線」訊號，這是受到(甲基隔壁的)「亞甲基」上頭的氫原子們，各種自旋的影響。

17.   在「氫核磁共振光譜1HNMR spectrum」，觀察到的「多重譜線multiplet」的訊號，提供寶貴資訊，讓我們可以判斷隔壁位置的分子群，有幾個氫原子。注：多重譜線：訊號的波鋒分岔成好幾個，依據有幾條直線來命名。

18.   p176,圖Fig4.16顯示幾個基本的「多重譜線multiplet」，這些多重譜線的差異，來自於分子群，與附近數量不同的原子核，交互作用。

19. 雙重線doublet，起因於附近有1個活躍、有磁性的原子核；三重線triplet，起因於附近有2個活躍、有磁性的原子核；四重線quartet的附近有3個活躍、有磁性的原子核；五重線quintet，起因於附近有4個活躍、有磁性的原子核。

20.   在多重線圖形中，每條線之間的分離程度，稱為分裂splitting，各種分裂都直接導因於隔壁氫原子們的磁場。一般而言，氫原子彼此愈靠近，分裂就愈大。

n   翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry》