2009年8月11日 星期二

有機化學的基礎101 質子自旋 訊號分裂 Spin-spin splitting(二)

1.       分裂強度,稱為耦合常數coupling constant,通常用簡單的「J」字母作為代號。

2.       二種原子核,影響彼此的力量強度,是一樣的;因此,多重譜線的每條線之間的「耦合常數coupling constant」是一樣的;意思就是,三重譜線波峰之間的分離空間,會完全等於四重譜線波峰之間的分離空間。

3.       注:甲基CH3分子群,對亞甲基CH2上的2個氫原子的影響力是完全一樣的。亞甲基上的第1個氫原子,會怎樣吸收外加磁場和甲基磁場的能量,發出特定頻率,第2個氫原子就怎麼吸收;所以,訊號凹下去的空間距離是一樣的。

4.       不論是「乙醇」還是「溴乙烷」,「甲基」和「亞甲基」氫原子們的J值,都是7Hz(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry)

注:圖表,第175176頁,可翻閱google提供的有限度瀏覽Mary Anne Fox, James K. Whitesell《有機化學Organic Chemistry

徐弘毅:

1.       在氫磁共振光譜儀裡的分子,分子中的一個氫原子,它的自旋方向,受到1.附近鍵結在碳原子上的氫原子的磁性,以及2.儀器所提供的外加磁場,雙重影響。

2.       為什麼鄰近的氫原子會有這麼大的影響力?

3.       依據牛頓的萬有引力,二質點之間的萬有引力的大小與距離成反比,也就是,距離越遠,引力愈小,距離愈近,引力愈大。受測試的氫原子,與附近有磁性的氫原子,彼此非常靠近,短距離,強化了鄰近氫原子的影響力。

4.       為什麼氫原子會受到外加磁場影響而改變自旋?

5.       氫,本身只有一個帶正電的質子,它不但沒有中子來平衡原子核,外層也只有一個電子圍繞,遮蔽性很低,所以非常容易受到外加磁場的影響。

6.       就像一個帶有磁性的正電流,電流周遭都有磁力線,非常容易受到外加磁場的影響而偏折。一個不斷散放正電的原子核,也會因外在磁場的影響而改變旋轉方向。

7.       依據愛因斯坦的光電效應理論,只要光波的頻率,超過推動電子(量子)所需能量的最低閥值,隨著光增強,金屬板產生的電流就增加。

8.       同樣的道理,外加磁場的電磁波,超過閥值,就有能力誘使活磁性的原子核自旋,那麼隨著外加電磁波的強度增強,質子的自旋就會增加。

9.       我們可以想像,一個分子上的眾多氫原子(質子),各自處在不同的結構位置,承受的引力不同,面對同樣的外加磁場刺激,自旋的反應也會不同,有的比較早開始逆磁性自旋,有的比較晚;有的順逆磁性之間的間隔比較長,有的比較短。

注:這裡所說的時間,並不是我們人類生活的時間,而是分子引力內的時間,對我們人類來說,那些時間非常短促,可以忽略,但是對分子內的原子來說,差之毫釐,失之千里。

10.   同一個官能基的氫原子群,因為所處的力學環境一樣,對磁場反應應該是一樣的;但是不同官能基的氫原子群,彼此應該不一樣。這就產生一個干擾的因素,因為鄰近的氫原子彼此非常靠近,會互相影響。

11.   所以,甲基與「亞甲基」的2個氫原子的交互作用,有三種可能的方向:一、亞甲基2個氫原子,都與甲基氫原子整體磁場同方向;二、2個氫原子都與甲基氫原子整體磁場反方向;或者,三、1個氫原子與甲基氫原子整體磁場同方向,另1個氫原子與甲基氫原子整體磁場反方向

12.   教科書雖然也指出,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」。

13.   也就是,甲基的質子核磁共振光譜,是來自於「甲基」上每個氫原子所經驗到磁場;而「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」二個力量造成的。

14.   但是教科書討論的時候,卻以「外加磁場」和「隔壁2個氫原子的小磁場」的關係為主。指出我們觀察到「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。

15.   並且列舉,「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。」這部分應該是錯的,與他前面所提的原則相違背。

16.   這個部分寫得模糊不清。我認為,簡單說,多重譜是因為,是亞甲基的二組氫原子群,受到「外加磁場」的反應不同,使得「亞甲基氫原子群」與「甲基氫原子群」,彼此的交互作用不那麼一致,有時順磁性、有時逆磁性。

17.   當二個氫原子的自旋相反,產生同頻率但相反的磁性,就會有消波/消磁作用,使得訊號,突然降低,又再重新出現,這就是分裂的多重譜線,而我們就是透過細數這些分裂線得知,鄰近的碳原子,到底鍵結了多少氫原子。

18.   當二個氫原子的自旋相反,產生同頻率但相反的磁性,也會增加氫原子從順磁性轉換到逆磁性的滯留時間,應該也跟分裂的多重譜線有關。

 

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