1. 一個分子如果結構是對稱的,那麼,位置對稱的原子核(氫和碳)會發出相同的頻率訊號。
2. 因此,對稱分子的原子,發出的各種共振訊號的數量,會少於不對稱分子,因為它們的原子各個不同。
3. 舉例來說,以下是2個醇類異構物的光譜數據(d=double, t=triplet, q=quartet):
4. 對稱的「3-戊醇 3-pentanol」,它的5個碳原子,在「碳13核磁共振NMR光譜」只產生3個訊號,但是不對稱的「2-戊醇 -pentanol」的5個碳原子,每個都有自己獨特的訊號(共產生5個訊號)。
5. 值得注意的是,「3-戊醇」的對稱性,使得在「1號碳/C-1」和「5號碳/C-5」的2個「甲基methyl」分子群,完全一樣;同樣的情形也發生在「2號碳/C-2」和「4號碳/C-4」的2個「亞甲基methylene」分子群,它們也是完全一樣。
6. 因為對稱性結構的關係,在「3-戊醇」的「1號碳」和「5號碳」的碳原子和氫原子是完全一樣的,並且各自發出一樣的「氫核磁共振光譜訊號」或「碳核磁共振光譜訊號」。同樣的情況也適用於「3-戊醇」的「2號碳」和「4號碳」的碳原子和氫原子。
7. 然而,「3-戊醇」的「亞甲基」分子群,跟「乙醇」或「溴乙烷」的「亞甲基」分子群不一樣之處是,在「2號碳/C-2」(或4號碳/C-4)的氫原子訊號波峰,不僅因為「1號碳/C-1」(5號碳/C-5)上的氫原子而分裂,也受到「3號碳/C-3」上鍵結的那1個氫原子影響。
8. 「2號碳/C-2」上的氫原子群,它與左右兩邊的二組氫原子群的「耦合常數coupling constants」並不一樣,這造成的訊號圖形是:一個二重線譜訊號,包含在一個四重線譜訊號之內。
9. 注:二重線譜,是「2號碳/C-2」上的氫原子群與「3號碳/C-3」那1個氫原子交互作用的耦合常數;四重線譜是「2號碳/C-2」上的氫原子群與「1號碳/C-1」上的3個氫原子交互作用的耦合常數。
10. 「4號碳/C-4」的氫原子群在核磁共振發出的訊號,與「2號碳/C-2」上的氫原子群的訊號,化學位移的位置是一樣的;同時,「4號碳/C-4」的氫原子群的訊號圖形,也同樣是:一個二重線譜訊號,包含在一個四重線譜訊號之內。
11. 注:二重線譜,是「4號碳/C-4」上的氫原子群與「3號碳/C-3」那1個氫原子交互作用的耦合常數;四重線譜是「4號碳/C-4」上的氫原子群與「5號碳/C-5」上的3個氫原子交互作用的耦合常數。
12. 「3號碳/C-3」上的氫原子群,訊號圖形是五重線,因為它與4個完全相等的氫原子交互作用,這4個氫原子位於「2號碳/C-2」和「4號碳/C-4」上頭(它們是互相對稱的);
13. 「3號碳/C-3」上的氫原子群發出的訊號,相較於其它氫原子的訊號,是位於低磁場的位置,這是因為這些「氫原子」,受到與「3號碳」鍵結的「氧」原子的影響。(氧有陰電性,能強力吸引氫原子的電子靠近,氫原子核受到外力的控制,變得比較不那麼活潑,所以磁性下降) (翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry》)
徐弘毅:
1. 核磁共振光譜上,訊號多寡能夠說明原子的數量嗎?
2. 不能,只能說明有幾種類型的原子。
3. 以「質子(氫)核磁共振光譜」來說,如果有許多質子所處的環境都相等,訊號數目就減少,某些訊號會因為各個相等的質子重複發送訊號,而增強好幾倍。
4. 如果因為分子結構的關係,每個質子都不相等,那麼,所有排列組核的訊號都會保留,而每個訊號強度大約相等,接近1:1,這是因為沒有好幾個質子重複發送同樣的訊號。
5. 質子相等的情形,又有好幾種情形:一、好幾個質子與同一個原子(碳)鍵結,例如甲基、亞甲基……,因為位置一樣而造成環境一樣、對外加磁場的反應一樣。
6. 二、某些組成分子的基本單位,不斷重複。分子由許多「小型原子組合」元件,一一連接而成。例如直鏈的烷分子,左右一定是甲基(CH3),中間都是亞甲基(CH2);同樣結構下的原子,所處的環境一樣,對外加磁場的反應一樣。
7. 三、分子結構對稱,使對稱二側的碳原子、氫原子所處的環境一樣,對外加磁場的反應一樣。
8. 容易混淆的幾種訊號圖形如下:
9. 「四重譜線」,是因為觀察對象氫原子群,與附近3個相等的氫原子群交互作用;
10. 「二重線的二重線譜」(doublet of doublets 簡稱dd),觀察對象的氫原子群,與附近2個不相等的氫原子群交互作用。
11. 「四重線譜訊號內,有一個二重線譜訊號」,這是因為觀察對象的氫原子群,左右各有一組氫原子群交互作用。
12. 四重線譜訊號內的「二重線譜訊號」,這是因為觀察對象的氫原子群,其中一側有1個氫原子,交互作用形成二重譜線。
13. 至於四重譜線有二種情形,如果另一側的3個氫原子相等,那就會形成強度不同的四重譜線;如果另一側是2個不相等的氫原子組成,那就會形成強度相同的四重譜線。
14. 「3-戊醇」,C-3上的氫原子群發出的訊號,相較於其它氫原子的訊號,是位於低磁場的位置,這是因為這些「氫原子」,受到與「3號碳」鍵結的「氧」原子的影響。
15. 多重譜線訊號,顯然深受觀察主體的原子所處的環境影響,這一點可證明,教科書定義,「多重線譜訊號,是相鄰的質子與外加磁場交互作用」,解釋錯誤。
16. 多重譜線訊號,是「做為觀察主體的質子」,與「相鄰的質子」交互作用的結果。這二種質子所處的環境不同,對外加磁場的反應不同,造成這二組像小磁鐵般的質子群,啟動自旋、磁性翻轉的時間不同,以致於彼此有時都是順磁性,有時都是逆磁性,有時一個順磁性、一個逆磁性。這才是造成多重線譜訊號的原因。
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