2009年8月3日 星期一

有機化學的基礎93 碳13核磁共振光譜(一)

1.       一個「碳13核磁共振光譜」 (13C NMR spectrum)提供2個基本資訊:一、有幾個明顯的波峰訊號?這些訊號數量,就是不同種類的碳原子的數量。二、每個(波峰)訊號的化學位移是多少?化學位移的值,決定於每個碳原子所處的分子環境(依據「碳」在分子結構的「位置」、「受到的引力狀態」來決定)

2.       在一般的光譜儀,每一種分子環境裡的碳13原子核,會各自被紀錄成一個顯著、尖銳的波峰訊號;這些在「碳13核磁共振光譜」 (13CNMR spectrum)中的尖銳訊號非常重要,基於二個理由:

3.       第一、尖銳的訊號被縮限在很窄的頻率範圍,因此,可以很清楚地把受測分子的頻率和電波製造的雜音,區別開來。第二、訊號愈窄(波鋒愈尖銳),愈容易分辨(resolution),訊號之間的間隔通常很靠近。

4.       在乙醇的「碳13核磁共振光譜」,乙醇的2個「碳」,以尖銳的波峰訊號,紀錄在不同的「化學位移」量尺上。(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry)

徐弘毅:

1.       一個「碳13核磁共振光譜」 (13C NMR spectrum)提供2個基本資訊:

一、有幾個明顯的波峰訊號?這些訊號數量,就是不同種類的碳原子的數量。

二、二、每個(波峰)訊號的化學位移是多少?「化學位移」的值,決定於每個碳原子所處的分子環境(依據「碳」在分子結構的「位置」、「受到的引力狀態」來決定)

2.       每一個單獨存在、沒有與任何原子鍵結的碳原子(13C),只要都受到同樣頻率電磁波激化干擾,那麼,釋放出來的頻率應該是一樣的。

3.       但是在分子的世界,每個碳原子會因為處在不一樣的分子結構位置,受到同樣頻率電磁波激化干擾,卻釋放出不一樣的頻率。

4.       在分子的世界,有的碳(C13)所處的位置是與2個碳、2個氫鍵結,有的碳(C13)是與1個碳、3個氫鍵結,有的碳(C13)1個碳、1個氧、2個氫鍵結,有的碳(C13)在分子的末端,有的碳(C13)剛好是分子的中間區域……

5.       碳原子們,縱使彼此的大小、性質一樣,但是因為鍵結相鄰的原子大小、性質不一樣,「碳」所承受的引力就不一樣,受到電磁波干擾的反應也會不一樣。

6.       所以,核磁共振光譜收集到的訊號,並不是有多少個原子,就有多少種或多強的訊號,而是有多少結構種類的分子,就有多少訊號。

7.       用系統、周遭的觀念來思考:「外加磁場」發出電磁波訊號,進入分子,刺激帶有「活磁性的原子核」,這是從周遭(外加磁場)輸入能量到分子系統,來影響分子系統內每個原子的活動狀態。

8.       不同的實驗室,用不同的外加磁場,對分子系統內的原子,影響的力量會不同。

9.       化學位移計算公式,去除外加磁場的干擾因素,把分子系統內的每個原子,受外力刺激後,活動改變幅度,清楚衡量出來,這就是核磁光譜儀收到的訊號。

10.   在分子系統裡,每個原子都是一個小磁場;磁力,來自原子自旋或原子核、電子放射出來的磁力。

11.   在分子系統裡,而每個原子都會受到附近原子磁場干擾,這使得同一種原子(例如 都是碳原子),在不同分子結構位置,就等於處在不同的引力磁場,而每一種引力磁場面對一樣的電磁波,反應都不一樣,也就是產生的頻率不一樣;

12.   反過來說,如果分子系統不同位置的原子,附近的原子數量、性質、結構組成都一樣,從環境承受的引力磁場一樣,那麼,它們面對一樣的電磁波,會產生一樣的反應,也就是產生的頻率一樣,這些原子就都被歸類為同一類;

13.   被核磁共振儀歸為同一類的原子,並不一定互相靠近,可能距離很近、也可能很遠。

14.   例如在一個直鏈結構的「二十烷C20H42」,它的頭尾都是「甲基CH3」,但是中間間隔了18個碳,在分子結構上距離很遠;而「亞甲基CH2」分子群,處於左右都是「亞甲基CH2」的情況,就可能非常靠近,除了頭尾二端「亞甲基CH2」,中間所有的「亞甲基CH2」都彼此緊鄰。

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