2009年8月8日 星期六

有機化學的基礎99 氫核磁共振光譜:綜合曲線


1.       在「氫核磁共振光譜1HNMR spectrum」中,一個訊號的相對強度,和製造出訊號的質子數量,成正比(也就是訊號愈強,質子數量愈多);在這方面,「質子的核磁共振光譜」,與「碳核磁共振光譜」不同。


2.       在核磁共振光譜上,又疊一層曲線,稱為「綜合曲線 intergration curve」;這是衡量每個波鋒所佔區域大小的指標。


3.       綜合曲線的階梯中,上升部分的垂直高度,可用來計算,造成每個波鋒訊號的氫原子群,它們的數量佔整個分子的比例是多少。


4.       在乙醇的「氫核磁共振光譜1H NMR spectrum」,三個波鋒的綜合曲線,上升部分的垂直高度,比例是123,這剛好等比例於,乙醇三個化學位移波鋒的氫原子的數目。


5.       綜合曲線提供的是氫原子數量的比例,而不是每一種分子群裡的氫原子的實際數目。


6.       「綜合曲線」資訊,常常伴隨著「化學位移」的訊號一起寫出來,例如,5.1δ(3H),意思是在化學位移量尺上5.1δ的位置,這個官能基的「氫的數量」,佔「整個分子的氫總數」的比數是「3(注意不是3個氫原子)(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry)


徐弘毅:


1.       氫原子,體積、質量都遠於碳原子,因此,核磁共振電磁波刺激產生的訊號,可以更細膩地反應分子的真實狀態。這就如同用刻度更細的量尺,來衡量東西,得到的數值,可以更清楚地比較出大小差異。


2.       在同一個碳原子上的氫原子群,所處的環境差不多,能夠彼此協調運動取得平衡,產生一致的頻率,這樣一來,氫原子愈多,訊號就愈強,也因此,從氫核磁共振光譜的樣品發出訊號的強弱,可以判斷出氫原子的多寡。


3.       質子核磁共振光譜中,綜合曲線訊號的強度間接地說明氫原子的數量,所謂間接,就是指它能提供各類型氫原子的比例,我們可以從中判斷出分子化學式的基本組成。


4.       氫原子包覆在碳骨架之外,可活動的空間比較大,旋轉、擺動、震動、伸縮的時候,容易與附近的其他氫原子產生交互作用,譬如影響到其他氫原子的磁場、自旋


5.       質子的訊號的分裂特性多重譜線,也能反應一組氫原子群,與相鄰氫原子群的交互作用,也就是透過分析訊號分裂的數量,可以推測出每一組官能基,鄰近的氫原子群是什麼官能基。


6.       一個分子上的氫原子們,可依據它們所處的環境,分為好幾類;不同類的氫原子群,面對同樣的外加磁場的刺激,反應會不一樣()


7.       同樣的外加磁場,就是同樣的頻率和強度,也就是用固定方向、固定力量,去推移氫原子核。


8.       每類氫原子所處的「環境」,指的是其他原子對它的引力、斥力、磁力、碰撞等等。


9.       如果依據質能互換的原則,把這些引力、斥力、磁力全轉化成原子的重量,那就是每一類原子的重量不同(實際上,它們的質量一樣,只是承受的引力和自己的運動狀態不同);如果都轉化成動能,那就是重量一樣,但是旋轉移動的速度不一樣。


10.   同樣的力量,施加在重量不同的東西上頭,每個東西的移動距離不同。應用這個想法,每種氫原子,面對一樣的外加磁場刺激,會各自發出獨特頻率的訊號;所以,化學位移,就是把每一類氫原子發出的獨特頻率,減掉標準化合物計算而來。


                 樣品的頻率 標準化合物頻率

   δ = ──────────────── × 10 6次方

                            光譜儀頻率


注:等於百萬分之一(ppm),標準化合物「四甲基矽甲烷TMS的訊號級數δ被設定為「0」。


11.   質子訊號的化學位移,能說明質子群是處在什麼樣的分子環境,也就是位於什麼樣的官能基上,那麼,只要用實驗統計每一種官能基的質子訊號,就能透過化學位移的數值,判斷分子有什麼樣的官能基。


12.   如果單從一方面的資訊來判斷,很難推測分子的結構,但是如果能把各種質子訊號,一起拿出來判斷,就比較能推測出分子的正確結構。

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