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自旋偶合和自旋分裂

发布时间:2014-07-15 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1754

从化学位移的讨论可以推论:样品中有几种化学环境的磁核,就应在测定的NMR谱上有几个谱线峰。这个推论在低分辨的NMR测定中通常都是对的,但如采用高分辨仪器测定,得到的结果往往就不那么简单,有些磁核的谱线会出现分裂。1951年Gutowsky、Mccall和Slichter发现了这种引起谱线增多的现象。乙基苄基醚氢谱上出现四组峰,乙基中亚甲基和甲基峰皆呈现复峰,前者四重峰,后者三重峰,是自旋的氢核之间相互干扰的结果。这种现象称为自旋一自旋偶合(spin—spin coupling),简称自旋偶合。由自旋偶合引起的谱线增多的现象称为自旋一自旋分裂,简称自旋分裂。如前所述,氢核在磁场中有两种取向,在图26—17的乙基中,亚甲基两个氢核的取向可以相同,也可以相反。总共有三种自旋组合态M,构成了不同局部磁场,使甲基的吸收峰分裂为3,其高度比应为1:2:1。同理,次甲基的氢核受甲基的作用被分裂为4,其高度比为1:3:3:1。

原子间的自旋偶合相互作用是通过成键电子传递的,这种作用强度以偶合常数,J(coupling constant)表示,并以Hz为单位。乙基中甲基和亚甲基氢核之间相隔3个单锋(H—C—C—H),偶合常数约为7Hz。由于它们裂分是相互干扰引起的,所以偶合常数相同。相隔4个和4个以上单键的氢核间,偶合常数趋于零。若此时j#0,则称为远程自旋偶合,简称远程偶合(1ong—range spin—spin coupling)。高分辨谱图中所观察到的芳氢与δ4.5亚甲基之间的偶合分裂都是一种远程偶合现象。

由于偶合常数起源于核磁间的相互干扰,其作用大小与外加磁场无关。对于偶合引起的自旋分裂完满地加以解析,将有助于确定分子中各类氢核的相对位置及其立体化学关系。例如:次甲基显示四重峰,表示它有3个相邻的氢;甲基显示三重峰表明它有2个相邻的氢,若氢核的邻近有n个与之偶合常数相同的氢,则将分裂为n+1重峰(2nI+1,I=1/2时为n+1),即所谓n+1规律。当氢核有不同的近邻,若n个氢为一种偶合常数,n’个氢为另一种偶合常数时,则将呈现(n+1)(n'+1)重峰。

由n+1规律所得到的复峰,其强度比例为l:1(双峰),1:2:1(双重峰),1:3:3:1(四重峰)…比例数字为二项式(a+b)n的展开系数。

n+1规律是一种相当粗略的解析手段,能用此规律估计偶合常数的方法称“一级近似”,这种谱图称为“一级图谱”。只有当两峰之间的化学位移差距(△v)为偶合常数的10倍以上时,应用这一规律才是准确的。这一规律的局限性在于:首先,它不能解释谱图的精细结构”。第二,各组分裂分复峰的强度比绝大部分不等于二项展开式展开的系数。第三,每组裂分复峰间距不一定相同,这种间隔也不一定代表偶合常数。以上情况都将导致不同程度地偏离一级图谱。

虽然如此,在一般情况下,还是可以用n+1规律来处理。利用这种规律可以近似地求出化学位移和偶合常数值,只是情况不同,所得的化学位移和偶合常数的精确度不同。假如J和△V接近到一定程度,甚至J>>△V时,将会看到n+1规律根本不能应用,这时就必须考虑其“精细结构”或“二级裂分”的处理。

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