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有機化學的基礎104 對稱效果 Effect of Symmetry(一)
2009/08/15 09:42
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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(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)

研析心得:

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,只能說明有幾種同類型原子。

3.      以「質子()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11,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()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,左右各有一個氫原子群交互作用。

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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