Hvordan finne koblingskonstanten

Kjemikere ofte bruker kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi for å bestemme strukturen av organiske forbindelser. Dataene fra proton-NMR vil være en serie av "topper" på en graf. Du kan bruke disse dataene til å utlede en overraskende mengde informasjon om molekylets struktur. Noen ganger kan det være nyttig å måle koblingskonstant, avstanden mellom de enkelte topper i en gruppe av topper. Hvis du har en enkel gruppe topper som en dublett, en triplett eller en kvartett, vil dette vanligvis være ganske grei. Det kan ikke være mulig, imidlertid, å finne en koblingskonstant for mer komplekse multipletter.

Bruksanvisning

1 Start med å tenke gjennom hvordan NMR fungerer. Akkurat som elektroner, nøytroner og protoner har en egenskap som kalles spinn. En hydrogenkjernen har bare en enslig proton, så det har to mulige spinntilstander, enten spin = +1/2 eller spin = -1/2. Vanligvis disse to statene har lik energi. Når du plasserer prøven i et magnetfelt, men oppfører hydrogenkjernen noe som en liten magnet i den forstand at det kan enten stille opp med feltet, i så fall det vil ha en spin stat, eller stille opp mot det, i så fall vil det ha den andre. De to spinntilstander har nå ulik energi. Til enhver tid vil de fleste av hydrogenkjerner i en gitt befolkning være i den nedre-energi spin tilstand, men en liten del vil være i høyere tilstand. Når prøven blir bestrålt med radiobølger, vil radio fotoner absorberes av hydrogenkjerner hvis og bare hvis deres energi er lik forskjellen i energi mellom de to spinntilstander.

2 Legg merke til at elektronskyen rundt et hydrogenatom, vil bevege seg på en måte som skaper en liten magnetisk felt motvirke mye større ytre magnetfelt. Følgelig er den mer elektron-rik hydrogenatom, jo ​​mindre forskjellen i energi mellom spinntilstander vil bli. Avhengig av deres omgivelser i molekylet, vil noen hydrogenatomer være flere elektronrike enn andre. Et hydrogenatom bundet til et oksygen, for eksempel, ville være mye mer elektron-fattig enn en festet til et -CH3 metylgruppe.

3 Husker at NMR-data er i form av en graf som bruker tetrametylsilan som en referanse. Med andre ord, i stedet for å vise frekvensen til radiobølger som ble absorbert, Diagrammet viser forskjellen i Hz mellom den frekvens som absorberes av tetrametylsilan og den frekvens som absorberes av prøven dividert med spektrometeret frekvensen i MHz. De resulterende enheter er ppm eller deler per million. Antallet ppm øker etter hvert som du går ned grafen til venstre, og avtar etter hvert som du går mot høyre. Det betyr at frekvensen for radiobølger som absorberes av prøven øker når man går mot venstre.

4 Legg merke til at for hydrogenatomer som ligger slik at andre hydrogenatomer er bundet til nabokarbonatomer, er det flere forskjellige muligheter. Nabohydrogener kan være sentrifuge +1/2 -1/2 eller spinne, og begge disse situasjonene vil bli funnet i forskjellige molekyler i løsningen til enhver tid. Dersom nabo er innrettet med magnetfeltet, vil det forsterke feltet følt av den første hydrogenatom, og derved øke frekvensen av stråling absorberer. Dersom nabo ligger mot magnetfeltet, vil det redusere feltet følt av den første hydrogenatom, og følgelig frekvensen av stråling absorberer også. Denne effekten kalles spinn-spinn-kobling, og forskjellen i Hz mellom toppene som er opprettet av spin-spin koplingen kalles koblingskonstanten. Det er viktig å merke seg at tilsvarende kjerner ikke par med hverandre.

5 Start med den enkleste situasjon: en koblingskonstanten for en dublett (to topper). Omdanne ppm verdien (kjemisk skift) for hver topp til en verdi i hertz (Hz) ved å multiplisere det med spektrometeret frekvensen i MHz. Hvis de to toppene har kjemisk skift på 0,89 ppm og 0,91 ppm, for eksempel, og spektrometeret frekvens er 90 MHz, de kjemiske skift som er uttrykt i Hertz er 80.1 og 81.9, og koblingskonstanten er bare forskjellig mellom dem: 81,9 - 80,1 = 1,8 Hz.

6 Takle en litt mer vanskelig situasjon - to kjemisk tilsvarende naboer (dvs. naboer som er i samme kjemiske miljø, som to hydrogenatomene på en CH2 gruppe). Disse vil snu første hydrogen i en triplett. I dette tilfelle vil koblingskonstanten være lik forskjellen i Hz mellom hver av side topper og den sentrale topp. Akkurat som med dublett, må du konvertere fra ppm til Hz før du beregne koblingskonstanten. Dersom lett har topper med 80 Hz, 88 Hz og 96 Hz, for eksempel, ville koblingskonstanten være 8Hz, fordi både 80 Hz topp og 96 Hz toppen er 8 Hz fra den sentrale topp.

7 Betrakt en litt mer interessant situasjon, hvor en topp er delt i tre ved kjemisk ekvivalente naboer. Vi kan ha et hydrogen på et karbonatom, for eksempel, som er festet til en metylgruppe (-CH3); de tre hydrogen metyl-gruppen vil splitte vår første hydrogen sin topp i en kvartett av fire topper. Avstanden mellom to nabotopper i kvartetten vil være koblings konstant. Dersom de fire toppene er 80 Hz, 88 Hz, 96 Hz og 104 Hz, for eksempel, ville koblingskonstanten igjen være 8 Hz, siden forskjellen mellom hvilke som helst to nærliggende topper er 8 Hz.

Hint

• Det er veldig vanskelig å beregne koblingskonstanten for komplekse multi og situasjoner hvor nabo hydrogen ikke er kjemisk lik, i hvilket tilfelle det kan være ulike koblingskonstant for hver. Vanligvis vil du ikke trenger å beregne koblingskonstanten å løse grunnleggende NMR-problemer, men fordi antall topper i en gruppe, og beliggenheten er faktisk langt mer nyttig enn de koblingskonstant som en generell regel.