一文讀懂偶合常數 J

2021-01-21 化學科訊


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偶合常數的定義


在一個自旋體系內,核磁共振的譜線發生了分裂;由分裂所產生的裂距反映了核的相互偶合作用的強弱,稱為偶合常數, 用J表示。通常情況下,通過單數鍵的偶合常數為正值(如1J、3J),通過雙數鍵的偶合常數為負值(如2J)。




「同碳」偶合常數(J同或2J


定義:2J表示跨越兩根化學鍵的耦合常數。

在這裡主要討論氫氫之間的2J,其對應的耦合也稱為同碳耦合 。


(1)大多數sp3雜化基團上的J同為12~15Hz 。

(2)sp2雜化的C=CH2型J同為0.5~3Hz。

(3)環丙烷型J同為3~9Hz 


影響2J大小的因素


1)


①碳氫鍵夾角θ,隨著θ角的增大,J同的絕對值相對地減小。 夾角θ的大小決定了兩個C-H軌道的電子云交蓋程度,從而直接影響化學鍵的電子對自旋信息的傳遞;θ角小(一般不可能小於109°28´),軌道的重疊部分就大,有利於電子對自旋信息的傳遞,偶合作用就強,2J的絕對值就大。反之也反。



2)相連基團的電負性:一般情況下,當直接相連基團X的電負性增加時,J同的代數值增大。相隔一個碳的取代基X,其電負性增加時,J同的代數值相對地減小。


化合物     J同(Hz)

化合物          J同(Hz)

CH4         -12.4

CH2=CH2           +2.3

CH3Cl       -10.8

CH2=CHCl          +1.9

CH2Cl2      -7.5


CH3OH       -10.8



3)鄰位π鍵:一般情況下,鄰位有π鍵使J同的絕對值增加。對於可以自由轉動的鍵, 鄰位每增加一個π鍵,對J同的貢獻為約1.9Hz。

例如:


鄰位偶合常數(3J 或J鄰,最常見)


定義:相隔三個化學鍵的質子,相互間的偶合常數稱為鄰位偶合常數,用3J或J鄰表示。



影響3J因素:


1)二面角φ指兩個質子所在H-C-C-H平面構成的二面角。


3J與二面角的關係可用Karplus公式表示:



由Karplus公式可以解釋下列現象:


①H-C=C-H的J反>J順; 因順式二氫對應的二面角φ=0°,而反式二氫對應的二面角φ=180°。一般情況下:J順=6-14Hz,  J反=11-18Hz

②具有剛性構象的環幾烷衍生物中,3Jaa>3Jae≥3Jee



③環丙烷衍生物中,J cis>J trans

2)C-C鍵長:3J 隨C-C鍵長的減小而增大。


3)C-C-H鍵角:3J 隨C-C-H鍵角的減小而增大。


遠程偶合


大於三鍵的偶合稱之為遠程偶合,遠程偶合的偶合常數一般較小,一般在0-2Hz範圍,但是在折線型和共軛體系中較大。


芳雜環上的偶合



氫與其它原子核的偶合


能見到的與氫原子核發生偶合的其它原子核有2D、13C、14N、19F、31P。

 (1)1H-2D偶合:遇到的機會很小。

 (2)1H-19F偶合:19F的I=1/2,所以,1H-19F偶合的裂分規律與1H-1H偶合相同,偶合常數可達90Hz。

 (3)1H-31P偶合:31P的I=1/2,所以,1H-31P偶合的裂分規律與1H-1H偶合相同,為n+1規律,偶合常數可達200Hz。

 (4)1H-13C偶合:13C的I=1/2,所以,1H-13C偶合的裂分規律與1H-1H偶合相同,為n+1規律,偶合常數可達200Hz。但是,由於13C的自然豐度僅為1.1% ,因此,一般情況下,這種偶合看不到。


化學全同與磁全同


1)同一分子中化學位移相等的質子稱化學全同質子,化學全同質子具有相同的化學環境。

 

2)如果有一組質子是化學全同質子,當它與組外的任一磁核偶合時,其偶合常數相等,這組質子稱磁全同質子。

 

 

一級圖譜自旋偶合裂分規律(只適合於I為1/2的磁核)

 

1) 一個(或一組磁全同)質子與一組n個磁全同質子偶合,該質子的信號發生(n+1)重裂分。

 

2)一個(或一組磁全同)質子A與兩組質子(M n、X m)偶合,且 JAM=JAX (即M n、X m類似磁全同質子),共振信號裂分為(n+m+1)重峰。

 

丙烷中亞甲基質子與兩組甲基質子的偶合屬此類情況,結果裂分為七重峰。



3)一個(或一組磁全同)質子A與兩組質子(M n、Xm)偶合,且 JAM≠JAX,則共振信號裂分為(n+1)(m+1)重峰。

 

4)裂分峰的強度比符合二項式(a+b)n展開後各項係數之比。

 

5)一組多重峰的中點,就是該質子的化學位移值。

 

6)磁全同質子之間觀察不到自旋偶合裂分,如C1CH2CH2Cl中四個質子屬磁全同,所以共振信號為單峰。

 

7)當20>△v/J>6時,為近似一級圖譜。各峰強度不呈對稱分布,對相互偶合的兩組峰,外側峰強度小於內側峰。


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