偶合常数

偶合常数的定义

 

在一个自旋体系内,核磁共振的谱线发生了分裂;由分裂所产生的裂距反映了核的相互偶合作用的强弱,称为偶合常数, 用J表示。通常情况下,通过单数键的偶合常数为正值(如1J、3J),通过双数键的偶合常数为负值(如2J)。

“同碳”偶合常数(J同或2J

 

定义:2J表示跨越两根化学键的耦合常数。

在这里主要讨论氢氢之间的2J,其对应的耦合也称为同碳耦合 。

(1)大多数sp3杂化基团上的J同为12~15Hz 。

(2)sp2杂化的C=CH2型J同为0.5~3Hz。

(3)环丙烷型J同为3~9Hz 

 

影响2J大小的因素

①碳氢键夹角θ,随着θ角的增大,J同的绝对值相对地减小。 夹角θ的大小决定了两个C-H轨道的电子云交盖程度,从而直接影响化学键的电子对自旋信息的传递;θ角小(一般不可能小于109°28´),轨道的重叠部分就大,有利于电子对自旋信息的传递,偶合作用就强,2J的绝对值就大。反之也反。

2)相连基团的电负性:一般情况下,当直接相连基团X的电负性增加时,J同的代数值增大。相隔一个碳的取代基X,其电负性增加时,J同的代数值相对地减小。

 

化合物     JHz

化合物          JHz

CH4         -12.4

CH2=CH2           +2.3

CH3Cl       -10.8

CH2=CHCl          +1.9

CH2Cl2      -7.5

 

CH3OH       -10.8

 

3)邻位π键:一般情况下,邻位有π键使J同的绝对值增加。对于可以自由转动的键, 邻位每增加一个π键,对J同的贡献为约1.9Hz。

例如:

邻位偶合常数(3J 或J邻,最常见)

 

定义:相隔三个化学键的质子,相互间的偶合常数称为邻位偶合常数,用3J或J邻表示。

影响3J因素:

 

1)二面角φ指两个质子所在H-C-C-H平面构成的二面角。

 

3J与二面角的关系可用Karplus公式表示:

由Karplus公式可以解释下列现象:

 

①H-C=C-H的J反>J顺; 因顺式二氢对应的二面角φ=0°,而反式二氢对应的二面角φ=180°。一般情况下:J顺=6-14Hz,  J反=11-18Hz

②具有刚性构象的环几烷衍生物中,3Jaa>3Jae≥3Jee

③环丙烷衍生物中,J cis>J trans

2)C-C键长:3J 随C-C键长的减小而增大。

 

3)C-C-H键角3J 随C-C-H键角的减小而增大。

 

远程偶合

 

大于三键的偶合称之为远程偶合,远程偶合的偶合常数一般较小,一般在0-2Hz范围,但是在折线型和共轭体系中较大。

氢与其它原子核的偶合

 

 

能见到的与氢原子核发生偶合的其它原子核有2D13C14N19F31P

 (1)1H-2D偶合:遇到的机会很小。

 (2)1H-19F偶合:19FI=1/2,所以,1H-19F偶合的裂分规律与1H-1H偶合相同,偶合常数可达90Hz

 (3)1H-31P偶合:31PI=1/2,所以,1H-31P偶合的裂分规律与1H-1H偶合相同,为n+1规律,偶合常数可达200Hz

 (4)1H-13C偶合:13CI=1/2,所以,1H-13C偶合的裂分规律与1H-1H偶合相同,为n+1规律,偶合常数可达200Hz。但是,由于13C的自然丰度仅为1.1% ,因此,一般情况下,这种偶合看不到。

化学全同与磁全同

 

1)同一分子中化学位移相等的质子称化学全同质子,化学全同质子具有相同的化学环境。

 

2)如果有一组质子是化学全同质子,当它与组外的任一磁核偶合时,其偶合常数相等,这组质子称磁全同质子。

一级图谱自旋偶合裂分规律(只适合于I为1/2的磁核)

 

1) 一个(或一组磁全同)质子与一组n个磁全同质子偶合,该质子的信号发生(n+1)重裂分。

 

2)一个(或一组磁全同)质子A与两组质子(M n、X m)偶合,且 JAM=JAX (即M n、X m类似磁全同质子),共振信号裂分为(n+m+1)重峰。

 

丙烷中亚甲基质子与两组甲基质子的偶合属此类情况,结果裂分为七重峰。

3)一个(或一组磁全同)质子A与两组质子(M n、Xm)偶合,且 JAM≠JAX,则共振信号裂分为(n+1)(m+1)重峰。

 

4)裂分峰的强度比符合二项式(a+b)n展开后各项系数之比。

 

5)一组多重峰的中点,就是该质子的化学位移值。

 

6)磁全同质子之间观察不到自旋偶合裂分,如C1CH2CH2Cl中四个质子属磁全同,所以共振信号为单峰。

 

7)当20>△v/J>6时,为近似一级图谱。各峰强度不呈对称分布,对相互偶合的两组峰,外侧峰强度小于内侧峰。

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