化學原理啟迪381
自旋-自旋 耦合 Spin-Spin Coupling
1.
我們將討論，周遭質子們產生的磁場，如何造成我們所要觀察的氫原子核的核磁共振訊號分裂。
J.S Bach: Concerto for Piano and
Orchestra No. 5
2.
假設有一個分子裡面有二個鄰接的碳原子，其中一個碳原子連接氫原子Hx，另一個碳原子連接的一個質子Hy
(氫原子核)，我們先討論氫原子在只有質子Hy的影響下，Hx釋放的核磁共振訊號。
3.
質子Hy的自旋方向只有二種可能，一種是與氫原子Hx的原子核自旋方向一樣，另一種是與Hx相反，我們用箭頭描述質子Hx的旋轉方向，這二種情況分別是往上的箭頭↑與往下的箭頭↓。
4.
換句話說，這一大群同類型的分子裡面，有一半的分子的質子Hy的自旋方向與Hx的原子核自旋方向一樣，另一半的質子Hy的自旋方向與Hx相反。
5.
因此核磁共振光譜上顯示出二種波峰訊號，第一個訊號是因為質子Hy的自旋增加Hx自旋產生的磁場，第二個訊號是因為質子Hy的自旋方向削減Hx的自旋產生的磁場。
6.
這種雙峰訊號稱為雙重峰doublet，這是Hx周遭的氫原子Hy，造成Hx的波峰訊號分裂。雙重峰的二個波峰訊號一樣高，因為Hy的旋轉方向與Hx一樣或相反的機率是一樣的。
7.
當Hx的周遭是，鄰接的碳上，有2個磁性相等的氫原子核Hy，這2個氫原子核的自旋結合後，將會出現三種不同的磁場。
8.
第一種是2個氫原子核Hy的自旋方向，都與Hx相同；第二種是2個氫原子核Hy的自旋方向1個與Hx相同，另一個與Hx不同；第三種是2個氫原子核Hy的自旋方向，都與Hx不同。
9.
用箭號來描述2個Hy的自旋創造出的三種磁場，分別是↑↑、↑↓或↓↑、↓↓。這三種自旋的機率是1：2：1，這反映出光譜上出現的三種訊號。這樣產生的核磁共振光譜訊號是三個波峰的的圖形，稱為三重峰triplet，這三種波的面積比例是1：2：1，反映出三種自旋組合的出現機率。
10.
當Hx的周遭是，鄰接的碳上有，3個磁性相等的氫原子核Hy，Hx的核磁共振光譜訊號，分裂為4個波峰，這4個波峰的面積比例是1：3：3：1，反映出3個Hy，共可創造出4種自旋組合，並且這4種組合出現的機率為1：3：3：1。這是四重峰quartet。
11.
接下來，我們將檢驗溴乙烷bromoethane的核磁共振光譜，CH3CH2Br。
這個光譜由一個三重峰和一個四重峰組成。
12.
三重峰是(a)區CH3的質子，CH3的訊號波被隔壁的CH2的質子分裂成三個波峰；四重波是(b)區的CH2質子，CH2的訊號波被隔壁的CH3質子分裂成四個波峰。
13.
隔壁的質子們「自旋-自旋 耦合」的能量，經由分子的化學鍵，傳遞給目標氫原子們，質子們「自旋-自旋 耦合」的能量傳遞的方法是，極化共價鍵上的電子對。
14.
徐弘毅：隔壁的質子們「自旋-自旋 耦合」的能量，經由分子的化學鍵，傳遞給目標氫原子們，這是什麼意思呢？
舉例來說，當我們對溴乙烷額外增加一個強力磁場，吸收到磁場能量的溴乙烷，裡面的氫原子核/質子，會用轉動的方式消化吸收到的新能量；
因為氫原子核/質子帶正電，而周遭又包圍負電荷，因此氫原子的轉動就像馬達轉動發電一樣，會發出電磁輻射，形成一個磁場。
以溴乙烷為例，它有二組氫原子群，甲基的氫原子群CH3，和亞甲基的氫原子群CH2，這二群氫原子形成二種磁場，這二種磁場彼此十分靠近、互相影響。
所以甲基的氫原子群CH3的質子自旋產生的磁場訊號，受到亞甲基的影響而出現分裂波，同樣地，亞甲基CH2的氫原子群的質子自旋產生的磁場訊號，受到甲基的影響而出現分裂波。（完）
15.
當連接在碳上的1個氫原子，其質子開始「往某一個方向↑」轉動，它會造成「碳－氫」化學鍵上的電子對，變得比較無法成對，往「相反方向↓」轉動的電子會花比較多的時間靠近這顆轉動氫原子，往「相同方向↓」轉動的電子會花比較多的時間在碳原子附近逗留。（這一段是在解釋化學鍵如何極化）
16.
徐弘毅注：作者的解釋是將電子或質子這種能量看成是能量流。
如果氫原子核/質子的能量流是順時針自旋轉動，周圍的電子能量流就應該是逆時針自旋轉動，這樣剛好達到平衡；
同樣地，如果質子周圍的電子流是逆時針自旋轉動，那麼在它附近的其他電子流應該是順時針自旋轉動，因此與質子連接的「碳」的周圍電子流應該是順時針自旋轉動。
我認為也可以用另一種角度解釋，鍵結的碳、氫原子吸收外界磁場後，因為彼此的質量體積不同，而有不同的自旋速度，產生的磁場也不同，因此原本在二原子中間的價電子，受到磁場的影響而改變了位置，造成化學鍵的極化現象。
當二組不同大小的氫原子群，吸收外在磁場能量而自旋時，某一組氫原子群的磁場強度高於另一組，就會使得化學鍵上的電子，偏向吸引力較強的區域移動，這是造成化學鍵極化的原因。（完）
17.
質子的自旋極化了化學鍵，被極化的化學鍵又繼續將這股力量傳遞給鄰近的化學鍵，離自旋質子愈遠的化學鍵，極化的特性愈弱。
18.
質子「自旋-自旋 耦合 spin-spin coupling」力量，穿越的化學鍵數量愈多，力量愈弱。一般而言，氫原子核的「自旋-自旋 耦合spin-spin
coupling」力量傳遞距離不會超過3個σ鍵。
19.
舉例來說，2-丁酮 2-butanone，a組和b組的氫原子彼此的距離只有間隔3個σ鍵，因此a組氫原子核/質子的「自旋-自旋 耦合spin-spin
coupling」會將b組氫原子的核磁共振訊號波分裂成好幾個波峰，同樣地，b組氫原子核/質子的「自旋-自旋 耦合spin-spin
coupling」會將a組氫原子的核磁共振訊號波分裂成好幾個波峰。
20.
可是，c組氫原子的核磁共振訊號波，則不會被任何其他氫原子的「自旋-自旋 耦合spin-spin
coupling」力量所分裂，只有一個波峰，這是因為c組氫原子與其他氫原子之間相隔超過3個σ鍵。
21.
特別留意，「自旋-自旋 耦合spin-spin
coupling」力量的影響力，不會出現在分子環境相同/磁場相同的質子身上。意思是，磁場相同的質子不會分裂對方的核磁共振訊號波。
22.
核磁共振光譜技術NMR spectroscopy在分析分子結構與功能方面舉足輕重。舉例來說，NMR核磁共振光譜技術已經進步到可以判斷蛋白質分子的三度空間結構。
23.
核磁共振光譜技術可以判斷蛋白質分子結構的其中一個原因是，「碳十三
13C」和「磷三十一31P」的原子核跟質子1H一樣會回應外界磁場的力量而自旋；因此可以得到「碳十三
13C」和「磷三十一31P」的核磁共振光譜，得到更多結構方面的訊息。
24.
核磁共振技術另一個重要的應用是核磁共振造影掃描器（MRI），這是廣為使用的醫療工具。進行核磁共振攝影時，病人被放入一個強磁場中，身體各種組織內含有的水分的質子，回應外界磁場自旋釋放的訊號，轉化成可供研究的攝影圖像。
25.
這種提供身體各部分的攝影圖像的技術，敏銳而沒有傷害性，為醫療帶來劃時代的革命。因此，發明這項技術的美國伊利諾大學Paul Lauterbur和英國諾丁漢大學Peter
Mansfield，在2003年獲得諾貝爾醫學獎。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
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