Спин-спиново взаимодействие

Ако разгледаме тази молекула, можем да очакваме три сигнала в ЯМР спектъра. Този протон има химично отместване 7,25 милионни части. Този протон е в малко по-различно обкръжение, затова има малко по-различно химично отместване, което е 6,7. Тези три протона са еквивалентни и затова дават само един сигнал с химическо отместване 3,9 чнм. Въз основа на това, което научихме досега, можем да очакваме горния ЯМР спектър. Тези три протона дават сигнал с изместване 3,9. Това ще бъде този сигнал ето тук. Ще направя следващия протон червен. Този протон тук в червено има изместване 6,7, така че очакваме този сигнал. Накрая последният протон тук ще направя син. Той е тук при 7,25. Това е очакваният ЯМР спектър въз основа на наученото досега, но се оказва, че това не е действителният ЯМР спектър. Истинският ЯМР спектър е този тук отдолу. Виждаме този сигнал с един връх за протоните в зелено. Но ако разгледаме сигнала за червения протон, тук отгоре имаме един сигнал с един връх. В долната версия обаче този сигнал е разделен на два върха. Ще оцветя този. Тук има един връх и още един връх. Сигналът е разделен на два върха. Съвсем същото нещо се случва и с протона в синьо. Имаме един сигнал с един връх в горната версия и тук долу сигналът за протона в синьо е разцепен с два върха. Наричаме това спин-спиново взаимодействие. Сега да разгледаме по-подробно какво се случва с червения и синия протон. Ще слеза надолу, за да имам повече място. Сега ще начертая спектъра без взаимодействие между протоните В първата версия на спектъра, която разгледахме, очаквахме един сигнал с връх при 6,7 чнм. Това беше протонът в червено. После очаквахме един сигнал с един връх при 7,25 чнм за протона в синьо. Така че горе е тази версия на спектъра, в която няма взаимодействие между двата протона. Но в действителността има взаимодействие между протоните, защото, спомни си – този червен протон има магнитен момент, който може да е нагоре или надолу. Той може да е по посока на външното магнитно поле или може да е срещу външното магнитно поле. Червеният протон има магнитен момент, или магнитно поле, което се увеличава или отслабва. Сега да видим пример, в който магнитното поле на червения протон е по посока на външното магнитно поле. Имаме нашия червен протон и нека неговият магнитен момент да е по посока на външното магнитно поле. Ще скицирам тук това външно магнитно поле. Наричаме това В нулево. Тези два вектора имат еднаква посока. Магнитното поле на червения протон се сумира с външното магнитно поле, затова ще начертая тук един по-голям вектор, защото ефективното магнитно поле, което въздейства на синия протон се увеличава. Ефективното магнитно поле е по-голямо от приложеното магнитно поле, защото магнитното поле на червения протон се наслагва с него. И така протонът в синьо е изложен на по-голямо ефективно магнитно поле. Спомни си какво означава това, енергийната разлика между алфа и бета спиновите състояния. Когато увеличим магнитното поле, увеличаваме енергийната разлика между алфа и бета спиновите състояния. Следователно получаваме по-високочестотен сигнал и очакваме по-голямо химично отместване. Това увеличава химичното отместване, химичното отместване на синия протон. Можем да поставим синия протон при по-високо от очакваното химично отместване. . Сега да направим същото нещо, само че сега ще разгледаме случая, когато магнитното поле на червения протон е обратно на приложеното магнитно поле. Това е ситуацията, в която магнитното поле на червения протон сочи надолу. Това е обратно на посоката на приложеното магнитно поле. Тук чертая приложеното магнитно поле. Магнитното поле на червения протон ще намали част от външното магнитно поле и протонът в синьо ще е изложен на по-малко ефективно магнитно поле. Тук малко преувеличавам, за да се вижда по-добре. Но протонът в синьо е изложен на по-малко ефективно магнитно поле, което намалява енергийната разлика между алфа и бета спиновите състояния. Следователно се получава по-нискочестотен сигнал и има по-ниска стойност от очакваното за химичното отместване. Значи имаме по-малко химично отместване за този протон в синьо. Тук ще поставя сигнала за синия протон при по-ниска стойност на химично отместване. Крайният резултат е, че сигналът за синия протон е разцепен на две. Сигналът за синия протон е разцепен на две, защото имаме две различни магнитни полета на червения протон. Синият протон също има магнитно поле, което сочи надолу или нагоре, така че синият протон разцепва сигнала на червения протон по същия начин. Сега можем да покажем как сигналът на червения протон се разцепва по същия начин. Това тук долу е спектърът, в който и двата протона си взаимодействат. Наричаме това спин-спиново взаимодействие. И накрая виждаме разцепване на сигнала в два различни върха, което се нарича дублет. Ще се върна отново тук и да разгледаме отново протоните. Сигналът на червения протон е разцепен в два върха. Сигналът е разцепен в два върха, както видяхме преди малко. За протона в синьо сигналът също е разцепен на два върха, както видяхме по-рано ето тук. Това представлява спин-спиновото взаимодействие. Сега да разгледаме друг пример, който е мъничко по-сложен, но демонстрира същата идея. Да разгледаме тази молекула. Този протон има химическо отместване 5,77 части на милион. Протоните в червено са еквивалентни и можем да очакваме сигнал при 3,95 милионни части. Очакваме сигнал за тези два протона при 3,95. Това представлява два протона тук и очакваме сигнал за един протон при 5,77. Този сигнал не е така интензивен, защото представлява само един протон. Ако червените и сините протони не взаимодействат помежду си, можем да очакваме това в ЯМР спектъра, обаче те взаимодействат помежду си. Затова трябва да разгледаме магнитните моменти на двата червени протона. Можем да приемем, че първият червен протон има магнитен момент, който сочи нагоре, а вторият червен протон има магнитен момент надолу. Това е една възможна комбинация от магнитните моменти. Друга възможна комбинация може да е този червен протон да има магнитно поле, което сочи нагоре, а вторият червен протон да има магнитно поле, насочено надолу. Или първият протон да сочи надолу, а вторият да сочи нагоре. Това са две възможни спинови комбинации. Последната възможна спинова комбинация е когато магнитният момент на първия протон е надолу, и на втория протон е надолу. Това са възможните комбинации от магнитните моменти или магнитните полета на двата протона в червено. Сега да разгледаме първата възможна комбинация. Да си представим, че тези два протона имат магнитни моменти нагоре. Нека приложеното магнитно поле, външното магнитно поле, да е насочено в същата посока. Когато разглеждаме магнитното поле, на което е изложен протона в синьо, трябва да прибавим магнитните полета на протоните в червено. Така ефективното магнитно поле се увеличава, то е по-високо от приложеното магнитно поле. Увеличава се магнитното поле, което въздейства върху синия протон. Следователно се увеличава енергийната разлика между алфа и бета спиновите състояния, което увеличава честотата и получаваме по-голямо химично отместване. Получаваме по-голяма стойност за химичното отместване. Можем да разглеждаме химичното отместване като по-голямо. Ще го начертая по този начин. Значи след 5,77. Сега да видим следващите две възможни комбинации. Тази тук и тази тук. Имаме покачване на магнитния момент на първия протон, намаляване на магнитния момент на втория протон, значи надолу за първия и нагоре за втория. Какъв ефект имат тези магнитни полета върху ефективното магнитно поле, което въздейства на протона в синьо? Да видим първата комбинация. Ето тази тук. Имаме едно магнитно поле нагоре, едно магнитно поле надолу и се съкращават. Същото става и при тази комбинация, едно нагоре, едно надолу. Магнитните полета се унищожават. Така ефективното магнитно поле, на което е изложен синият протон, е равно на външното магнитно поле, защото магнитните полета на протоните се компенсират взаимно. Затова можем да очакваме сигнал в правилното, очакваното химично отместване. Ще очакваме сигнал в правилното отместване от 5,77 И този сигнал всъщност е по-интензивен от този сигнал поради вероятността. Има по-голяма вероятност да се случи една от тези комбинации на магнитни полета, отколкото да имаме тази комбинация. Вероятността е два пъти по-голяма и имаме двойно по-интензивен сигнал в правилното химично отместване. И накрая да видим последната комбинация. Двете магнитни полета са надолу. Двете магнитни полета на протоните в червено са надолу, а приложеното магнитно поле сочи нагоре. Ефективното магнитно поле, което въздейства на протона в синьо е по-малко. Значи имаме по-малка стойност на ефективното магнитно поле. Понижихме магнитното поле, което въздейства на синия протон. Намалява енергийната разлика, намалява честотата, намалява химичното отместване, нали? Ще очакваме по-малко химично отместване. Сега ще поставя по-малко химично отместване, ето така. Да разгледаме сигнала тук горе. Очакваме един сигнал за протона в синьо, но този сигнал е изложен на въздействието на магнитните полета на различните протони в червено. Възможните комбинации на магнитните моменти на червените протони въздействат на протона в синьо и получаваме три върха. Имаме един връх при по-голямо химично отместване, един пик с двоен интензитет при очакваното химично отместване, и един пик при по-ниско химично отместване. И когато погледнем ЯМР спектъра, виждаме този сигнал за синия протон. Сигналът е разцепен на три върха: един, два, три. Това се нарича триплет. Това е триплет. А протоните в червено? Протоните в червено са изложени на магнитното поле на протона в синьо. Магнитното поле на протона в синьо може да е по посока на външното магнитно поле или срещу външното магнитно поле. Това е като предишния пример. Две възможни магнитни полета от протона в синьо, затова сигналът за протона в червено се разцепва на две. Получаваме сигнал за протоните в червено, който е разцепен на две. Искам да го направя тук. Сигналът е разцепен на два върха. Сигналът за протоните в червено е разделен на два върха и ние наричаме това дублет. Повече за спин-спиновото разцепване ще видим в следващото видео.