Hur man beräknar J-kopplingskonstanter

Organiska kemister använder en teknik som kallas kärnmagnetisk resonansspektroskopi, eller kort sagt NMR, för att analysera organiska molekyler baserade på väte och kol. Testresultaten i ett bedrägligt enkelt diagram visar en topp för varje atom i molekylen. Att definiera förhållandet mellan dem - J-kopplingskonstanten - gör det möjligt för forskare att bestämma provets smink.

NMR-grafen mäter placeringen av varje jon genom hur den resonerar inom spektroskopets magnetfält. Resonansen visas som en serie toppar. Varje topp i diagrammet motsvarar ett element i molekylen, så en molekyl som innehåller en kolatom och tre väteatomer visar fyra toppar. Varje gruppering av toppar kallas generellt en multiplett, men de har också specifika namn som bestäms av antalet toppar. De med två toppar kallas dubbletter, de med tre toppar är tripletter och så vidare. Vissa är knepigare: Fyra toppar kan antingen vara en fyrdubbel eller så kan det vara en dubblett av dubbletter. Skillnaden är att alla toppar i en fyrdubbel har samma avstånd, medan en dubblett av dubbletter skulle visa två par toppar med ett annat avstånd mellan andra och tredje toppar. Detsamma gäller fyrfaldar och andra multipletter: Topparna inom en given multiplett har samma relativa avstånd. Om avståndet varierar mellan dem har du en gruppering av mindre multipletter snarare än en stor.

Toppar mäts i delar per miljon, vilket - i detta sammanhang - betyder miljondelar av spektrografens funktion frekvens, men J-konstanter uttrycks i hertz, så du måste konvertera topparna innan du bestämmer värdet på J. För att göra detta multiplicerar du ppm med spektrografens frekvens i hertz och delar sedan med en miljon. Om ditt värde till exempel var 1,262 ppm och din spektrograf arbetade vid 400 MHz eller 400 miljoner hertz, ger detta ett värde på 504,84 för den första toppen.

Upprepa beräkningen för varje topp i multipletten och skriv ner motsvarande värden. Det finns online-miniräknare för att påskynda processen, eller så kan du använda ett kalkylblad eller en fysisk räknare om du föredrar det. För att beräkna J för en dubblett, helt enkelt subtrahera det lägre värdet från det högre. Om exempelvis den andra toppen resulterar i ett värde av 502,68, skulle värdet för J vara 2,02 Hz. Topparna inom en triplett eller fyrdubbel har alla samma avstånd, så du behöver bara beräkna detta värde en gång.

I mer komplexa multipletter, till exempel en dubblett av dubbletter, måste du beräkna en liten kopplingskonstant inom varje par av toppar och en större mellan topparna. Det finns ett par sätt att nå den större konstanten, men det enklaste är att subtrahera den tredje toppen från den första och den fjärde toppen från den andra. Spektrografen har vanligtvis en felmarginal som är ungefär plus eller minus 0,1 Hz, så oroa dig inte om siffrorna varierar något. Genomsnitt de två för att komma till den större konstanten för detta specifika exempel.

I ett duplex av tripletter gäller samma resonemang. Den mindre konstanten bland de tre topparna är identisk, inom spektrografens felmarginal, så att du kan beräkna J genom att välja vilken topp som helst i den första tripletten och subtrahera värdet för motsvarande topp i den andra triplett. Med andra ord kan du subtrahera värdet för topp 4 från värdet för topp 1, eller värdet för topp 5 från värdet för topp 2, för att nå den större konstanten. Upprepa efter behov för större multipletter tills du har beräknat J för varje uppsättning toppar.