双语化学辞典Chem Lexicon
研究生Graduate 分子光谱与结构测定 Molecular spectroscopy & structure determination

卡普拉斯方程Karplus equation

\[{}^3J(\phi) = A\cos^2\phi + B\cos\phi + C\]

含义Meaning

邻位(三键)H–H 偶合常数随 H–C–C–H 二面角 φ 变化:φ ≈ 0° 和 180° 时大,约 90° 时接近零。用于由偶合常数推断构象和相对构型。

The vicinal H–H coupling varies with the H–C–C–H dihedral angle: large near 0° and 180°, near zero at 90°. Used to infer conformation and relative configuration.

符号说明Symbols

符号Symbol含义 Meaning单位 Unit
\(\phi\)H–C–C–H 二面角H–C–C–H dihedral angle°
\(A, B, C\)经验参数(一组常用值:A = 7.76,B = −1.10,C = 1.40 Hz)empirical parameters (a common set: 7.76, −1.10, 1.40 Hz)Hz

推导Derivation

  1. 卡普拉斯(1959)用价键理论计算 C–H 键轨道经 C–C 键传递的自旋极化,发现耦合强度依赖两个 C–H 轨道的重叠,近似为 \(\cos^2\phi\)。

    Karplus (1959) computed, with valence-bond theory, how spin polarisation passes through the C–C bond; the coupling depends on C–H orbital overlap ~\(\cos^2\phi\).

  2. 加入 \(\cos\phi\) 项与常数项拟合实验数据,使 180° 时略大于 0°。

    A \(\cos\phi\) term and constant fit experiment, making 180° slightly larger than 0°.

  3. 环己烷:ax–ax(φ ≈ 180°)J ≈ 10–13 Hz;ax–eq、eq–eq(φ ≈ 60°)J ≈ 2–5 Hz。

    Cyclohexane: ax–ax ≈ 10–13 Hz, ax–eq/eq–eq ≈ 2–5 Hz.

适用条件与局限Assumptions & limitations

  • 参数随取代基电负性、键长、键角变化(Altona 等的推广式);同一 J 可对应两个 φ。

    Parameters change with substituent electronegativity and geometry (Haasnoot–Altona); one J can correspond to two angles.