Bài giảng Các phương pháp phổ nghiệm xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ - Lê Hoàng Duy

đến cấu tạo, nối đôi liên hợp và vòng thơm. 3.1. Các mức năng lượng điện tử (electron) và sự chuyển mức năng lượng Trong điều kiện bình thường, các phân tử tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi phân tử nhận năng lượng như hấp thụ bức xạ điện từ thì phân tử có thể chuyển sang mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích. Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ của phân tử gây nên các bước chuyển năng lượng điện tử, năng lượng dao động và năng lượng quay của phân tử là nguồn gốc của các loại phổ hấp thụ phân tử. Trong trường hợp phổ UV-VIS, các bước chuyển năng lượng gây ra do phân tử hấp thụ bức xạ điện từ trong vùng UV-VIS (190–800 nm) tạo ra sự thay đổi các mức năng lượng điện tử trong phân tử. Đối với hầu hết các phân tử, năng lượng thấp nhất của điện tử nằm trong các orbitan σ (tương ứng liên kết σ). Các orbitan π (tương ứng liên kết π) nằm ở mức năng lượng cao hơn, tiếp đến là các điện tử tự do không liên kết (n). Những orbitan phản liên kết (π* và σ*) là những orbitan có năng lượng cao nhất (Hình 3.1a). Hình 3.1. Các mức năng lượng và mức chuyển khi hấp thụ bức xạ điện từ Khi hấp thụ bức xạ điện từ, các điện tử nằm ở obitan liên kết σ nhảy lên obitan phản liên kết σ* có mức năng lượng cao nhất, ứng với bước sóng 120–150 nm, nằm ở vùng tử ngoại xa. Các điện tử π và các điện tử p (cặp điện tử tự do) nhảy Mức năng lượng 26 lên obitan phản liên kết π* có mức năng lượng lớn hơn, ứng với bước sóng nằm trong vùng tử ngoại 190–400 nm hay vùng khả kiến 400–800 nm tùy theo mạch liên hợp của phân tử (Hình 3.1b). 3.2. Các kiểu chuyển mức điện tử (electron) Khi các nguyên tử tham gia tạo thành phân tử thì các điện tử ở vành ngoài sẽ tạo thành các orbitan có các mức năng lượng khác nhau. Trong điều kiện thường, các phân tử ở mức năng lượng thấp, ứng với các điện tử ở mức năng lượng thấp nhất. Khi các phân tử nhận năng lượng, chúng có thể chuyển lên các mức năng lượng cao ứng với các điện tử ở các mức năng lượng cao hơn, khi đó trong phân tử xảy ra bước chuyển điện tử. Các bước chuyển thông thường bao gồm: σ → σ*, π → π*, n → σ*, n → π*. Điều kiện để xảy ra các bước chuyển là tần số ν của bức xạ điện từ phải thỏa mãn hệ thức ∆E = hν; Trong đó, ∆E: biến thiên năng lượng của bước chuyển. Bước chuyển dời năng lượng λ (nm) Năng lượng kích thích (E, kcal/mol) σ → σ* 120 230 π → π* 160 184 n → σ* 180 162 n → π* 280 82 Trong phổ điện tử có các bước nhảy điện tử từ quỹ đạo có mức năng lượng thấp sang quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn. Vị trí của các đỉnh hấp thụ hấp thu λmax và cường độ hấp thụ εmax tương ứng với các bước nhảy này có một số tính chất đặc trưng riêng do đó người ta phân chúng thành từng loại gọi là các dải hấp thụ như dải R, dải K, dải B và dải E. - Dải R (Radical): tương ứng với bước nhảy điện tử n → π*. Nó xuất hiện ở các hợp chất có chứa các dị tố với cặp electron tự do như O, N, S, và liên kết π trong phân tử. Đặc trưng của dải R là độ hấp thụ phân tử thấp, εmax thường nhỏ hơn 100. - Dải K (Konjugierte, Conjugated): xuất hiện quang phổ của các phân tử có hệ thống liên hợp π → π* như butadien hay mesityl oxit. Nó cũng xuất hiện trong các phân tử của hợp chất vòng thơm có liên hợp với các nhóm thế chứa liên kết π như styren, benzađehit hay axetophenon. Dải K tương ứng với bước nhảy electron π → π* và đặc trưng bởi độ hấp thụ cao, εmax > 10.000. 27 - Dải B (Benzoic): đặc trưng cho quang phổ của phân tử hợp chất vòng thơm và dị vòng. Benzen có dải hấp thụ rộng chứa nhiều đỉnh, ở vùng tử ngoại gần giữa 230 và 270 nm (ε ~ 230). Khi có nhóm mang màu nối với nhân thơm, dải B quan sát được ở vùng sóng dài hơn dải K nhưng dải K có cường độ hấp thụ cao hơn. - Dải E (Ethylenic): giống dải B là đặc trưng của cấu trúc vòng thơm. Nguồn gốc của nó là do bước chuyển electron ở hệ benzenoit của ba liên kết etilen trong hệ thống liên hợp vòng kín. Dải E1 và E2 của benzen tìm thấy gần 180 nm và 200 nm. Độ hấp thụ phân tử của dải E thay đổi trong khoảng từ 2.000 đến 14.000. Ví dụ các dải phổ UV-VIS của hợp chất axetophenon 3.3. Đặc trưng về phổ tử ngoại-khả kiến của các hợp chất hữu cơ 3.3.1. Phổ đồ Phổ UV-VIS thường được ghi nhận dựa vào hai đại lượng đặc trưng là cực đại hấp thu λmax và cường độ hấp thu εmax như hình 3.2. Hình 3.2. Phổ UV-VIS của hợp chất axit benzoic (dung môi xiclohexan) λmax (nm) ε log10(ε) Bước chuyển điện tử Dải hấp thụ 244 280 317 12.600 1.600 60 4,1 3,2 1,8 π → π* π → π* n → π* K B R CH3 O 28 3.3.2. Hệ liên hợp Trong các hợp chất hữu cơ chỉ có nối đơn mà không có các nguyên tử có các điện tử không liên kết (ví dụ các hiđrocacbon no), trong phân tử chỉ có liên kết σ, nên khi hấp thụ bức xạ điện từ chỉ có bước chuyển σ → σ*, bước chuyển này chỉ có ở các đám phổ ở vùng tử ngoại xa. Phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại gần hoặc nhìn thấy thường liên quan đến bước chuyển n → π* hoặc π → π*. Do đó, phổ UV-VIS gắn liền với nhóm chức không no hay các nguyên tử có các điện tử không liên kết. Các hợp chất hữu cơ chứa nhiều nhóm không no hay các điện tử không liên kết ở cạnh nhau (cách nhau không quá một nối đơn) gọi là các hệ liên hợp. Thực tế các hệ liên hợp ảnh hưởng lên nhau và cho các phổ hấp thụ có bước sóng λmax lớn hơn nhiều so với khi chúng đứng riêng biệt. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng liên hợp của các nhóm không no. 3.3.3. Các hệ liên hợp quan trọng a) Dien và polien Anken λmax (nm) ε log10(ε) CH2=CH2 CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3 (trans) CH2=CH-CH=CH2 CH3-CH=CH-CH=CH2 (trans) CH2=CH-CH=CH-CH=CH2 (trans) CH3-(CH=CH)5-CH3 (trans) 165 184 217 224 263 341 10.000 10.000 20.000 23.000 53.000 126.000 4,0 4,0 4,3 4,4 4,7 5,1 b) Hợp chất cacbonyl Hầu hết các dẫn xuất cacbonyl hấp thụ yếu (ε < 100) các bước sóng từ 250– 350 nm. Tuy nhiên các dẫn xuất cacbonyl liên hợp luôn hấp thụ mạnh. Hợp chất Cấu trúc λmax (nm) ε log10(ε) Axetandehit CH3-CH=O 293 12 1,1 Axeton CH3-CO-CH3 279 15 1,2 Propenal CH2=CH-CH=O 207 328 12.000 20 4,1 1,3 (E)-Pent-3-en-2-on CH3-CH=CH-CO-CH3 221 312 12.000 40 4,1 1,6 29 4-Metylpent-3-en-2-on CH3-C(CH3)=CH-CO-CH3 238 316 12.000 60 4,1 1,8 Xiclohex-2-en-1-on 225 7.950 3,9 Benzoquinon 247 292 363 12.600 1.000 250 4,1 3,0 2,4 c) Hợp chất thơm Các hợp chất thơm hấp thụ cường độ từ trung bình đến mạnh bức xạ điện từ trong vùng UV-VIS. Hợp chất Cấu trúc λmax (nm) ε log10(ε) Benzen 184 204 256 66.000 7.900 200 4,8 3,9 2,3 Toluen 208 261 8.000 300 3,9 2,5 Clorobenzen 216 265 8.000 240 3,9 2,4 Anisol 220 272 8.000 1.500 3,9 3,2 Stiren 244 282 12.000 450 4,1 2,7 Nitrobenzen 251 280 330 9.000 1.000 130 4,0 3,0 2,1 Anilin 230 281 8.000 1.500 3,9 3,2 3.3.4. Phân giải phổ UV-VIS Dựa vào cực đại hấp thu λmax ghi nhận trong phổ UV-VIS có thể biết được các loại liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ. 30 + λmax < 150 nm: chỉ có loại liên kết σ của hợp chất no. + λmax > 150 nm: có liên kết π. + λmax ~ 200–260 nm: có thể có vòng benzen và dẫn xuất. + λmax > 280 nm: có hệ liên hợp. λmax càng lớn thì hệ liên hợp càng dài. Câu hỏi và bài tập 1) Phổ UV-VIS có được dựa trên hiện tượng gì? 2) Trong các hợp chất hữu cơ khi hấp thụ bức xạ UV-VIS thường có các kiểu chuyển mức năng lượng nào? 3) Vì sao trong phổ UV-VIS cực đại hấp thu của các ankan λmax < 150 nm nhưng của các hợp chất cabonyl lại có λmax > 150 nm? 4) Xác định công thức cấu tạo của các chất sau: a) Axit có công thức phân tử C7H4O2Cl2 có pic hấp thụ UV-VIS tại 242 nm. b) Xeton có công thức phân tử C8H14O có pic hấp thụ UV-VIS tại 248 nm. c) Anđehit có công thức phân tử C8H12O có mũi hấp thụ UV-VIS tại 244 nm. 5) Dự đoán phổ UV-VIS của các hợp chất sau: 31 Chương 4. PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) Phổ khối lượng hay còn gọi là khối phổ (Mass Spectroscopy, MS) là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó. Hợp chất cần nghiên cứu đầu tiên được chuyển thành trạng thái hơi, sau đó được ion hóa bằng các phương pháp thích hợp. Các ion tạo thành được đưa vào nghiên cứu trong bộ phận phân tích của máy khối phổ. Tùy theo loại điện tích của ion đem nghiên cứu mà người ta phân biệt máy khối phổ ion dương hoặc ion âm. Loại máy khối phổ làm việc với ion dương cho nhiều thông tin hơn nên được dùng phổ biến hơn. Đối với các hợp chất hữu cơ, khối phổ thường được dùng trong quá trình đồng nhất chất hoặc phân tích cấu trúc. Các phương pháp phổ hồng ngoại và phổ tử ngoại, phân tử chất nghiên cứu được giữ nguyên sau khi phân tích, còn phương pháp phổ khối lượng, các phân tử chất nghiên cứu bị “phá hủy” để phân tích. Do vậy, máy khối phổ được chế tạo để thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản là: chuyển chất nghiên cứu thành thể khí (làm bay hơi mẫu nghiên cứu ở áp suất thấp và ở nhiệt độ thích hợp); ion hóa các phân tử khí đó; phân tách các ion đó rồi ghi lại tín hiệu theo tỉ số khối lượng/điện tích (m/ze) của chúng. Vì xác suất tạo thành các ion có z >1 là rất nhỏ và vì e = const (e là điện tích của một electron) do đó thông thường m/ze chính là khối lượng của ion. Như thế máy khối phổ là một thiết bị tạo ra các ion và xác định khối lượng của chúng (phân tích các ion). Hình 4.1. Sơ đồ khối của máy khối phổ 4.1. Quá trình ion hóa Quá trình ion hóa là quá trình bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tử mang điện tích dương bằng các phần tử mang năng lượng cao: X + e → X•+ + 2e Ion phân tử Sự bắn phá này sẽ làm tách một điện tử ra khỏi phân tử khảo sát làm cho phân tử biến thành ion dương, được gọi là ion phân tử. Ion phân tử là ion dương và cũng là gốc tự do vì nó chứa số lẻ điện tử, nên ion phân tử còn gọi là cation gốc hay ion gốc. Có nhiều phương pháp ion hóa khác nhau. Dưới đây là một số phương pháp ion hóa thường dùng. Mẫu nghiên cứu Ion hóa phân tử Phân tách ion Bộ phận ghi nhận 32 4.1.1. Phương pháp ion hóa bằng va chạm điện tử (Electron Impact, EI) Đây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất. Mẫu phân tử cần phân tích ở trạng thái hơi sẽ bị các điện tử có năng lượng cao (thường 70 eV) phát ra từ catot trog buồng ion hóa bắn phá làm mất điện tử tạo nên gốc ion phân tử. Các hợp chất hữu cơ thường bị ion hóa bởi nguồn năng lượng nhỏ hơn 15 eV, do vậy nguồn năng lượng do điện tử trong các buồng ion hóa tạo ra thường lớn hơn 50 eV sẽ làm gãy các liên kết hóa trị trong phân tử. Các liên kết bị bắn phá tạo ra nhiều mảnh ion có khối lượng nhỏ hơn ion phân tử. Dựa vào các mảnh ion này người ta cũng có thể dự đoán được cấu trúc của phân tử hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên phương pháp này là một phương pháp ion hóa mạnh, nhiều lúc phân tử bị bắn phá không còn xác định được ion phân tử (M+). 4.1.2. Phương pháp ion hóa hóa học (Chemical Ionization, CI) Phương pháp ion hóa hóa học có kỹ thuật gần giống phương pháp ion hóa bằng va chạm electron. Nguyên tắc của phương pháp này là đưa vào một chất khí khác ngoài chất cần nghiên cứu. Chất khí này sẽ bị ion hóa và các ion này sẽ tác động lên phân tử mẫu nghiên cứu tạo thành các ion phân tử: MH + C2H5 + → MH2 + + C2H4 MH + C2H5 + → M+ + C2H6 Chất khí thường được sử dụng là metan. Các ion thường được sinh ra bởi một lượng lớn khí metan được sử dụng trong nguồn tạo ra va chạm điện tử. Sự va chạm điện tử sinh ra CH4 + và CH3 +, các ion này tiếp tục phản ứng với metan tạo thành CH5 + và C2H5 +: CH4 + + CH4 → CH5 + + CH3 CH3 + + CH4 → C2H5 + + H2 Với phương pháp ion hóa hóa học, khối phổ thu được có số lượng các ion ít hơn và cường độ các ion cao hơn nên dễ xác định được khối lượng phân tử của mẫu. 4.1.3. Phương pháp ion hóa phun điện (ElectroSpray Ionization, ESI) Đây cũng là một phương pháp ion hóa khá phổ biến được ứng dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, phân cực, có khối lượng phân tử lớn. Phương pháp này có khả năng tạo thành những ion đa điện tích và được xem là kỹ thuật ion hóa êm dịu. Trong phương pháp ion hóa phun điện, dung dịch mẫu được phun thành những hạt nhỏ vào một buồng chân không dưới một điện trường mạnh. Các giọt dung dịch bị tích điện và bay hơi dung môi sẽ vỡ giọt thành các hạt nhỏ hơn và cuối cùng thành các ion. Các ion (dương hay âm) cần được phân tích sẽ được đẩy vào bộ phận phân tích khối. Các phân tử bị bắn phá nhẹ nhàng hơn tạo ra ít phân mảnh và có cường độ lớn hơn. 33 Ngoài các phương pháp ion hóa trên, các phương pháp ion hóa nhẹ nhàng khác như ion hóa hóa học ở áp suất thường (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI), ion hóa phun nhiệt (ThermoSpray ionization, TS hay TSP) cũng thường được sử dụng. Các chất dễ bị phân hủy nhiệt, khó hay không bay hơi cũng có thể áp dụng tốt bởi các phương pháp ion hóa này. Ngoài ra còn có nhiều phương pháp ion hóa khác sử dụng cho các đại phân tử. Ví dụ, phương pháp bắn phá nhanh bằng nguyên tử (Fast Atom Bombardment, FAB), giải hấp trường (Field Desorption, FD), giải hấp laser (Laser Desorption, LD) và một trong những phương pháp đang được sử dụng nhiều là giải hấp laser hỗ trợ bởi chất nền (Matrix – Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI). 4.2. Phổ đồ. Nhận diện mũi ion phân tử trên khối phổ đồ 4.2.1. Khối phổ đồ Khối phổ là một biểu đồ phản ánh số lượng các ion với các khối lượng khác nhau đã được ghi nhận sau khi đi qua bộ phân tách ion. Khối phổ đồ gồm trục x miêu tả khối lượng của ion (m/z) thể hiện trên phổ dưới dạng một tín hiệu gọi là vạch phổ hay một pic (peak). Vị trí của vạch phổ cho biết số khối của ion tương ứng. Cường độ của pic thể hiện trên trục y miêu tả hàm lượng của ion đó. Pic có cường độ cao nhất gọi là pic cơ sở (base peak), người ta quy ước xem cường độ của pic cơ sở là 1 hay 100%, các pic còn lại định tính ra phần trăm của pic cơ sở. Ví dụ như hình 4.2. Hình 4.2. Khối phổ của hợp chất benzamit (EI-MS) 34 4.2.2. Nhận diện mũi ion phân tử trên khối phổ đồ Trong phân tích khổ phối, việc xác định chính xác một ion (M+ hay các phân mảnh) rất quan trọng cho việc xác định chất được phân tích. Một hợp chất xác định, trong những điều kiện xác định sẽ cho các ion xác định trên phổ khối. Tuy nhiên, một ion có số khối xác định trên phổ khối lại có thể xuất phát từ nhiều chất khác nhau. Thường rất khó nhận diện ra được mũi ion phân tử trên khối phổ đồ vì hai trường hợp sau: + Mũi ion phân tử không xuất hiện hoặc xuất hiện nhưng rất yếu. + Mũi ion phân tử có hiện diện nhưng nó là một trong nhiều mũi mà một số mũi đó có cường độ tương đối cao. Để nhận diện mũi ion phân tử trên khối phổ đồ, cần áp dụng quy tắc nitrogen: Một phân tử với khối lượng phân tử là một con số chẵn, thì phân tử đó phải: hoặc là không chứa nguyên tử nitrogen hoặc có chứa một số chẵn các nguyên tử nitrogen. Một mảnh ion có m/z là số lẻ, thì mảnh đó phải chứa số lẻ nguyên tử nitrogen. Cường độ mũi ion phân tử tùy thuộc vào độ bền của ion phân tử. Các loại hợp chất được sắp xếp theo thứ tự độ bền giảm dần như sau: hợp chất thơm > anken liên hợp > hợp chất vòng > hợp chất sunfua hữu cơ > các ankan dây ngắn. Các mũi ion phân tử rõ ràng, dễ nhận thấy thường xuất phát từ các hợp chất sau: xeton > amin > este > ete > axit cacboxylic ≈ anđehit ≈ amit ≈ halogenua. Các mũi ion phân tử của ancol, nitrit, nitrat, hợp chất nitro, nitril và hợp chất phân nhánh thường khó phát hiện. 4.3. Nguyên tắc phân mảnh Ion phân tử hình thành bởi phương pháp ion hóa va chạm điện tử (EI-MS) có năng lượng cao và có thể bị bắn phá thành nhiều mảnh khác nhau. Chúng ta không thể tìm hiểu tất cả quá trình phân mảnh của các ion, nhưng một vài nguyên tắc cần lưu ý: mỗi một phân tử có cách phân mảnh riêng và cần đặc biệt quan tâm đến các pic có hàm lượng lớn trong phổ đồ. 4.3.1. Phân mảnh bởi sự đứt gãy nối đơn Một kiểu phân mảnh quan trọng là sự đứt gãy đơn giản của các nối đơn. Với cation gốc tự do, sự đứt gãy xảy ra ít nhất theo hai cách, mỗi cách sinh ra một cation và một gốc tự do. Chỉ các cation mới được ghi nhận bằng máy khối phổ. Ví dụ sự phân mảnh của propan 35 Hình 4.3. Khối phổ của propan 4.3.2. Phân mảnh của ankan mạch dài và mạch nhánh Khối phổ của hexan (Hình 4.4) cho thấy sự hiện diện của ion phân tử tại m/z 86 cùng với các mảnh ion nhỏ hơn m/z 71 (M•+ -15), m/z 57 (M•+ -29), ... Hình 4.4. Khối phổ của hexan Khi mạch phân nhánh làm tăng khả năng đứt gãy các nối tại nhánh vì tạo ra các cacbocation bền. So sánh khối phổ của 2-metylbutan (Hình 4.5) với hexan (Hình 4.4), ta thấy pic tương ứng với M•+ -15 có cường độ mạnh hơn. Gốc metyl bị tách ra khỏi ion phân tử 2-metylbutan và tạo thành cacbocation bậc hai trong khi đối với hexan chỉ tạo ra cacbocation bậc một kém bền hơn. 29 44 15 36 Hình 4.5. Khối phổ của 2-metylbutan Đối với neopentan còn tạo ra cacbocation bậc ba bền hơn. Hình 4.6. Khối phổ của neopentan 4.3.4. Phân mảnh tạo thành các cation cộng hưởng Cacbocation ổn đinh nhờ cộng hưởng thường nổi bật trong khối phổ. Một số loại cộng hưởng phổ biến được đề cập sau đây. a) Các anken sau khi bị ion hóa thường tạo thành các mảnh cation allyl bền 37 b) Các nối cacbon-cacbon gần nguyên tử có cặp điện tử tự do Với Z: N, O hoặc S; R có thể là H c) Các nối cacbon-cacbon gần nhóm các nhóm cacbonyl của anđehit hoặc xeton d) Vòng benzen có nhóm thế ankyl khi bị ion hóa mất một điện tử π và tiếp tục mất một nguyên tử H hoặc nhóm metyl tạo thành ion tropylium tương đối bền. Ion này được ghi nhận tại pic m/z 91 và đôi khi là pic cơ sở. e) Vòng benzen có một nhóm thế khác ngoài ankyl cũng thường bị ion hóa mất một điện tử π và tiếp tục mất nhóm thế tạo thành cation phenyl với m/z 77. Với Y: Halogen, -NO2, -COR, R 4.3.5. Phân mảnh bởi sự đứt gãy hai nối Nhiều pic trong khối phổ có thể được tạo thành bởi phản ứng đứt gãy của hai nối hóa trị. 38 a) Các ancol thường cho pic ứng với M•+ -18, tương ứng với ion phân tử mất một phân tử nước. [R-CH2-CH2-OH] •+ → [R-CH=CH2] •+ + H2O M•+ M•+ - 18 b) Xicloanken đứt gãy theo phản ứng Retro-Diels-Alder tạo thành anken và ankadien cation. c) Hợp chất cacbonyl với nguyên tử H tại vị trí cacbon γ phân mảnh theo nguyên tắc chuyển vị McLafferty. Với Y: R, H, OR, OH, ... 4.4. Đồng vị trong khối phổ Các nguyên tố trong tự nhiên hầu hết tồn tại dưới dạng hỗn hợp của các đồng vị (Bảng 4.1). Hàm lượng của mỗi đồng vị thể hiện trên các pic trong khối phổ. Bảng 4.1. Một số loại đồng vị phổ biến trong tự nhiên Nguyên tố Đồng vị phổ biến nhất % % % Cacbon 12C 98.93 13C 1.07 Hiđro 1H 99.99 2H 0.011 Nitơ 14N 99.63 15N 0.368 Oxy 16O 99.76 17O 0.038 18O 0.205 Clo 35Cl 75.78 37Cl 24.22 Brom 79Br 50.69 81Br 49.31 Iot 127I 100 Đồng vị 13C và 12C Khoảng 1.1% của tất cả các nguyên tử cacbon là đồng vị 13C. Ví dụ trong khối phổ của metan có M=16 thì có một pic nhỏ tại m/z 17 cạnh pic có m/z 16. Khoảng 98.9% của phân tử metan chứa đồng vị 12C và 1.1% phần còn lại là đồng vị 13C (Hình 4.7). 39 Đồng vị 35Cl và 37Cl Trong tự nhiên hàm lượng của đồng vị 35Cl và 37Cl xấp xỉ là 3:1. Do vậy trong khối phổ của mẫu chất hữu cơ có chứa một nguyên tử clo sẽ xuất hiện hai pic ion phân tử hơn kém nhau 2 đơn vị và có cường độ tương ứng với tỷ lệ 3:1. Ví dụ khối phổ của hợp chất clobenzen có sự xuất hiện của 2 pic ion phân tử tại m/z 112 và 114 tương ứng với tỷ lệ 3:1 (Hình 4.8) Hình 4.8. Khối phổ của hợp chất clorobenzen Đồng vị 79Br và 81Br Trong tự nhiên hàm lượng của đồng vị 79Br và 81Br xấp xỉ 1:1. Do vậy trong khối phổ của mẫu chất hữu cơ có chứa một nguyên tử brom sẽ xuất hiện hai pic ion phân tử hơn kém nhau 2 đơn vị và có cường độ tương ứng với tỷ lệ 1:1. Ví dụ khối phổ của hợp chất bromometylbenzen có sự xuất hiện của hai pic ion phân tử tại m/z 170 và 172 với tỷ lệ xấp xỉ 1:1. Lưu ý pic cơ sở ở m/z 91 là pic ion tropylium (Hình 4.9). Hình 4.9. Khối phổ của hợp chất bromoetylbenzen Cl Hình 4.7. Khối phổ của metan 40 4.5. Khối phổ phân giải cao (High-Resolution Mass Spectrometry, HR-MS) Tất cả những khối phổ trình bày trên đây được xác định dựa vào máy đo khối phổ có độ phân giải thấp (low-resolution mass spectrometers), các máy này được trang bị ở nhiều phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, một vài phòng thí nghiệm được trang bị máy đo khối phổ phân giải cao (HR-MS) có chi phí đắt hơn. Những máy này có thể ghi nhận các giá trị m/z đến 3 hoặc 4 số lẻ vì vậy cung cấp thông tin chính xác để xác định khối lượng phân tử của chất nghiên cứu. Từ đó có thể xác định chính xác công thức phân tử của chất. Việc xác định công thức phân tử có thể xác định dựa vào thông tin khối lượng phân tử từ khối phổ phân giải cao vì khối lượng thực sự của các nguyên tử không phải là một số nguyên. Ví dụ, ba phân tử O2, N2H4 và CH3OH có khối lượng phân tử thực khác nhau (mặc dù trên danh nghĩa chúng đều có khối lượng phân tử là 32). O2 = 2(15.9949) = 31.9898 N2H4 = 2(14.0031) + 4(1.00783) = 32.0375 CH4O = 12.00000 + 4(1.00783) + 15.9949 = 32.0262 Các máy khối phổ phân giải cao có khả năng đo phân tử khối chính xác đến 1/40.000 hoặc hơn. Do vậy hoàn toàn có thể phân biệt được khối lượng phân tử của ba chất này. 4.6. Khối phổ của một số loại hợp chất hữu cơ 4.6.1. Hiđrocacbon Hình 4.10. EIMS của C16H34 với hai công thức cấu tạo khác nhau 41 Hình 4.11. EIMS của hợp chất β-myrcene Hình 4.12. Khối phổ của hợp chất etylbenzen 4.6.2. Ancol, phenol Hình 4.13. EIMS của các đồng phân của pentanol 42 Hình 4.14. EIMS của hợp chất o-etylphenol 4.6.3. Hợp chất cacbonyl Hình 4.15. Khối phổ của hợp chất 3-phenyl-2-propenal (C9H8O) Hình 4.16. Khối phổ của hợp chất axeton Hình 4.17. Khối phổ của hợp chất axit 2-butenoic (C4H6O2) 43 Hình 4.18. Khối phổ của hợp chất etyl axetat (C4H8O2) Câu hỏi và bài tập 1) Sử dụng phổ khối lượng dùng nhằm mục đích gì? 2) Nêu nguyên tắc hoạt động của máy đo phổ khối lượng? 3) Vì sao trong phổ MS, các hợp chất có chứa vòng benzen thường có pic m/z 91 và 77? Vì sao trong phổ MS, các ankan mạch thẳng thường thường có pic m/z 57, 43 và 29? 4) Giải thích sự hình thành các mảnh ion của hợp chất 2-metylbutan trong phổ MS sau: 5) Xác định pic cơ sở và giải thích sự hình thành các mảnh ion của hợp chất n-butan trong phổ MS sau: 44 Chương 5. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR) 5.1. Cơ sở vật lý của phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân Theo thuyết cấu tạo nguyên tử, nguyên tử gồm có hạt nhân và lớp vỏ điện tử. Giả thiết rằng hạt nhân có dạng hình cầu có điện tích dương và mật độ điện tích phân bố đồng đều trên mặt cầu. Một số loại hạt nhân hoạt động bằng cách tự quay quanh trục của nó và vì hạt nhân mang điện tích dương nên chúng sẽ giống như những thanh nam châm nhỏ (Hình 5.1), vì vậy chúng sẽ tương tác với từ trường bên ngoài. Không phải tất cả các hạt nhân mà chỉ các hạt nhân có số spin lẻ (1H, 13C, ...) mới có đặc trưng này. Nếu không có sự tác động của từ trường bên ngoài thì các spin hạt nhân của những hạt nhân có từ tính sẽ định hướng theo vô số phương. Khi mẫu chất khảo sát có chứa những hạt nhân này được đặt vào giữa hai cực của một nam châm mạnh (từ trường B0), các hạt nhân sẽ bị định hướng theo hướng của nam châm: song song cùng chiều hoặc song song ngược chiều với từ trường của nam châm (Hình 5.2). Hình 5.2. Định hướng của hạt nhân trước và sau khi đặt vào từ trường B0 Hai định hướng này mức năng lượng khác nhau: định hướng song song cùng chiều có mức năng lượng thấp hơn định hướng song song ngược chiều (Hình 5.3). Hình 5.3. Chênh lệch mức năng lượng giữa hai định hướng hạt nhân Hình 5.1 B0 B0 45 Nếu hạt nhân này (đã có định hướng) được chiếu bởi một bức xạ điện từ có tần số thích hợp, sự hấp thu năng lượng sẽ xảy ra và lúc đó spin trạng thái năng lượng thấp sẽ nhảy chuyển lên spin trạng thái năng lượng cao hơn. Khi có hiện tượng nhảy chuyển spin như thế, người ta nói là hạt nhân đã cộng hưởng với bức xạ chiếu vào, gọi là cộng hưởng từ hạt nhân. Khi ngưng chiếu xạ, các spin hạt nhân sẽ giải phóng năng lượng để trở về trạng thái cân bằng. Xác định năng lượng mà các hạt nhân cùng một loại nguyên tố trong phân tử hấp thụ (hay giải phóng) sẽ thu được phổ cộng hưởng từ hạt nhân của phân tử chất đó. Có hai cách xác định năng lượng cộng hưởng này. Cách thứ nhất là xác định tần số cộng hưởng theo từng tần số trong suốt dải tần số cộng hưởng, cách này được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân quét. Cách thứ hai là ghi nhận đồng thời mọi tần số cộng hưởng rồi sử dụng biến đổi Fourier để tách riêng tần số cộng hưởng của từng hạt nhân. Kỹ thuật này được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân biến đổi Fourier (Fourier Transform - NMR, FT-NMR) và là kỹ thuật sử dụng chủ yếu hiện nay. Khả năng đáp ứng với sự cộng hưởng từ hạt nhân của hai loại hạt nhân 1H (proton) và 13C không giống nhau. Tất cả các hạt nhân có số proton lẻ (1H, 2H, 14N, 19F, 31P) cũng như các hạt nhân có số nơtron lẻ (13C) đều có từ tính nên sẽ có hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Các hạt nhân có số proton và nơtron chẵn (12C, 16O) sẽ không có hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Hình 5.4. Sơ đồ và máy cộng hưởng từ hạt nhân 5.2. Độ dịch chuyển hóa học Trên phổ đồ, tại vị trí mà một hạt nhân hấp thu năng lượng để có hiện tượng cộng hưởng được gọi là độ dịch chuyển hóa học (chemical shift). Theo quy ước, độ dịch chuyển hóa học của TetraMethyl Silan (Si(CH3)4, TMS) được chỉnh tại mức 0 46 trên phổ đồ và những hấp thu khác sẽ xuất hiện tại vùng từ trường thấp hơn (Hình 5.5 và 5.6). Phổ đồ NMR được chia độ theo thang delta (δ). Một đơn vị delta bằng 1 phần một triệu (ppm: part per million) của tần số hoạt động của máy NMR. Ví dụ, độ dịch chuyển hóa học của các proton của benzen là 2181 Hz khi tần số hoạt động của máy NMR ở 300 MHz, khi đó: 6 6 2181 Hz 10 7,27 300 10 Hz × δ = = × . Độ dịch chuyển hóa học của các proton benzen khi tần số hoạt động của máy NMR ở 60 MHz là 436 Hz, khi đó: 6 6 436 Hz 10 7,27 60 10 Hz × δ = = × . Như vậy, độ dịch chuyển hóa học của một hấp thu NMR sẽ là hằng số, không phụ thuộc vào lực từ trường và tần số hoạt động của máy. Ví dụ trên cho thấy hạt nhân proton của benzen hấp thu tại δ = 7,27 ppm trên máy 300 MHz (tương ứng với 2181 Hz trong vùng từ trường thấp so với TMS) thì hạt nhân này cũng hấp thu tại δ = 7,27 ppm trên máy 60 MHz (436 Hz trong vùng từ trường thấp so với TMS). Lợi ích của việc đo phổ bằng máy có tần số lớn là các hấp thu được trải ra trong một khoảng từ trường lớn, vì thế nếu có các tín hiệu ở gần nhau sẽ dễ dàng phân biệt được chúng, trong khi nếu đo bằng máy có tần số thấp thì các tín hiệu gần nhau có thể trùng lắp lên nhau, khó khảo sát. Đa số các proton của các hợp chất hữu cơ đều có hấp thu trong khoảng 0–10 δ ppm trong vùng từ trường thấp so với TMS và đa số các 13C của hợp chất hữu cơ đều có hấp thu trong khoảng 1–220 δ ppm trong vùng từ trường thấp so với TMS. Hình 5.5. Phổ 1H-NMR của hợp chất bromoetan Một tín hiệu có bốn pic (mũi bốn, quartet) Một tín hiệu có ba pic (mũi ba, triplet) δ = (Độ dịch chuyển hóa học tính từ TMS, Hz) × 106 (Tần số hoạt động của máy NMR, Hz) 47 Hình 5.6. Phổ 13C-NMR của hợp chất metyl metacrylat 5.3. Cường độ tích phân của mũi cộng hưởng trong phổ 1H-NMR Phổ đồ 1H-NMR cho biết có bao nhiêu loại proton trong phân tử và cũng cho biết mỗi loại proton đó có bao nhiêu nguyên tử H. Trong phổ 1H-NMR, phần diện tích vẽ ra bởi mũi cộng hưởng tỉ lệ thuận với số lượng proton gây ra tín hiệu cộng hưởng của mũi đó và được gọi là cường độ tích phân của mũi cộng hưởng. Các giá trị tích phân chỉ là con số tương đối, có thể có sai số khoảng 10% và cần phải tính toán lại cho phù hợp. Hình 5.7. Phổ 1H-NMR của hợp chất 1,4-đimetylbenzen (300 MHz) 5.4. Độ dịch chuyển hóa học của proton một số hợp chất hữu cơ Trong hợp chất hữu cơ, các proton thường không tồn tại riêng rẽ mà được bao quanh bởi những đám mây điện tử khác nhau. Do vậy, mỗi loại hạt nhân bị che chắn khác nhau, từ đó từ trường hiệu dụng áp đặt lên hạt nhân đó cũng khác nhau. Máy NMR đủ nhạy để nhận biết được từng sự khác biệt nhỏ này, ghi thành những tín hiệu phổ NMR. 48 Các loại hạt nhân khác nhau trong một phân tử có độ dịch chuyển hóa học khác nhau là do mỗi loại hạt nhân được che chắn khác nhau bởi các đám mây điện tử chung quanh. Hạt nhân nào được các điện tử che chắn càng nhiều thì càng cần từ trường mạnh hơn để có thể có sự cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân này hấp thu ở vùng từ trường cao (vùng bên phải của phổ đồ). Hạt nhân nào được các điện tử che chắn ít thì chỉ cần tác dụng bởi một từ trường yếu là có thể có sự cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân này hấp thu ở vùng từ trường thấp (vùng bên trái của phổ đồ). Khi proton gắn vào cacbon nối với nguyên tử có độ âm điện mạnh (O; N; halogen), các nguyên tử này sẽ rút đôi điện tử nối hóa trị về phía nó, làm giảm sự chắn của từ trường bên ngoài áp đặt lên proton khảo sát vì thế độ dịch chuyển hóa học ở vùng từ trường thấp. Do độ dịch chuyển hóa học của mỗi hạt nhân phụ thuộc vào cấu tạo hóa học và vào vị trí không gian của nó trong phân tử nên mỗi hạt nhân có hiệu ứng chắn khác nhau. Muốn biết một hợp chất có thể cho bao nhiêu tín hiệu trong phổ 1H- NMR, cần phải biết trong phân tử đó có bao nhiêu loại proton giống nhau về cấu tạo hóa học và về vị trí không gian. Các proton giống nhau này được gọi là proton tương đương về độ dịch chuyển hóa học, chúng chỉ cho một tín hiệu trên phổ 1H- NMR. Còn các hạt nhân có độ dịch chuyển khác nhau, được gọi là proton không tương đương về độ dịch chuyển hóa học, chúng cho các tín hiệu khác nhau trên phổ 1H-NMR. Số lượng các hấp thu khác nhau sẽ cho biết có bao nhiêu loại proton trong phân tử (Bảng 5.1; Hình 5.8). Bảng 5.1. Độ dịch chuyển hóa học của proton các nhóm hợp chất hữu cơ Loại proton δ (ppm) Loại proton δ (ppm) Ankyl 1o, RCH3 0,8 – 1,2 Ankyl bromua, RCH2Br 3,4 – 3,6 Ankyl 2o, RCH2R 1,2 – 1,5 Ankyl clorua, RCH2Cl 3,6 – 3,8 Ankyl 3o, R3CH 1,4 – 1,8 Vinyl, R2C=CH2 4,6 – 5,0 Anlylic, R2C=CR-CH3 1,6 – 1,9 Vinyl, R2C=CHR 5,2 – 5,7 Xeton, RCOCH3 2,1 – 2,6 Aromatic, ArH 6,0 – 8,5 Benzyl, ArCH3 2,2 – 2,5 Anđehit, RCHO 9,5 – 10,5 Axetyl, RC≡CH 2,5 – 3,1 Hyđroxy ancol, ROH 0,5 – 6,0* Ankyl iotua, RCH2I 3,1 – 3,3 Amino, R-NH2 1,0 – 5,0* Ete, ROCH2R 3,3 – 3,9 Phenol, ArOH 4,5 – 7,7* Ancol, HOCH2R 3,3 – 4,0 Axit cacboxylic, RCO2H 10 – 13* * Độ dịch chuyển hóa học thay đổi tùy vào dung môi, nhiệt độ và nồng độ chất 49 Hình 5.8. Độ dịch chuyển hóa học của proton các nhóm hợp chất hữu cơ 5.5. Tương tác spin-spin trong phổ 1H-NMR Trong những phổ 1H-NMR giới thiệu phần trên, mỗi một loại proton trong phân tử cho một mũi cộng hưởng (mũi đơn) hoặc bị chẻ tách thành nhiều mũi cộng hưởng (mũi đa). Sự chẻ mũi này được gọi là sự tách spin-spin hoặc sự ghép cặp, là hiện tượng có nhiều mũi hấp thu khác nhau, do các proton ở kề bên đã tương tác lên proton đang khảo sát. Bất cứ một proton nào đang khảo sát đều chịu một từ trường lớn của máy NMR áp đặt lên nó, nó còn bị ảnh hưởng bởi từ trường tại chỗ gây ra do sự che chắn của các điện tử bao chung quanh, ngoài ra nếu có những proton khác ở kề bên, từ trường nhỏ của các proton kề bên này cũng gây một ảnh hưởng nhỏ lên proton khảo sát, hệ quả là proton khảo sát sẽ cho mũi cộng hưởng nhưng không phải là mũi đơn mà là nhiều mũi khác nhau tùy vào số lượng các proton hiện diện ở kề bên nó, số lượng mũi bị chẻ tách tuân theo theo quy luật n+1. Hình 5.9. Phổ 1H-NMR của hợp chất etylbenzen (600 MHz) 50 5.5.1. Qui tắc n+1 Nếu một proton khảo sát có n số proton tương đương kề bên nó thì proton khảo sát này sẽ cộng hưởng và cho tín hiệu là n+1 mũi trên phổ 1H-NMR. Các mũi này có diện tích tương đối theo tỉ lệ của tam giác Pascal (Bảng 5.2). Bảng 5.2. Cường độ tương đối của các mũi đa do sự tách mũi bởi proton kề bên n Số mũi đa Tiếng Anh (Viết tắt) Diện tích tương đối giữa các mũi đa (Tam giác Pascal) Hình dạng mũi 0 1 (mũi đơn) Singlet (s) 1 1 2 (mũi đôi) Doublet (d) 1 1 2 3 (mũi ba) Triplet (t) 1 2 1 3 4 (mũi bốn) Quartet (q) 1 3 3 1 4 5 (mũi năm) Quintet (quint) 1 4 6 4 1 n n + 1 Sự tách spin-spin có thể tóm tắt trong các quy tắc sau: * Các proton tương đương về mặt hóa học không tách spin-spin với nhau. Các proton tương đương có thể ở trên cùng một cacbon hoặc trên hai cacbon khác nhau, nhưng các tín hiệu của chúng không tách spin-spin với nhau. Ví dụ: CH2=CH2; CH3-CH2-CH3 * Tuy nhiên, proton gắn trên cùng một cacbon cũng có thể ghép từ với điều kiện hai proton này không tương đương nhau. Proton gắn trên cùng một carbon, có tách spin-spin nếu hai proton không tương đương nhau. 51 Ví dụ: CH2=CH-CN * Các proton cách nhau hơn hai cacbon sẽ không tách spin-spin nhau (tuy nhiên nếu chúng cách nhau bởi nối π, sẽ có sự ghép yếu, khó quan sát). Hình 5.10. Sự tách spin-spin của một số nhóm thế phổ biến 5.5.2. Hằng số ghép Giả sử có hai proton Ha và Hb ở kề bên thì hai proton này ghép từ với nhau và trên phổ 1H-NMR thấy hai proton này cho tín hiệu là mũi đôi. Do hai proton này ghép từ với nhau (còn gọi là tách spin-spin) nên khoảng cách giữa các mũi đôi trong các tín hiệu của hai loại proton này sẽ bằng nhau. Khoảng cách này được gọi là hằng số ghép, ký hiệu là J, đơn vị đo tính bằng Hertz (Hz). Cách viết để biểu diễn 2 proton Ha và Hb ghép từ với nhau là Jab (Hình 5.11). Hình 5.11. Hằng số ghép cặp giữa hai proton liền kề Ha và Hb Ảnh hưởng từ của một proton lên trên một proton khác tùy thuộc vào bản chất của nối hóa trị nối liền hai proton, mà không lệ thuộc vào lực của từ trường của máy NMR, vì vậy, hằng số ghép không thay đổi theo từ trường của máy NMR. Các hằng số ghép thường có giá trị trong khoảng từ 0–18 Hz. Giá trị chính xác của hằng số ghép giữa hai proton kề nhau tùy thuộc vào vị trí lập thể của hai proton đó trong phân tử. 52 5.5.3. Cách đo hằng số ghép Hình 5.12. Cách đo hằng số ghép cặp của một số mũi phổ phổ biến 5.5.4. Hằng số ghép của một số hợp chất hữu cơ a) Proton trên cùng một cacbon (2J) b) Proton trên hai cacbon liền kề (3J) c) Proton ghép cặp qua bốn hoặc 5 nối (4J hoặc 5J) 53 5.5.5. Một số lưu ý khi xét sự tách spin-spin của các proton + Cần nhận ra ngay dạng tín hiệu của các nhóm ankyl và nắm vững các kiểu tách spin-spin để có thể xác định cấu trúc của các nhóm ankyl. + Tất cả các mũi đơn, bầu, rộng, trên phổ đồ có thể là do các proton –OH hoặc –NH hoặc –COOH. + Một mũi cộng hưởng hơn, nhọn, ở δ ≈ 2,5 ppm cho biết đó là proton ankin đầu mạch: -C≡C-H. + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 2,1 – 2,5 ppm cho biết đó là proton gắn vào cacbon ở kề bên nhóm cacbonyl: + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 3 – 4 ppm cho biết đó là proton gắn kết trên cacbon mà cacbon nầy có gắn một nguyên tử có độ âm điện như oxigen, halogen. + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 5 – 6 ppm cho biết đó là proton vinyl. Hằng số ghép spin của các tín hiệu nầy cho biết dạng trans hoặc cis. + Một mũi cộng hưởng ở δ ≈ 7 – 8 ppm cho biết sự hiện diện của nhân thơm. Dựa vào hằng số ghép có thể xác định được vị trí nhóm thế trên vòng benzen. 54 + Nếu mũi cộng hưởng ở δ ≈ 9 – 10 ppm thì có proton anđehit –CH=O. + Nếu có mũi ở vùng δ > 10 ppm thì có thể đó là proton của –COOH. 5.6. Phổ cộng hưởng từ cacbon 13 (13C-NMR) Mặc dù trong tự nhiên đồng vị C-13 chỉ chiếm khoảng 1.1% so với 99% của đồng vị C-12, nhưng hạt nhân đồng vị C-13 có từ tính và có thể truy suất được trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Phổ 13C-NMR cho thông tin quan trọng về khung sườn cacbon của hợp chất hữu cơ. Vì hàm lượng đồng vị C-13 rất thấp nên độ nhạy trong phổ NMR của hạt nhân 13C so với của proton 1H vào khoảng 1/5700. Trong phổ 13C-NMR các tín hiệu thường xuất hiện trong khoảng chia độ rất rộng từ 0 – 240 ppm, khoảng này rộng gấp 20 lần so với tín hiệu của proton (~ 12 ppm). 5.6.1. Đặc điểm của phổ 13C-NMR Khác với phổ proton 1H-NMR, phổ 13C-NMR có các đặc điểm sau: + Mỗi cacbon riêng biệt chỉ cho một tín hiệu mũi đơn duy nhất. + Không có sự chẻ mũi như trong phổ 1H-NMR. + Trong bốn loại cacbon –CH3, -CH2-, >CH- và >C< thì cacbon –CH3, -CH2- cho mũi có cường độ mạnh hơn hai loại còn lại. Hình 5.13. Phổ 13C-NMR của hợp chất metyl metacrylat 5.6.2. Độ dịch chuyển hóa học của cacbon trong phổ 13C-NMR Độ dịch chuyển hóa học của cacbon thường lớn hơn 15-20 lần so với độ dịch chuyển hóa học của proton vì nguyên tử cacbon gần với nguyên tử hiđro gắn vào nó hơn là gần một nhóm che chắn (hoặc giảm chắn khác). 55 Hình 5.14. Độ dịch chuyển hóa học của các loại cacbon Bảng 5.3. Độ dịch chuyển hóa học của các loại cacbon 56 Hình 5.15. Một số ví dụ phổ 13C-NMR 5.6.3. Xác định loại cacbon bằng phổ DEPT-NMR (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) Để xác định được các loại cacbon có trong phân tử hợp chất hữu cơ, hiện nay người ta sử dụng kỹ thuật DEPT-NMR. Kỹ thuật DEPT-NMR được thực hiện đồng thời trong cả hai kênh 1H và kênh 13C một loại những xung phức tạp đã được chương trình hóa. Hệ quả của xung nầy là các cacbon có gắn một, hai hay ba nguyên tử hiđro sẽ được máy ghi thành những pha khác nhau. Để có được phổ này, người ta thực hiện ba lần ghi phổ khác nhau, trong đó một lần gọi là DEPT-45, cacbon nào có mang một hiđro sẽ xuất hiện một mũi trên phổ đồ. Ngay sau đó, một lần ghi phổ thứ nhì gọi là DEP-90, chỉ có những cacbon loại metin >CH- mới xuất hiện trên phổ đồ. Một lần ghi phổ thứ ba gọi là DEP-135, những cacbon metin >CH- và metyl –CH3 sẽ xuất hiện trên phổ đồ những mũi dương (hướng lên trên), cacbon metylen –CH2- sẽ cho mũi hướng về chiều ngược lại với mũi dương, cacbon tứ cấp >C< do không mang hiđro nên không xuất hiện trong phổ DEPT-NMR. 57 Hình 5.16. Một số ví dụ phổ DEPT NMR 5.7. Phổ NMR hai chiều Đối với các hợp chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản, chỉ cần phổ 1H-NMR, 13C- NMR và DEPT-NMR chúng ta hoàn toàn có thể xác định được. Tuy nhiên, đối với các hợp chất có cấu trúc phức tạp thì nếu chỉ sử dụng phổ 1H-NMR và 13C-NMR một chiều sẽ rất khó để giải đoán các tín hiệu cộng hưởng và xác định chính xác cấu trúc hóa học. Khi đó việc sử dụng phổ NMR hai chiều để giải đoán phổ sẽ dễ dàng hơn. 58 Khác với phổ NMR một chiều chỉ được trình bày hai chiều: trục hoành là tần số và trục tung là cường độ của tín hiệu phổ, phổ NMR hai chiều (2D-NMR) thì cả hai trục hoành và trục tung đều là trục tần số, còn cường độ tín hiệu là chiều thứ ba. Hiện nay có nhiều loại phổ NMR hai chiều, một số loại được sử dụng phổ biến là: 1H-1H COSY (cho thông tin về mối tương quan giữa proton và proton); HSQC (cho thông tin về tương quan một nối giữa proton và cacbon); HMBC (cho thông tin về tương quan hai, ba và đôi khi bốn nối giữa proton và cacbon); NOESY (cho thông tin về tương quan về không gian giữa proton và proton). Hình 5.17. Phổ HSQC Hình 5.18. Phổ HMBC 59 Câu hỏi và bài tập 1) Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân xảy ra khi nào? Những loại hạt nhân nào có xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân? Nêu ví dụ minh họa. 2) Độ dịch chuyển hóa học là gì? Đặc trưng độ dịch chuyển hóa học trong phổ 1H- NMR và 13C-NMR? Tại sao độ dịch chuyển hóa học của các proton trong hợp chất hữu cơ lại có giá trị khác nhau? 3) Giải thích vì sao: a) Độ dịch chuyển hóa học trong phổ 1H-NMR của proton –OCH3 lớn hơn –CH3? b) Độ dịch chuyển hóa học trong phổ 13C-NMR của cacbon –CH2-Br lớn hơn – CH3? 4) Hãy xác định các hợp chất sau đây có thể có bao nhiêu tín hiệu xuất hiện trong phổ 1H-NMR 5) Cho ba hợp chất CH3-CH2-CHOH-CH3, CH3-CH2-CO-CH3, CH2=CH-CO-CH3. Trình bày phương pháp hóa học và một phương pháp vật lý thuận tiện nhất để phân biệt ba chất trên. 6) Hãy xác định các mũi phổ của các proton tương quan của hợp chất etyl 2- cloropropionat trên phổ đồ. 60 7) Ba hợp chất este đều có chung công thức phân tử là C4H8O2. Hãy xác định công thức cấu tạo của chúng dựa vào các phổ proton sau đây? a) b) c) 61 8) Xác định độ dịch chuyển hóa học và hình dạng tín hiệu trong phổ NMR sau: CHO OHH3CO OH 62 Chương 6. XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC TỪ CÁC LOẠI PHỔ Muốn xác định cấu trúc hóa học của một hợp chất hữu cơ cần phải phân tích nhiều loại phổ khác nhau. Mỗi một loại phổ đều có giá trị riêng của nó để góp phần xác định cấu trúc phân tử. Thông tin thu nhận được từ các loại phổ được tóm tắt theo bảng dưới đây Thông tin về cấu trúc của hợp chất Phổ IR Phổ UV Phổ MS Phổ NMR Trọng lượng phân tử Cung cấp thông tin Công thức phân tử Cung cấp thông tin (nhờ HR-MS) Sự hiện diện của các dị nguyên tử Đôi khi cho thông tin quý Đôi khi cho thông tin quý Các nhóm định chức Luôn cho thông tin quý Đôi khi cho thông tin quý Đôi khi cho thông tin quý Luôn cho thông tin quý Các nhóm thế ankyl Đôi khi cho thông tin quý Luôn cung cấp thông tin quý 6.1. Trình tự các bước phân tích các loại phổ 6.1.1. Khối phổ (MS) + Cần biết khối lượng phân tử M của hợp chất: Tìm mảnh ion phân tử , là mảnh m/z lớn nhất trên phổ đồ, để từ đó biết được M. + Cần biết công thức phân tử của hợp chất CxHyOzNtXu... + Cần biết độ bất bão hoà của phân tử. + Cần biết một số mảnh đặc trưng của phân tử. 6.1.2. Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-VIS) Các loại liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ cần khảo sát có thể xác định dựa vào cực đại hấp thụ λmax ghi nhận trong phổ UV-VIS (Xem lại chương 3). 6.1.3. Phổ hồng ngoại (IR) Để xác định các nhóm định chức của hợp chất cần khảo sát thường sử dụng phương pháp 5 vùng (Xem lại chương 2). 63 6.1.4. Phổ 1H-NMR Khi phân tích phổ 1H-NMR để có thể xác định được cấu trúc hóa học của một hợp chất hữu cơ, cần lưu ý: + Nếu biết được công thức phân tử sẽ tính được độ bất bão hòa của hợp chất. Nhờ vào độ bất bão hòa, có thể dự đoán hợp chất có thể có bao nhiêu vòng, bao nhiêu nối đôi hay nối ba. Từ độ bất bão hòa, muốn phân biệt được sự bất bão hòa là do vòng hay nối đôi hoặc nối ba, cần khảo sát độ dịch chuyển hóa học δ. + Dựa vào độ dịch chuyển hóa học và sự tách spin-spin (sự chẻ mũi) để dự đoán loại proton. 6.1.5. Phổ 13C-NMR kết hợp với DEPT-NMR + Dựa vào phổ 13C-NMR đếm biết được tổng số cacbon trong phân tử, ví dụ p số cacbon. + Dựa vào phổ DEPT-NMR xác định được tổng số các loại cacbon. + So sánh số cacbon p ghi nhận được trên phổ đồ với công thức phân tử CxHyOzNt. Số p = x: Phân tử không có yếu tố đối xứng. Số p < x: Phân tử có yếu tố đối xứng. + Dựa vào độ dịch chuyển hóa học đặc trưng trong phổ 13C-NMR để giải đoán các loại cacbon trong phân tử. + Dựa vào các dữ kiện ở trên, đề nghị các mảnh cấu trúc có thể có của hợp chất đang khảo sát. + Sắp xếp các mảnh lại với nhau để được một công thức hoàn chỉnh sao cho thỏa hết các loại phổ đã đo được. 6.2. Cách trình bày kết quả phổ Cách trình bày kết quả phân tích cấu trúc một hợp chất như sau: + Hợp chất A ở dạng ..., (không) màu.... (Nếu là chất rắn thì dạng gì? Màu sắc? Nhiệt độ nóng chảy?) + Khối phổ: MS...: m/z ... + Phổ IR: νmax cm -1: 1741 (C=O), 1243 (C-O) + Phổ UV-VIS: λmax (CH3OH) nm (logε): 212 (4.39), 260 (4.05),... + Phổ 1H-NMR (CDCl3, 300 MHz): δ ppm 4,20 (2H, q, -O-CH2-CH3);... + Phổ 13C-NMR kết hợp DEPT-NMR (CDCl3, 75 MHz): δ ppm 171,0 (C=O); 60,0 (-CH2-O-);... 64 6.3. Một số ví dụ minh họa 6.3.1. Hợp chất C4H8O: M=72 65 6.3.2. Hợp chất C4H8O2: M=88 66 Câu hỏi và bài tập 1) Trong các phương pháp phổ đã được học, chọn hai loại phổ quan trọng nhất để từ đó có thể xác định được cấu tạo phân tử của các hợp chất hữu cơ đơn giản. Giải thích và nêu ví dụ cho sự chọn lựa đó. 2) Phân biệt các hợp chất sau bằng các phương pháp phổ: 1-bromopropan, propan- 1-ol và 2-bromopropan. 3) Tại sao khi xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ cần phải dựa vào nhiều loại phổ khác nhau? Phân biệt các hợp chất sau bằng các phương pháp phổ: benzen, benzanđehit và metyl benzoat. 4) Hợp chất A có công thức phân tử C5H10O2. Biện luận để xác định công thức cấu tạo của A dựa vào các dữ liệu phổ IR và 1H-NMR sau đây: 2990 1750 1245 4,00 (t) 2,00 (s) 1,62 (m) 0,92 (t) 5) Hợp chất A có công thức phân tử C4H10O. Biện luận để xác định công thức cấu tạo của A dựa vào các dữ liệu phổ IR và 1H-NMR sau đây: 3363 2968 67 4,03 (m) 3,58 (brs) 1,48 (m) 1,18 (d) 0,90 (t) 6) Các hợp chất este có chung công thức phân tử C4H8O2. Xác định công thức cấu tạo của chúng dựa vào phổ proton NMR trong các hình sau: a) b) 012345 PPM 1.29 4.13 2.21 01234 PPM 1.14 2.29 3.68 68 c) d) 0123456789 PPM 8.04 4.21 1.73 0.90 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà (1999), Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Giáo dục, Hà Nội. [2] Tử Văn Mặc (2003), Phân tích hóa lý – Phương pháp phổ nghiệm nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nguyễn Kim Phi Phụng (2004), Khối phổ, NXB ĐH QG TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh. [4] Nguyễn Kim Phi Phụng (2005), Phổ NMR sử dụng trong phân tích hữu cơ, NXB ĐH QG TP. Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh. Tiếng Anh [1] Metin Balci (2005), Basic 1H- and 13C-NMR Spectroscopy, Elsevier, London. [2] L.D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalman (2008), Organic structures from spectra, 4th Ed., John Wiley and Sons, Ltd., England. [3] D.L. Pavia, G.M. Lampman, G.S. Kriz (2001), Introduction to spectroscopy – A guide for students of organic chemistry, Thomson Learning, Inc., USA. [4] R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle (2005), Spectrometric identification of organic compounds, 7th Ed., John Wiley & Sons, Inc., USA. [5] G. Solomons, C. Fryhle, S. Snyder (2014), Organic chemistry, 11th Ed., Wiley, USA. [6] https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/spectrpy/uv- vis/spectrum.htm (truy cập tháng 6/2016). MỤC LỤC Lời nói đầu Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ 1.1. Mở đầu ...................................................................................................... 1 1.2. Bức xạ điện từ ........................................................................................... 2 1.3. Sự tương tác giữa bức xạ và phân tử ........................................................ 3 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 7 Chương 2. PHỔ HỒNG NGOẠI (IR) 2.1. Giới thiệu về phổ hồng ngoại ................................................................... 8 2.2. Thiết bị nghiên cứu phổ hồng ngoại ......................................................... 8 2.3. Dao động của phân tử và phổ hồng ngoại ................................................ 9 2.4. Phổ hồng ngoại của một số hợp chất hữu cơ tiêu biểu ............................. 11 2.5. Xác định các nhóm định chức dựa vào phổ hồng ngoại ........................... 12 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 16 Chương 3. PHỔ TỬ NGOẠI – KHẢ KIẾN (UV–VIS) 3.1. Các mức năng lượng điện tử (electron) và sự chuyển mức năng lượng ... 25 3.2. Các kiểu chuyển mức điện tử (electron) ................................................... 26 3.3. Đặc trưng về phổ tử ngoại-khả kiến của các hợp chất hữu cơ ................. 27 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 30 Chương 4. PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 4.1. Quá trình ion hóa ...................................................................................... 31 4.2. Phổ đồ. Nhận diện mũi ion phân tử trên khối phổ đồ ............................... 33 4.3. Nguyên tắc phân mảnh ............................................................................. 34 4.4. Đồng vị trong khối phổ ............................................................................. 38 4.5. Khối phổ phân giải cao ............................................................................. 40 4.6. Khối phổ của một số loại hợp chất hữu cơ ............................................... 40 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 43 Chương 5. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR) 5.1. Cơ sở vật lý của phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân ........................... 44 5.2. Độ dịch chuyển hóa học ........................................................................... 45 5.3. Cường độ tích phân của mũi cộng hưởng trong phổ 1H-NMR ................ 47 5.4. Độ dịch chuyển hóa học của proton một số hợp chất hữu cơ ................... 47 5.5. Tương tác spin-spin trong phổ 1H-NMR .................................................. 49 5.6. Phổ cộng hưởng từ cacbon 13 (13C-NMR) ............................................... 54 5.7. Phổ NMR hai chiều .................................................................................. 57 Câu hỏi và bài tập ............................................................................................ 59 Chương 6. XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC TỪ CÁC LOẠI PHỔ 6.1. Trình tự các bước phân tích các loại phổ .................................................. 62 6.2. Cách trình bày kết quả phổ ....................................................................... 63 6.3. Một số ví dụ. Câu hỏi và bài tập ............................................................... 64 Tài liệu tham khảo