Chương 1 : TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các phương pháp xác định cấu trúc 1. Phương pháp phổ khối lượng 2,5,7 : Phương pháp phổ khối lượng (MS) là kĩ thuật phân tích hiệu quả để chứng minh hợp chất chưa biết bằng cách xác định khối lượng phân tử, xác định định tính và xác định định lượng (khối lượng, bề mặt và phân tích sâu) của các vết hợp chất hữu cơ có trong một mẫu bằng cách đo tỉ lệ khối lượng trên điện tích và số lượng của các ion pha khí. Đây là phương pháp hiện đại được sử dụng phổ biến trong các phép phân tích cấu trúc và phân tích hàm lượng các hợp chất hóa học.
Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng đối với hợp chất hữu cơ là sự bắn phá các hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc phá vỡ thành các mảnh ion (có số khối z=m/e), các gốc theo sơ đồ sau bằng các phần tử mang năng lượng cao: Sự hình thành các ion mang điện tích 1+ chiếm hơn 95%, còn lại các ion mang điện tích 2+ hoặc ion âm (-). Năng lượng bắn phá các phân tử thành ion phân tử khoảng 10ev. Nhưng với năng lượng cao (70ev) thì từ ion phân tử có thể phá vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc các ion gốc, hoặc phân tử trung hòa nhỏ hơn. Sự bắn phá này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá.
Quá trình này gọi là quá trình ion hóa. Ion phân tử và các ion mảnh là các phần tử có khối lượng (m), điện tích của nó là Z thì tỷ số m/z được gọi là số khối. 3 Quá trình ion hóa có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như : phương pháp va chạm e, phương pháp ion hóa hóa học, phương pháp ion hóa photon, phương pháp ion hóa trường, phương pháp bắn phá ion, phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh. Tách các ion có số khối khác nhau ra khỏi nhau và xác định được xác suất có mặt của chúng, rồi vẽ đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa xác suất có mặt (hay cường độ I) và số khối z thì đồ thị này được gọi là phổ khối lượng.
Phổ MS của bezamit (M=121) 1 Phân tích phổ khối là tìm mối liên quan giữa các số khối xuất hiện trên phổ khối lượng và cấu tạo phân tử dựa trên cơ chế phá vỡ phân tử. Nhìn chung có thể phân ra các trường hợp sau: Trường hợp một: có công thức dự kiến cần dựa vào phổ khối lượng để xác minh công thức có đúng không. Trước tiên cần tìm trên phổ có số khối tương ứng với phân tử lượng, tuy nhiên có trường hợp xuất hiện trên phổ nhưng có nhiều trường hợp vắng mặt do phân tử lớn dễ bị phá vỡ hay phân tử không bền. Nếu phân tử chứa các nguyên tố Cl,Br, S ta dựa vào chiều cao pic ion phân tử đồng vị để xác định.
Sau đó từ công thức phân tử dựa vào cơ chế phá vỡ phân tử tìm khả năng các ion mảnh hình thành rồi tính số khối của ion. 4 Sau đó đối chiếu với các giá trị m/z trên phổ xem có trùng không. Nếu số khối phân tử tìm được trên phổ có sự trùng lặp của 1 số ion mảnh thì có thể xác nhận công thức cấu tạo dự kiến của chất là đúng. Trường hợp thứ hai, biết khối lượng phân tử và công thức cấu tạo phân tử phải dựa vào số khối m/z trên phổ và cấu tạo của các mảnh ion có số khối đó để lắp ghép lại thành phân tử.
Trường hợp thứ ba, biết khối lượng phân tử phân giải cao có thể dựa vào bảng tra cứu tìm ra công thức phân tử, sau đó tiến hành như trường hợp trên. Trường hợp thứ tư, biết khối lượng phân tử và các loại nguyên tố. Như vậy, khi phân tích phổ khối lượng người ta thu được khối lượng phân tử của chất nghiên cứu, từ các pic mảnh ion trên phổ đồ có thể xác định được cấu trúc phân tử và tìm ra quy luật phân mảnh. Đây là một trong những thông số quan trọng để xác định chính xác cấu trúc phân tử của một chất cần nghiên cứu khi kết hợp nhiều phương pháp phổ với nhau.
Phương pháp phổ hồng ngoại ( IR). 1− 7 Việc sử dụng phương pháp phổ hồng ngoại để phân tích cấu trúc của hợp chất hữu cơ giúp chúng ta xác định được nhóm chức và một số liên kết đặc trưng có mặt trong phân tử. Nguyên tắc chung của phương pháp phổ hồng ngoại là khi chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử các hợp chất, bức xạ hồng ngoại sẽ kích thích phân tử từ trạng thái dao động cơ bản lên trạng thái dao động cao hơn. Chỉ có các phân tử khi dao động gây sự thay đổi momen lưỡng cực mới có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho hiệu ứng phổ dao động.
Vì vậy điều kiện cần để phân tử có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại chuyển thành trạng thái kích thích dao động là phải có sự thay đổi momen lưỡng cực điện khi dao động. Đối với phân tử hai nguyên tử thì chuyển động dao động duy nhất là chuyển động co giãn một cách tuần hoàn của liên kết A-B, được gọi là dao 5 động hóa trị (dao động co giãn liên kết). Với các phân tử có nhiều hơn hai nguyên tử thì trạng thái dao động phức tạp hơn, ngoài các dao động hóa trị còn có dao động biến hình (hay dao động biến dạng) làm thay đổi góc hóa trị. Mỗi dao động riêng có một mức năng lượng nhất định nên khi chiếu tia hồng ngoại có năng lượng E=(hC)/λ trong đó λ có bước sóng dài từ 100 cm-1 thì các dao động hấp thu năng lượng ở bước sóng nhất định và dao động mạnh hơn, nhanh hơn.
Sự hấp thu năng lượng này được ghi lại thành biểu đồ gọi là phổ hồng ngoại. Mỗi pic trên phổ hồng ngoại ứng với 1 dao động. Trong phân tử có thể có nhiều dao động nên phổ hồng ngoại có nhiều pic rất phức tạp nên khi phân tích người ta chỉ chú ý những pic chính đặc trưng cho một số loại liên kết. Phổ hồng ngoại có đường cong biểu diễn cường độ hấp thụ với số sóng của bức xạ hồng ngoại, trên phổ biểu diễn các cực đại hấp thụ ứng với những dao động đặc trưng của nhóm chức hay loại liên kết.
Dựa vào phổ hồng ngoại để xác định nhóm chức hợp chất hữu cơ hay loại liên kết. Các pic nằm trong vùng 1 (từ 3700-3200cm-1) chứa các dải hấp thụ của các nhóm chức (-OH ; -NH; ); Vùng 2 (3200 -2700 cm-1) chứa dải hấp thụ của (ankyl C-H, mũi < 3000cm-1; aryl hoặc vinyl C-H, mũi > 3000 cm-1 ; anđehit C-H ; axitcacboxylic O-H); vùng 3 (từ 2300-2000cm-1) chứa dải hấp thụ của (ankin ; nitril ); vùng 4(1850-1650 cm-1) chứa dải hấp thụ của nhóm chức cacbonyl C=O; vùng 5 (1680- 1450 cm-1) chứa dải hấp thụ của (anken C=C, benzen); ngoài ra vùng phổ từ 1300-626 cm-1 phức tạp hơn và thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử. Phổ hồng ngoại (IR) của pentamethylbenzene C11H16. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân.(NMR) 1,2,6,7 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance viết tắt là NMR), là phương pháp hiện đại được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu hóa học.
Phổ cô ̣ng hưởng từ ha ̣t nhân (NMR) một chiều và hai chiều. Trong đó 1H-NMR cho ta biết số lượng proton, tỷ lệ proton tại mỗi nhóm cấu trúc, vị trí và mối tương quan trong không gian của các proton và các nhóm thế khác nhau của phân tử. 13C-NMR cho ta biết số lượng cacbon của phân tử và số lượng cacbon trong các nhóm cấu trúc khác nhau. Chỉ các nguyên tố mà nguyên tử có số khối A lẻ hay số hiệu nguyên tử Z lẻ có spin hạt nhân I ≠ 0 mới được nhận diện và phân tích bằng kĩ thuật NMR, nhưng được ứng dụng hiệu quả trong xác định cấu trúc phân tử là H,C,N,P, F.
Trong đó, phổ biến nhất là phương pháp phổ 1H-NMR và 13C- NMR. Hạt nhân của nguyên tử 1H và 13C có momen từ. Khi đặt proton trong từ trường không đổi thì momen từ của nó có thể định hướng cùng chiều hay ngược chiều với từ trường. Nghĩa là spin hạt nhân có tính chất lượng tử với số lượng tử +1/2 và -1/2.
Sơ đồ và máy cộng hưởng từ hạt nhân 1 a. Tính chất từ của hạt nhân trong từ trường ngoài : Hạt nhân mang điện tích dương tự quay quanh trục riêng của nó nên sinh ra dòng điện vòng có momen điện từ , đồng thời tạo ra momen quay gọi là momen spin P. Khi đặt hạt nhân nguyên tử có số lượng tử spin I= 1/2 vào từ trường ngoài có cường độ B0, nó xoay theo 2 hướng khác nhau, hạt nhân có mI = +1/2 xoay theo hướng cùng chiều với từ trường của nam châm chiếm mức năng lượng thấp còn hạt nhân có mI = -1/2 xoay theo hướng ngược chiều với từ trường ngoài chiếm mức năng lượng cao, hiệu số giữa hai mức năng lượng này gọi là năng lượng cộng hưởng E = h/2 . (1) Từ phương trình E = h có thể tính được tần số cộng hưởng: = 1/2 .
Hằng số chắn: Các hạt nhân nguyên tử được bao quanh bởi một lớp vỏ điện tử, lớp vỏ này cũng sinh ra một từ trường riêng B’ngược chiều từ trường ngoài B0 để che chắn làm giảm tác động của từ trường ngoài lên hạt nhân, do đó từ trường 8 thực tác động lên hạt nhân chỉ là Be < Bo. Người ta gọi Be là từ trường hiệu dụng. Be = Bo(1-σ) (3) σ được gọi là hằng số chắn, có giá trị khác nhau đối với mỗi hạt nhân nguyên tử trong phân tử. Mật độ điện tử càng cao thì hằng số chắn càng lớn, hạt nhân càng được bảo vệ, ít bị tác dụng của từ trường ngoài.
Độ dịch chuyển hóa học: Khi phân tích NMR thì độ dịch chuyển hóa học δ có giá trị rất quan trọng. 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 δ.10 ( ppm) o νTMS, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn TMS và của hạt nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ. Đối với các hạt nhân khác thì độ chuyển dịch hóa học được định nghĩa một các tổng quát như sau: chuan − x = .10 6 ( ppm) o νchuẩn, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ.