Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các phương pháp xác đinh ̣ cấ u trúc 1. UV-Vis Hình 1. Máy đo quang phổ UV-Vis Cường độ hấp thụ của một chất thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu vào nó.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ theo giá trị của bước sóng (hoặc tần số, hoặc số sóng) được gọi là phổ hấp thụ. Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến thường được nói gọn là phổ tử ngoại - khả kiến và viết tắt là UV-Vis (Ultra Violet - Visible). Phổ UV-VIS của isoprene 3 1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) [1] Hình 1.
Máy đo phổ IR Trong rất nhiều phương pháp phân tích cấu trúc, phương pháp phân tích phổ hồng ngoại [IR] cung cấp nhiều thông tin quan trọng về cấu trúc của hợp hợp chất, trong đó các thông tin chính có thể kể đến như thông tin về nhóm chức, thông tin về các liên kết, thông tin về các kiểu liên kết của hợp chất. Phổ hồng ngoại là 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 nguyên tử hay liên kết nhất định. Khi phân tử các hợp chất được chiếu các bức xạ hồng ngoại vào, phân tử dưới sự kích thích từ bức xạ hồng ngoại sẽ chuyển từ trạng thái dao động cơ bản lên trạng thái dao động cao hơn. Có 2 loại dao động khi phân tử bị kích thích là dao động hóa trị và dao động biến dạng, dao động hóa trị (ν) là dao động làm thay đổi độ dài liên kết, dao động biến dạng (δ) là dao động làm thay đổi góc liên kết.
Khi sử dụng phổ hồng ngoại để xác định cấu trúc, thông tin thu được chủ yếu được dung để xác định các nhóm chức hữu cơ và những liên kết đặc trưng. Các pic nằm trong vùng từ 4000 - 1600 cm-1 thường được quan tâm đặc biệt, vì vùng này chứa các dải hấp thụ của các nhóm chức, như OH, NH, C=O, C≡N… nên được gọi là “vùng nhóm chức”. Vùng phổ từ 1300 - 626 4 cm-1 phức tạp hơn và thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là để xác định nhóm chức. Chính ở đây các dạng pic thay đổi nhiều nhất từ hợp chất này đến hợp chất khác, vì thế vùng phổ từ 1500 cm-1 được gọi là “vùng vân ngón tay”.
Phổ hồng ngoại của C5H11COOH Căn cứ vào phổ hồng ngoại đo được đối chiếu với các dao động đặc trưng của các liên kết, ta có thể nhận ra sự có mặt của các liên kết trong phân tử. Một phân tử có thể có nhiều dao động khác nhau và phổ hồng ngoại của các phân tử khác nhau thì khác nhau, tương tự như sự khác nhau của các vân ngón tay. Sự chồng khít lên nhau của phổ hồng ngoại thường được làm dẫn chứng cho hai hợp chất giống nhau. Phương pháp phổ khối lượng (MS) [1,4] Hình 1.
Hệ thống máy đo phổ khối lượng 5 Nếu trong các phương pháp phổ hồng ngoại, phổ từ ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân, người ta giữ nguyên phân tử để nghiên cứu thì ở phương pháp phổ khối lượng, người ta lại “phá hủy” phân tử để nghiên cứu chúng. Thoạt tiên mẫu được làm bay hơi, sau đó các phân tử ở thể khí bị bắn phá bởi chum electron với năng lượng cao. Để phá vỡ phân tử người ta có nhiều phương pháp: bắn phá bằng dòng electron (EI), phương pháp ion hóa hóa học (CI), phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh (FAB)… Dùng dòng eclectron có năng lượng cao để bắn phá phân tử là phương pháp hay được sử dụng nhất. Khi bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa sẽ trở thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc bị phá vỡ thành các ion và các gốc theo sơ đồ: ABC 2e (1) > 95% ABC e 2 ABC 3e (2) ABC- Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm hơn 95%, còn lại là các ion mang điện tích +2 và điện tích âm (-).
Năng lượng bắn phá các phân tử thành ion phân tử khoảng 10 eV. Nhưng với năng lượng cao thì ion phân tử có thể phá vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc các ion gốc, các gốc, hoặc phân tử trung hòa nhỏ hơn, nên người ta thường thực hiện bắn phá các phân tử ở mức năng lượng 70 eV. ABC A BC ABC AB B AB A B Sự phá vỡ 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.
6 Các ion ion dương hình thành đều có khối lượng m và mang điện tích e, tỉ số m/e được gọi là số khối z. Bằng cách nào đó 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 (Hình 3). Phổ khối lượng của hợp chất C16H34 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 qui luật phân mảnh. Đây là một trong những thông số quan trọng để qui kết chính xác cấu trúc phân tử của một chất cần nghiên cứu khi kết hợp nhiều phương pháp phổ với nhau.
Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Hình 1. Hệ thống máy đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân 7 Để nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất hữu cơ, phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân - một trong số những phương pháp vật lý hiện đại thường được sử dụng. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân phổ biến thường được sử dụng là 1H-NMR và 13C-NMR. Hạt nhân của nguyên tử 1H và 13 C có momen từ.
Nếu đặt proton trong từ trường không đổi thì moment từ của nó có thể định hướng cùng chiều hay ngược chiều với từ trường. Đó là spin hạt nhân có tính chất lượng tử với các số lượng tử +1/2 và -1/2. Độ chuyển dịch hóa học : Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có tần số cộng hưởng khác nhau. Đặc trưng cho các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có độ chuyển dịch hóa học δ; đối với hạt nhân 1H thì: TMS x 6 .10 ( ppm) o Trong đó: 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 6 .10 ( ppm) o Trong đó: νchuan, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ. Do ảnh hưởng của đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử nên hằng số chắn σ xuất hiện, vì vậy tùy thuộc vào vị trí của hạt nhân 1H và 13C trong phân tử khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn đến chúng có giá trị hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hóa học của mỗi hạt nhân khác nhau. Do đó proton nào cộng hưởng ở trường yếu hơn sẽ có độ chuyển dịnh hóa học lớn hơn [3]. 8 Dựa vào độ chuyển dịch hóa học ta biết được loại proton nào có mặt trong chất được khảo sát.
Giá trị độ chuyển dịch hóa học không có thứ nguyên mà được tính bằng phần triệu (ppm). Đối với 1H-NMR thì δ có giá trị từ 0-12 ppm, đối với 13C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của etanol Hằng số tương tác spin-spin J: Trên phổ NMR, mỗi nhóm hạt nhân không tương đương sẽ thể hiện bởi một cụm tín hiệu gọi và vân phổ, mỗi vân phổ có thể bao gồm một hoặc nhiều hợp phần. Nguyên nhân gây nên sự tách tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác của các hạt nhân có từ tính ở cạnh nhau.
Tương tác đó thể hiện qua các electron liên kết. Giá trị J phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân tương tác, số liên kết và bản chất các liên kết ngăn giữa các tương tác [3]. Hằng số tương tác spin-spin J được xác định bằng khoảng cách giữa các hợp phần của một vân phổ. Dựa vào hằng số tương tác spin-spin J ta có thể rút ra kết luận về vị trí trương đối của các hạt nhân có tương tác với nhau [2].
Phương pháp phổ HMQC và HMBC Hình 1. Phổ HMQC của ipsenol Phép thực nghiệm tương quan lượng tử bội dị hạt nhân HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Correlation) là sự tương quan của các spin dị hạt nhân được ghép cặp ngang qua liên kết đơn và do đó nhận biết các hạt nhân tiếp nối nhau, thường là 1H-13C. Phép thực nghiệm này được áp dụng để phát hiện các hạt nhân có độ nhạy cao, chẳng hạn 1H, 19F, 31P (trong “kĩ thuật nghịch đảo”). Về mặt lịch sử, phép thực nghiệm HMQC có trước phép thực nghiệm HETCOR.
Mặc dù có nhiều điểm khác nhau về mặt thực nghiệm, song sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ trong khi phép thực nghiệm HETCOR là phát hiện carbon, thì phép thực nghiệm HMQC là phát hiện proton. Vì có sự khác nhau lớn giữa proton và carbon về độ phổ biến tương đối của chúng và độ nhạy, nên hiện nay HMQC rất hay được sử dụng. Ưu điểm của phép thực nghiệm nghịch đảo so với các phép thực nghiệm phát hiện trực tiếp là ở chỗ, với phép thực nghiệm nghịch đảo, hạt nhân với γ lớn nhất (thường là 1H) được phát hiện với độ nhạy cao nhất. Phổ HMBC của ipsenol Phép thực nghiệm gắn kết dị hạt nhân qua nhiều liên kết HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Coherence) là sự tương quan của các spin được ghép cặp ngang qua nhiều liên kết và được áp dụng để phát hiện các hạt nhân có hạt nhân có độ nhạy cao như 1H, 19F, 31P (một “kĩ thuật nghịch đảo”).
Phổ HMQC dùng để phát hiện các ghép cặp nhỏ, có giá trị nhất trong tương quan 1H - 13C qua hai hoặc ba liên kết. Đây là một phương pháp cho phép ghép nỗi các mảnh cấu trúc với nhau. Tách và phân tích các đồng phân đối quang Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hợp raxemic bằng các phương pháp vật lý và hóa học.