Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các phương pháp xác định cấu trúc 1.Phương pháp phổ hồng ngoại(IR)[1,4] Phương pháp phổ hồng ngoại cho ta biết thông tin về nhóm chức và một số liên kết đặc trưng có mặt trong phân tử Cơ sở của phương pháp phổ hồng ngoại là: Trong phân tử hợp chất hữu cơ có một số dao động khi ta chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử bức xạ hồng ngoại kích thích các dao động phân tử. Những dao động dẫn tới sự biến đổi momen lưỡng cực của phân tử mới quan sát được trên phổ hồng ngoại. Có hai loại dao động khi bị tác động bởi bức xạ hồng ngoại là dao động hóa trị và 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.
Trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ, sự hấp thụ các bức xạ là do sự thay đổi năng lượng các trạng thái dao động của phân tử. Các phân tử khác nhau sẽ hấp thụ ở các vùng bức xạ khác nhau. Chỉ những dao động gây ra sự thay đổi phân cực mới phát sinh các dải trong phổ hồng ngoại. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử.
Trên phổ hồng ngoại trục hoành biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 - 400cm-1). Trong đó các nhóm nguyên tử trong hợp chất hữu cơ hấp thụ ở vùng 4000- 650cm-1. Vùng phổ từ 4000 - 1500cm-1 được gọi là vùng nhóm chức vì chứa hầu hết các vân hấp thu của các nhóm chức như OH, NH, C=O, C=N, C=C. Vùng phổ nhóm chức tập trung vào bốn vùng mà ở mỗi vùng, tần số đặc trưng của nhóm có giá trị thay đổi phụ thuộc vào cấu tạo của phân tử.
Vùng 3650-2400cm-1 chứa các vân dao động hóa trị của X-H (X: O, N, C, S, P); vùng 2400 -1900cm-1 gồm các vân do dao động hóa trị của các nhóm mang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn liên kết ba hoặc hai liên kết đôi kề nhau; vùng 1900 - 1500cm-1 chứa các vân dao động hóa trị của các nhóm mang liên kết đôi và do dao động biến dạng của nhóm -NH2. Vùng phổ 1500 - 700cm-1 mặc dù có chứa các vân hấp thụ đặc trưng cho dao động hóa trị của các liên kết đơn như C-C, C-N, C-O. và các vân do dao động biến dạng của các liên kết C-H, C-C. nhưng thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là để xác định các nhóm chức, vì ngoài vân hấp thụ trên còn có nhiều vân hấp thụ xuất hiện do tương tác mạnh giữa các dao động.
CH2 CO CH3 OH Hình 1. Phổ hồng ngoại của ethanol Phổ hồng ngoại được đo trên máy FTIR-Impact-410 bằng phương pháp viên nén KBr hoặc bao film - Viện Hóa học.Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)[1,4] Phổ cộng hưởng từ hạt nhân là phương pháp hiện đại quan trọng bậc nhất để xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ. Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương và luôn tự quay quang mình nó, khi quay nó sinh ramomen quán tính được gọi là momen spin và momen từ µ đồng thời mỗi hạt nhân nguyên tử còn được đặc trưng bởi số lượng tử spin I. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Khi hạt nhân nguyên tử nằm trong từ trường hấp thu hoặc phát xạ một bức xạ điện từ, thì chỉ có hạt nhân chứa số lẻ các proton hay neutron mới có momen từ sẽ được nhận diện và phân tích.
Các hạt nhân thường được đo nhất là 1H-NMR và 13C-NMR. Phổ NMR dựa trên sự ghi lại quá trình cộng hưởng từ sinh ra bởi các hạt nhân spin khác 0 được kích thích bởi năng lượng của tần số dưới tác động của từ trường bên ngoài. Do mỗi hạt nhân đặt trong từ trường ngoài đều chịu hiệu ứng chắn từ, hiệu ứng này khác nhau đối với mỗi loại hạt nhân trong phân tử,do các hạt nhân 1 H hoặc 13C trong phân tử chịu hiệu ứng chắn từ khác nhau nên chúng có tần số cộng hưởng khác nhau. Đại lượng đặc trưng cho khả năng cộng hưởng của các nguyên tố hoặc nhóm nguyên tố tương đương gọi là độ dịch chuyển hóa học, kí hiệu là δ, không có thứ nguyên.Giá trị δ có được là 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 dịch chuyển hóa học δ, đối với hạt nhân 1H thì: TMS x 6 .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 6 .10 ( 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Dựa vào độ chuyển dịch hóa học ta biết được loại proton nào có mặt trong chất được khảo sát. Đối với 1H-NMR thì δ có giá trị từ 0-12 ppm, đối với 13 C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm.
Một đại lượng cũng rất quan trọng trong phân tích NMR là hằng số tương tác J, đại lượng đặc trưng cho tương tác spin- spin, được tính bằng khoảng cách giữa hai đỉnh tín hiệu cần xác định tương tác, thứ nguyên là Hz. J = ∆δ x (tần số máy) Từ giá trị J cho ta biết mối quan hệ và vị trí của các proton, cho biết các thông tin về cấu trúc không gian của phân tử Hình 1. Phổ NMR của 2,2-dimethylpropanol Phổ proton 1H-NMR Trong phổ1H -NMR, độ dịch chuyển hóa học của các proton được xác định tùy thuộc vào mức độ lai hóa của các nguyên tử cũng như các đặc trưng riêng của từng phân tử. Mỗi loại proton cộng hưởng ở một trường khác nhau, vì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn vậy chúng được biểu diễn bằng một độ dịch chuyển hóa học khác nhau.
Dựa vào những đặc trưng của và tương tác J để có thể cung cấp các thông tin giúp xác định cấu trúc hóa học của hợp chất. Phổ cacbon 13C-NMR Phổ này cho tín hiệu vạch cacbon. Mỗi nguyên tử cacbon sẽ cộng hưởng ở một trường khác nhau và cho một tính hiệu phổ khác nhau. Thang đo cho phổ 13C- NMR cũng được tính bằng ppm nhưng với dải đo rộng hơn phổ proton, từ 0- 230ppm.
Ngoài ra, phổ 13C-NMR còn được ghi theo phương pháp DEP.Phổ này cho ta tín hiệu phân loại cacbon khác nhau. Trên phổ DEPT, tín hiệu của cacbon bậc 4 biến mất. Tín hiệu của CH và CH3 nằm cùng một phía, tín hiệu của CH2 nằm ở phía ngược lại đối với phổ DEPT 135. Trên phổ DEPT 90 chỉ xuất hiện tín hiệu phổ của các nhóm CH.
Với những hợp chất có cấu trúc đơn giản, hay gặp có thể xác định được cấu trúc chỉ với số liệu cộng hưởng từ hạt nhân một chiều (1H-NMR, 13C-NMR ). Với các chất phức tạp hơn thì cần tiến hành đo thêm các phổ NMR hai chiều (HSQC, HMBC). Cơ sở của phương pháp 2D - NMR là dựa theo nguyên tắc phổ cộng hưởng từ hạt nhân biến đổi Fourier (2D - FT/NMR) Phổ HSQC thể hiện mối liên quan giữa tín hiệu của proton 1H trên một trục với tín hiệu của nguyên tử 13C trên trục khác. Phổ HMBC: Đây là phổ thể hiện tương tác xa (2 liên kết và 3 liên kết) giữa cacbon và proton trong phân tử và nhờ đó mà từng phần của phân tử cũng như toàn bộ phân tử được xác định.
Phổ này đặc biệt thích hợp trong trường hợp phân tử chứa cacbon bậc bốn vì nó thể hiện mối liên quan của tín hiệu proton 1H ở một nguyên tử 13C với tín hiệu của 13C khác ở cách xa nó 2-3 liên kết thậm chí trong một số trường hợp là bốn liên kết. Vậy, Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) một chiều và hai chiều cho ta biết chi tiết về cấu trức phân tử. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Phổ NMR được ghi trên máy Bruker Avance 500 với TMS làm chất nội chuẩn tại Viện Hóa học.Phương pháp phổ khối lượng (MS) [1,4] Phương pháp phổ khối lượng viết tắt MS, là một phương pháp 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 của các vết hợp chất hữu cơ Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng đối với các hợp chất hữu cơ là phá vỡ phân tử trung hòa thành ion phân tử và các mảnh ion dương hoặc phá vỡ thành các mảnh ion, các gốc theo sơ đồ sau: M+ e- → M++ 2e- AB + e- → AB+. Các ion có độ bội điện tích (điện tích ≥2) chỉ được tạo thành rất ít so với ion có điện tích bằng 1 (≥95%).
Ion phân tử và các ion mảnh là các phân tử có khối lượng. Nếu gọi khối lượng của một ion là m và điện tích của nó là Z thì tỷ số m/z được gọi là số khối. Ion có tỷ số khối lượng điện tích khác nhau sẽ có bắn kính vòng quay khác nhau. Ion càng nặng thì đường cong chuyển động có bán kính càng lớn.
Điều này gọi là quét khối lượng hay quét phổ khối. Ion phân tử có số khối ký hiệu là M+ Sự phá vỡ phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá. Quá trình này gọi là quá trình ion hóa. Để phá vỡ phân tử có nhiều phương pháp ion hóa:Ion hóa bằng va chạm electron(EI), ion hóa hóa học (CI), ion hóa phun mù điện tử(ESI), ion hóa bắn phá nguyên tử nhanh(FAB).
Dòng electron có năng lượng cao để bắn phá phân tử là phương pháp sử dụng nhiều nhất. Quá trình bắn phá các phân tử hợp chất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn hữu cơ trung hòa để trở thành các ion phân tử mang điên tích dương hoặc bị phá vỡ thành các gốc theo nguyên tắc bảo toàn khối lượng và điện tích. Tùy thuộc vào mỗi phương pháp mà năng lượng bắn phá thay đổi.