Bài giảng phương pháp phổ - Chương 1: Đại cương về quang phổ

m. Các chất màu đậm khi đo phổ tử ngoại khả kiến cho max nằm ở vùng có bước sóng dài. Do đó, những hợp chất hữu cơ có mạch liên hợp dài thì cực đại nằm ở phía sóng dài. Các kiểu liên hợp sau: - Liên hợp  -  Loại này xuất hiện khi trong hợp chất có chứa các nối đôi liên hợp, các cực đại hấp thụ chuyển dịch mạnh về phía sóng dài và cường độ hấp thụ tăng khi số nối đôi liên hợp tăng. (1 – 2) 2  (1 * – 2 *)2 E <  E 1, E 2   > 1, 2 Cực đại hấp thụ tương ứng với bước chuyển dời của e   * của nối đôi biệt lập ít quan trọng vì nằm trong vùng tử ngoại chân không là max < 180 nm nhưng của hệ nối đôi H1 H2 H2 1 2 1 + 2 1 - 2 1 1 * 2 * 2 1 + 2 1 - 2 1 * + 2 * 1 * - 2 * E 2 E 1 E Sơ đồ kiểu liên hợp  -  27 liên hợp lại rất quan trọng liên quan chặt chẽ với hệ liên hợp của phân tử vì max nằm trong vùng tử ngoại khả kiến (max > 200 nm). Nguyên nhân của sự thay đổi này là do sự liên hợp giữa các liên kết  đã làm thay đổi mức năng lượng của các obitan (mức năng lượng của obitan liên kết có electron chiếm tăng lên còn mức năng lượng của obitan phản liên kết hạ xuống làm cho năng lượng của bước chuyển dời ele4ctrron giữa hai obitan giảm xuống do đó max tăng lên. Dải hấp thụ này kí hiệu là K. Dải K nằm về phía sóng ngắn nhưng cường độ hấp thụ lớn ( ~ 104). Của etilen cho đỉnh hấp thụ cực đại ở 175 nm của butadien ở 217 nm còn của hecxatrien ở 274 nm. Đối với vòng benzen còn xuất hiện dải hấp thụ ứng với bước chuyển dời của hệ thống electron có bước sóng 256 nm được gọi là dải B. - Liên hợp  - p Đây là sự liên hợp của nối đôi và cặp electron tự do ở các dị tố trong các liên kết đôi C=Z (Z=O, N, S) và C-X (X=Cl, Br, I) tương ứng với bước chuyển electron n  *. Sự liên hợp này dẫn đến sự chuyển dịch cực đại về phía sóng dài nhưng cường độ hấp thụ thấp. CH2 = CH2 CH2 = CH – CH =O -CH=O max = 175 nm max = 345 nm (n - 3* ) max = 305 nm (n - * ) ( - *) max = 218 nm ( - 3* ) max = 175 nm ( - * )  *  *  1 4 * n Sơ đồ kiểu liên hợp  - p 3 * 28 Khi mạch liên hợp  -  tăng lên thì bước chuyển n  * cũng rút ngắn, do đó cực đại hấp thụ chuyển dịch về phía sóng dài. Dải hấp thụ này được kí hiệu là dải R. Dải R có cực đại hấp thụ nằm về phía sóng dài hơn dải K nhưng cường độ hấp thụ luôn nhỏ hơn ( ~ 100). max nằm trong vùng 300-350nm. - Liên hợp  -  hay còn gọi là siêu liên hợp Nhóm ankyl thế ở liên kết  gây ra hiệu ứng siêu liên hợp. Hiệu ứng này làm cực đại hấp thụ chuyển dịch về phía sóng dài một ít nhưng không lớn như hai hiệu ứng trên, max không tăng hoặc tăng không đáng kể. Chuyển dịch bước sóng max về phía sóng dài: liên hợp   p > liên hợp    > liên hợp   . Sự tăng cường độ hấp thụ max: liên hợp    > liên hợp   p > liên hợp   . 3.1.3. Phân loại dải hấp thụ Trong phổ electron có các bước nhảy electron từ quỹ đạo có mức năng lượng thấp sang quỹ đạo có mức năng lượng cao như   *,   *, n  *, *. Vị trí của các đỉnh hấp thụ 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: tương ứng với bước nhảy electron n  *. Nó xuất hiện ở các hợp chất có chứa các dị tố với cặp electron tự do như O, N, S, và liên kết  trong phân tử. Đặc trưng của dải R là độ hấp thụ phân tử thấp, max thường nhỏ hơn 100. Mặt khác, nó luôn luôn còn lại trong phổ khi có sự thay đổi cấu tạo phân tử làm xuất hiện các dải khác ở sóng ngắn. Khi đó dải R chuyển dịch chút ít về phía sóng dài và có cường độ cao hơn. - Dải K: xuất hiện quang phổ của các phân tử có hệ thống liên hợp   * 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  như styren, benzadehyt hay axetophenon. Dải K tương ứng với bước nhảy electron   * và đặc trưng bởi độ hấp thụ cao, max > 10.000. - Dải B: đặc trưng cho quang phổ của phân tử hợp chất vòng thơm và dị vòng. Benzen có dải hấp thụ rộng chứa nhiều đỉnh cấu trúc tinh vi, ở vùng tử ngoại gần giữa 230 và 270 nm ( ~ 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 29 Ví dụ: stiren có dải K ở max = 244 nm (max = 12.000) và dải B ở max = 282 nm (max = 450). - Dải E: giống dải B là đặc trưng của cấu trúc vòng thơm. Ngồn 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 200nm. Độ hấp thụ phân tử của dải E thay đổi trong khoảng từ 2.000 đến 14.000. 3.1.4. Các chuyển dịch và hiệu ứng. - Chuyển dịch bathochrome (bathochrome shift): chuyển dịch max về vùng có bước sóng dài. - Chuyển dịch hypsochrome (hypsochrome shift): chuyển dịch max về vùng có bước sóng ngắn. - Hiệu ứng hyperchrome (hyperchrome effect): tăng cường độ hấp thụ max. - Hiệu ứng hypochrome (hypochrome effect): giảm cường độ hấp thụ max. 3.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cực đại hấp thụ max và cường độ hấp thụ max Trong phổ UV, đại lượng đặc trưng là max (max) và được xem xét căn cứ trên sự liên hợp của phân tử. 1. Hiệu ứng nhóm thế Khi thay thế nguyên tử H của hợp chất anken hay vòng thơm bằng các nhóm thế khác nhau, tùy theo nhóm thế đó có liên hợp hay không liên hợp đối với hệ nối đôi của phân tử mà ảnh hưởng nhiều hay ít đến phổ tử ngoại của phân tử. Đối với các nhóm thế không liên hợp (như CH3, CH2OH, CH2COOH) thì ảnh hưởng ít còn các nhóm thế liên hợp (như C=CR2, COOH, OH, NO2 ) có ảnh hưởng mạnh làm chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía sóng dài và tăng cường độ hấp thụ. 2. Hiệu ứng lập thể Khi tính đồng phẳng của phân tử bị mất đi thì sự liên hợp của phân tử bị phá vỡ, làm max giảm đi một ít nhưng max giảm nhiều, vì vậy có thể xem max là căn cứ để so sánh tính đồng phẳng của một dạng phân tử cho trước. Ví dụ: Xét phân tử biphenyl thế orto: gọi  là góc tạo nên giữa hai mặt phẳng chứa hai nhân phenyl, năng lượng liên hợp của phân tử được tính theo phương trình: 30 E = Emaxcos 2; Emax là năng lượng liên hợp khi  = 0.  (số nhóm thế) max (nm) max 0    45  > 45 (một nhóm CH3) = 90 (hai nhóm CH3) 248 236 226 19 000 10 000 800 Toluen 261 225 - Ví dụ: Các đồng phân cis và trans: - max (trans) lớn hơn max (cis) một ít nhưng max (trans) lớn hơn max (cis) một nhiều. - Đồng phân cis của hợp chất có mạch liên hợp dài có khả năng xuất hiện thêm một cực đại hấp thụ ở phía sóng ngắn hơn. Ví dụ: trans--caroten: 460 (148 000), cis--caroten: 340 (50 000), 460 (90 000). 3. Ảnh hưởng của dung môi Tùy theo bản chất phân cực của dung môi và chất tan mà phổ tử ngoại của chất tan thay đổi theo các cách khác nhau. Khi tăng độ phân cực của dung môi thì dải K chuyển dịch về phía sóng dài còn dải R (n  *) lại chuyển dịch về phía sóng ngắn. 3.1.6. Nguyên lý Franck-Condon Mỗi bước chuyển e đều kèm theo bước chuyển dao động và các bước chuyển này đều tuân theo quy luật kựa chọn gọi là nguyên lý Franck – Condon vì bước chuyển từ trạng thái e này sang một trạng thái e khác xảy ra rất nhanh (10-16s) trong khi đó dao động của hạt nhân xảy ra chậm hơn (10-12s) nên khoảng cách hạt nhân hầu như không thay đổi trong khoảng thời gian này. Theo nguyên lý Franck Condon thì ở trong sự kích thích e rất nhanh, bước chuyển giữa các trạng thái dao động nào không làm thay đổi khoảng cách hạt nhân sẽ có xác suất lớn nhất. Có hai trường hợp xảy ra: - Khi bị kích thích e, khoảng cách cân bằng giữa các nguyên tử không đổi (r = r0), đường cong thế năng ở trạng thái e cơ bản và bị kích thích e không lệch nhau đối với khoảng cách r. Bước chuyển dao động ’ = 0 sang ’’ = 0 có xác suất lớn nhất, trong cấu trúc dao độn của phổ tử ngoại có cường độ lớn nhất còn các đỉnh khác có cường độ nhỏ hơn. Đường phổ có cấu trúc không đối xứng. Đặc trưng là phổ của naphtalen 31 - Khi bị kích thích e, khoảng cách cân bằng giữa các nguyên tử lớn lên (r > r0), đường cong thế năng ở trạng thái e bị kích thích bị chuyển dịch so với trạng thái cơ bản. Bước chuyển dao động ’ = 0 sang ’’ = 0 không phải có xác suất lớn nhất mà lên trạng thái dao động cao có xác suất lớn hơn để đảm bảo cho khoảng cách các nguyên tử không đổi. Đường phổ có cấu trúc đối xứng. Đặc trưng là phổ của benzen. 3.2. Cấu tạo của phổ kế tử ngoại khả kiến Phổ tử ngoại và khả kiến được thiết kế đo cả vùng phổ từ 200 – 1000 nm. Nó gồm hai loại: loại 1 chùm tia đo điểm và loại hai chùm tia quét cả vùng phổ. Cả hai loại này đều gồm các bộ phận sau: 1. Ngồn sáng: dùng đèn Tungsten halogen (đo vùng 350-1000nm) và đèn đơteri hay đèn hiđro (đo vùng 200-350 nm). 2. Bộ chọn sóng: dùng kính lọc hoặc bộ đơn sắc. Bộ đơn sắc dùng lăng kính chế tạo bằng thạch anh hoặc cách tử (vạch từ 2000 – 3600 vạch/mm). 3. Detectơ: phổ biến dùng tế bào nhân quang, có độ nhay và độ bền cao. Một số máy hiện nay dùng detectơ là dàn diot gồm 1024 diot cho cả vùng tử ngoại và khả kiến. 4. Bộ phận đọc tín hiệu: loại máy đo điểm thường có bộ phận đọc tín hiệu là đồng hồ đo điện thế hoặc bộ phận hiện số. Máy hai chùm tia dùng bộ phận tự ghi hoặc ghép nối với máy vi tính và máy in. Sơ đồ cấu tạo của phổ kế hai chùm tia của hãng Perkin Elmer 3.3. Ứng dụng phổ tử ngoại – khả kiến. Phương pháp phổ tử ngoại và khả kiến có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực phân tích định tính, phân tích cấu trúc phân tử và phân tích định lượng. Nguyên tắt của phương pháp phân tích định lượng là dựa vào mối quan hệ giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch theo định luật Lambert – Beer. Ưu điểm của phương pháp quang phổ tử ngoại và khả kiến trong phân tích định lượng là có độ nhạy cao, có thể phát hiện được một lượng nhỏ chất hữu cơ hoặc ion vô cơ trong dung dịch, sai số tương đối nhỏ (chỉ 1 đến 3%) Ngoài ra, nó cũng còn được sử dụng để xác định hằng số cân bằng, hằng số phân li và nghiên cứu động. 3.3.1. Phương pháp đo một bước sóng 32 Để phân tích một mẫu có thể thực hiện theo cách đơn giản là đo một mẫu chuẩn và mộ mẫu phân tích rồi tính toán theo công thức dưới đây. Gọi nồng độ của chất chuẩn là Ck, của mẫu phân tích là Cx, dựa theo định luật Lambert – Beer có thể viết: Dk = kCkdk hay k = Dk/Ckdk Dx = xCxdx hay x = Dx/Cxdx với: Dk, Dx là mật độ quang của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích. dk, dx là chiều dày lớp mỏng của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích. k, x là hệ số hấp thụ mol. Ck, Cx là nồng độ của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích. Từ hai phương trình trên suy ra: xk kkx x dD dCD C  Nếu chọn cuvet đo mẫu chuẩn và mẫu phân tích có chiều dày như nhau tức là dk = dx thì có thể viết: k kx x D CD C  Ck là nồng độ mẫu chuẩn được pha chính xác, Dk và Dx là giá trị đo được trên máy do đó tính được nồng độ mẫu phân tích. 3.3.2. Phương pháp lập đường chuẩn 1. Chọn max 2. Pha dãy chất chuẩn có nồng độ tăng (giảm) dần. 3. Đo mật độ quang của các mẫu ở bước sóng trên. 4. Vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang D vào nồng độ C, đường biểu diễn của đồ thị này được gọi là đường chuẩn. 5. Pha mẫu phân tích sao cho nồng độ dung dịch mẫu đo nằm trong giới hạn tuyến tính của đường chuẩn. Sau khi đo mẫu phân tích nhận giá trị Dx rồi đối chiếu trên đồ thị đọc được giá trị Cx. 3.4. Phân giải phổ UV-VIS 3.4.1. Dạng phổ U-VIS D(), D(), D(lg);  33 3.4.2. Phân giải phổ UV-VIS Phổ tử ngoại của -carotene trong dungmôi n-hexan, etanol Phổ tử ngoại của metyl propinyl xeton 34 Dựa vào max , có thể biết được loại liên kết - max < 150nm: chỉ có loại liên kết σ của hợp chất no. - max > 150 nm: có liên kết bội - max quanh vùng 200 – 260 nm có thể có benzen và benzen thế. - max >280 nm: hệ liên hợp max càng lớn thì hệ liên hợp càng dài. 35 CHƯƠNG 4. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ CHTHN) viết tắt của tiếng Anh là NMR (nuclear Magnetic Resonance) là một phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu tạo của các hợp chất hữu cơ, nó có ý nghĩa quan trọng để xác định cấu tạo các phân tử phức tạp như các hợp chất thiên nhiên. Phương pháp phổ biến được sử dụng là CHTHN-1H và phổ CHTHN-13C. 4.1. Cơ sở vật lý học 4.1.1. Hạt nhân trong từ trường - Hạt nhân của mỗi đồng vị của một nguyên tử được đặc trưng bởi số lượng tử spin I và số lượng tử từ m. I: số lượng tử của spin hạt nhân (I = 0, ½, 1, 3/2, 5/2 ) mI: số lượng tử từ hạt nhân mI = (2I+1) có các giá trị khác nhau là -I, -I + 1, cho đến +I. - Thực nghiệm: mỗi hạt nhân nguyên tử có một số lượng tử spin I hạt nhân nhất định, phụ thuộc vào số khối của nguyên tử A và số thứ tự của nguyên tử là Z: Số khối A lẻ chẵn chẵn Số thứ tự Z Chẳn/lẻ Chẳn lẻ Số lượng tử từ spin ½, 3/2, 5/2 0 1, 3, 5 Các hạt nhân của nguyên tử tích điện dương, luôn luôn tự quay quanh trục của nó, khi quay như vậy, nó sinh ra một mômen quán tính gọi là momen spin hạt nhân P và momen từ µ. Mặt khác, khi hạt nhân nguyên tử quay quanh trục của nó thì điện tích hạt nhân sẽ chuyển động trên một vòng tròn quanh trục quay, làm xuất hiện một dòng điện. Mỗi một dòng điện bao giờ cũng kèm theo một từ trường nên khi hạt nhân quay cũng xuất hiện một từ trường có mômen từ µ và hạt nhân trở thành một nam châm vĩnh cửu. Mômen spin hạt nhân P tỷ lệ thuận với momen từ µ: P. (1) γ: hệ số từ thẩm đặc trưng cho mỗi hạt nhân nguyên tử. Giá trị tuyệt đối của momen spin hạt nhân P tính theo I: P = (h/2π).I (2) Giá trị tuyệt đối của momen từ µ tính theo I: µ = γ (h/2π).I (3) 36 I: số lượng tử spin hạt nhân. I = 0 thì µ = P = 0 I ≠ 0 thì µ ≠ 0 và P ≠ 0: hạt nhân được gọi là hạt nhân từ. Đây là điều kiện để có cộng hưởng từ. Bảng 1. Những hạt nhân thường gặp trong hợp chất hữu cơ đồng vị % trong tự nhiên số proton số nơtron I µ độ nhạy tương đối H1 99,98 1 0 ½ 2,793 1,000 D2 1,56.10 -2 1 1 1 0,857 9,64.10-3 C12 98,89 6 6 0 C13 1,108 6 7 ½ 0.702 1,59.10 -2 N14 99,635 7 7 0 0.404 1,01.10-3 N15 0.365 7 8 5/2 -0,283 1,04.10-3 O16 99,96 8 8 3/2 O17 3,7.10-2 8 9 3/2 -1,893 2,91. 10-2 Cl35 75,4 17 18 3/2 0.821 4,71.10-3 Cl37 24,6 17 20 3/2 0.683 2,72.10 -3 Br79 50,57 35 44 3/2 2,099 7,86.10-2 Br81 49,43 35 46 3/2 2,263 9,84.10 -2 F19 100 19 0 ½ 0,833 P31 100 31 0 ½ 6,6310-2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân phụ thuộc vào % đồng vị và momen từ µ. Khi µ càng lớn thì độ nhạy càng cao. 4.1.2. Sự tách mức năng lượng của hạt nhân trong từ trường ngoài 1. Kim nam châm nhận bất kỳ năng lượng nào của từ trường ngoài Một kim nam châm trong từ trường của trái đất thì kim nam châm sẽ hướng theo từ trường của trái đất. Nếu làm lệch kim nam châm một góc θ rồi thả kim nam châm tự do thì nó sẽ chuyển động trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Vị trí cân bằng là vị trí có mức năng lượng thấp nhất. Góc lệch càng cao thì năng lượng E của kim nam châm càng lớn: 37 00.BE  (4)  cos.BE 0 (4’) Cosθ = (-1,+1) nên E = (+µB0, -µB0) có giá trị liên tục. E: năng lượng của kim nam châm; B0: cường độ của từ trường ngoài. µ: giá trị tuyệt đối momen từ của nam châm. θ: góc lệch 2. Hạt nhân từ khác với kim nam châm, chỉ nhận năng lượng gián đoạn (lượng tử hoá) Khi không ở trong từ trường, các hạt nhân có cùng µ đều ở mức năng lượng bằng nhau. Khi đặt một hạt nhân từ vào trong một từ trường ngoài có cường độ B0 thì các momen từ µ của hạt nhân từ sẽ xoay theo hướng có đường sức từ của từ trường ngoài. Hạt nhân nguyên tử từ khi ở trong một từ trường ngoài khác với một kim nam châm trong từ trường của trái đất: hạt nhân từ không phải tiếp nhận bất kỳ một vị trí nào của từ trường bên ngoài mà nó chỉ ở một số vị trí nhất định trong không gian tương ứng với một số trạng thái năn lượng xác định nghĩa là năng lượng của hạt nhân từ được thể hiện qua giá trị của cosθ: cosθ = m/I (5) I: số lượng tử của spin hạt nhân (I = 0, ½, 1, 3/2, 5/2) mI: số lượng tử từ hạt nhân (m = -I đến +I) có 2I + 1 giá trị Ví dụ 1: Hạt nhân 1H, 13C, 31P; có I = ½ Khi I = ½ thì mI = -½ và ½ và mI có 2.1/2 + 1 = 2 giá trị Từ (5) suy ra cosθ = -1 và +1 nên θ = 0 và θ = π Ví dụ 2: Hạt nhân 2D, 14N; I = 1 Khi I = 1 thì mI = -1,0,+1 có 2.1+1 = 3 giá trị Từ (5) suy ra cosθ = -1,0,1 nên θ = π/4; θ = 0 và θ = 3π/4 3. Sự tách mức năng lượng của hạt nhân trong từ trường ngoài Các hạt nhân nguyên tử 1H, 13C, 31P có số lượng tử spin hạt nhân I = ½ và số lượng tử từ mI = -½ và ½, khi đặt chúng vào trong từ trường của nam châm thì các spin này sẽ quay hướng ngược chiều nhau và chiếm hai mức năng lượng khác nhau có hiệu số là: 00 B2 1 hayB 2 h .hE      38 Ở đây: I 2 h I m ..Bcos..BE 00          Do đó: 0B.m.2 h E    Khi m = ½: 01 B..2 h 2/1E         m = -½: 02 B..2 h 2/1E         Vậy: 00 B..2 1 hayB.. 2 h .hE      Ở đây, ∆E là năng lượng cộng hưởng, ν là tần số cộng hưởng, B0 là cường độ của từ trường nam châm, γ là hệ số từ thẩm, mỗi hạt nhân có giá trị khác nhau như γ(1H) ~ 4γ(13C). Hình vẽ sau chỉ ra sơ đồ phân tách mức năng lượng của hạt nhân từ đặt trong từ trường ngoài, hạt nhân có số lượng tử từ m = ½ có mức năng lượng thấp còn hạt nhân từ có số lượng tử từ m = -½ có mức năng lượng cao, hiệu số giữa hai mức năng lượng là ∆E. Sự phân bố này không bằng nhau, số hạt nhân ở năng lượng thấp bao giờ cũng nhiều hơn số hạt nhân nằm ở mức năng lượng cao một ít và tuân theo sự phân bố Boltzman: 1e N N kT E 1 2    N1: số hạt nhân chiếm mức năng lượng thấp N2: số hạt nhân chiếm mức năng lượng cao E m = -1/2 m = 1/2 ∆E = (h/2)B0 vắng từ trường 39 T: nhiệt độ tuyệt đối 4. Điều kiện để kích thích hạt nhân từ (đã tách mức năng lượng trong từ trường B0) Muốn xảy ra hiện tượng cộng hưởng phải chiếu vào hạt nhân một từ trường B1 có tần số cộng hưởng là ν1 sao cho B1 vuông góc với B0. Khi đó: 0101 B..2 1 B.. 2 h Eh      ν1 là tần số cộng hưởng từ (tương ứng với năng lượng cần kích thích hạt nhân chuyển từ mức thấp lên mức cao nằm trong vùng sóng vô tuyến 108 – 106 Hz 4.1.3. Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Khi cho một từ trường B0 tác dụng lên các phân tử có chứa hạt nhân thì sẽ dẫn tới sự tách mức năng lượng và dẫn đến sự phân bố các hạt nhân theo cân bằng Boltzmann. Trong từ trường B0, các hạt nhân không nằm yên mà ở trạng thái cân bằng động. Nếu muốn phá vỡ trạng thái cân bằng động này cần phải cung cấp năng lượng từ ngoài vào bằng cách cho một từ trường khác có cường độ B1 tác dụng vào các phân tử này. Điều đó sẽ làm thay đổi lại sự phân bố các hạt nhân giữa hai mức năng lượng trên. Một số hạt nhân sẽ hấp thụ năng lượng của từ trường B1 để nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao và ngược lại, một số hật nhân ở mức năng lượng cao sẽ bức xạ năng lượng để chuyển xuống mức năng lượng hấp. Năng lượng cần thiết để cung cấp cho quá trình thay đổi đó đúng bằng ∆E = năng lượng cộng hưởng từ nhân. Quá trình hấp thụ năng lượng ∆E để phân bố lại cân bằng đôngj trong từ trường B1 gọi là hiện tượng cộng hưởng từ nhân. Hiện tượng cộng hưởng từ xảy ra khi hạt nhân hấp thụ các năng lượng có tần số bằng ν0 được gọi là tần số cộng hưởng từ. 4.2. Độ chuyển dịch hoá học 4.2.1. Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng Hằng số chắn xuất hiện do hai nguyên nhân: - Hiệu ứng nghịch từ: các điện tử bao quanh nguyên tử sinh ra một từ trường riêng, ngược chiều với từ trường ngoài nên làm giảm tác dụng của nó lên hạt nhân nguyên tử. Lớp vỏ điện tử càng dày đặc thì từ trường riêng ngược chiều với từ trường ngoài càng lớn tức hằng số chắn càng lớn. 40 Sơ đồ hiệu ứng nghịch từ Vì vậy, các proton nằm trong các nhóm có nguyên tử hay nhóm nguyên tử gây hiệu ứng –I (Cl, Br, I, NO2) sẽ có hằng số chắn nhỏ, trái lại khi các nhóm nguyên tử gây hiệu ứng +I (CH3, C2H5) sẽ có hằng số chắn lớn. - Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phân tử là lớp vỏ điện tử, các điện tử này chuyển động sinh ra một dòng điện vòng, do đó xuất diện một từ trường riêng có hướng thay đổi ngược hướng hoặc cùng hướng với từ trường ngoài. Tập hợp tất cả các điểm trên các đường sức mà tại đó tiếp tuyến vuông góc với từ trường ngoài sẽ tạo nên một mặt parabon. Phía trong mặt parabon, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vì từ trường riêng ngược hướng với từ trường ngoài, còn phía ngoài parabon thì từ trường tổng hợp lớn hơn B0 vì từ trường riêng cùng hướng với từ trường ngoài. Do đó hằng số chắn phía ngoài parabon nhỏ còn phía trong thì có hằng số chắn lớn nghĩa là độ chuyển dịch học cùng các proton nằm phía ngoài parabon sẽ lớn còn phía trong sẽ nhỏ. Sơ đồ hiệu ứng thuận từ ở: a) benzen; b) nhóm C=C; c) nhóm C=O; d) nhóm C≡C Khi đặt một hạt nhân nguyên tử vào một từ trường ngoài B0 thì các e quay quanh hạt nhân cũng sinh ra một từ trường riêng B’ có cường độ ngược hướng và tỷ lệ với từ trường ngoài: B’ = -σB0 41 Từ trường thực tác dụng lên hạt nhân là: Be = B0 – B’ = B0 – σB0 Be = B0 (1-σ) Be là từ trường hiệu dụng σ: là hằng số chắn có giá trị khác nhau đối với mỗi hạt nhân nguyên tử trong phân tử. Phụ thuộc vào số e, nếu số e càng nhiều thì σ càng lớn. Hằng số chắn tỷ lệ thuận với điện tích e, mật độ e bao quanh hạt nhân và tỷ lệ nghịch với khối lượng e. Hằng số chắn σ càng lớn thì từ trường hiệu dụng Be càng nhỏ. 4.2.2. Độ chuyển dịch hoá học Đối với các hạt nhân trong phân tử càng phức tạp trong nguyên tử do ảnh hưỏng của các đám mây electron của các nguyên tử bên cạnh. Ví dụ: xét 1H ở nhóm CH3 của phân tử TMS (CH3)4Si và 1H ở nhóm CH3 của axeton: Do ảnh hưỏng của nhóm CO hút e làm cho đám mây electron ở 1H của axeton < ở 1H của TMS nên: σ 1H (TMS) > σ 1H (aceton) Be (TMS) < Be (aceton) tại vị trí hạt nhân 1H trong TMS so với trong aceton. 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 là giá trị độ chuyển dịch hoá học δ. Với cùng một từ trường ngoài B1, để có tín hiệu cộng hưởng của 1H với từ trường, tần số cộng hưởng (aceton) > TMS hoặc từ trường sử dụng đối với TMS phải có cường độ lớn hơn đối với aceton. Có hai phương pháp tạo ra điều kiện thoả mãn điều kiện cộng hưởng (ν1=(1/2π).γ.B0) để ghi tín hiệu cộng hưởng. 1. Phương pháp quét trường: thay đổi B0 Đặt TMS và aceton vào từ trường B0 và sử dụng một từ trường bổ sung, tăng dần cường độ của từ trường bổ sung để đến một lúc nào đó cường độ từ trường hiệu dụng tác động lên xuất hiện tín hiệu cộng hưởng. Vì Be(TMS) < Be (aceton) nên chỉ cần bổ sung một giá trị từ trường B0 – Be nhỏ hơn thì ở aceton đã xuất hiện tín hiệu cộng hưởng trong khi đó thì từ trường tác dụng lên vị trí hạt nhân 1H (TMS) chưa đủ mạnh chưa có tín hiệu cộng 42 hưởng. Tiếp tục tăng từ trường bổ sung đến một giá trị nào đó để từ trường tác dụng lên 1H(TMS) đạt bằng B0 thì xuất hiện tín hiệu cộng hưởng của 1H (TMS). Phổ 1H-NMR của hỗn hợp axeton-TMS Khoảng cách giữa hai tín hiệu của TMS và aceton là: 0acetonTMS0aceton00TMS0 B)()BB()BB(B  Khoảng cách này vừa phụ thuộc vào hằng số chắn σ vừa phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài B0. acetonTMS 0B B    Chỉ phụ thuộc vào hằng số chắn, không phụ thuộc vào từ trường của thiết bị. 2. Phương pháp quét tần Giữ nguyên từ trường B0, thay đổi tần số ν của từ trường B1 để có sự cộng hưởng ở aceton > TMS. - Khi đặt hai hạt nhân nguyên tử 1H của cùng nguyên tố hydro của TMS và của aceton vào một từ trường ngoài B1, khi có cộng hưởng thì:    aceton0aceton TMS0TMS 1B.. 2 1 1B.. 2 1                 Hiệu số: )(B.. 2 1 acetonTMS0acetonTMS      acetonTMS1 Với kỹ thuật đo này cũng có thể ghi nhận được δ là đại lượng không phụ thuộc vào thiết bị bên ngoài. axeton TMS (xuất hiện muộn nhất 1H (axeton) 43 Như vậy, dù thay đổi cường độ từ trường ngoài B1 hay thay đổi tần số sóng radio đều có thể biểu diễn theo δ là đại lượng không phụ thuộc vào thiết bị bên ngoài. Trong kỹ thuật đo, người ta không thể đo được giá trị tuyệt đối của νTMS, νaceton và σ nhưng có thể đo được khoảng cách giữa hai tín hiệu proton ∆ν, ∆ν thay đổi tuỳ theo độ lớn của từ trường B1 nhưng δ không thay đổi. TMS là chất có hằng số chắn lớn nhất nên dùng nó làm chất chuẩn để đo độ chuyển dịch hoá học.Đối với hạt nhân 1H thì: 0 TMSH HTMS    Ở đây, σTMS là hằng số chắn của chất chuẩn TMS (tetrametylsilan), σH là hằng số chắn của hạt nhân mẫu đo, νTMS νH là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu đo. Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử, do đó tuỳ 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 hoá học của mỗi hạt nhân khác nhau. Tổng quát: δ = σTMS – σX σX: hằng số chắn của chất cần đo. δ không có thứ nguyên mà được tính bằng phần triệu (ppm). Đối với phổ CHTHN 1H thì δ có giá trị từ 1 đến 12 ppm còn phổ 13C thì δ có giá trị từ 0 đến 220ppm. Vậy độ chuyển dịch hoá học δ là đại lượgn đặc trưng cho những hạt nhân cùng loại của một đồn vị bị che chắn tương đương nhau trong một hợp chất. Nó không phụ thuộc vào thiết bị bên ngoài (cường độ từ trường hay tần số sóng) không có thứ nguyên và được tính bằng ppm. Ví dụ: + Phân tử C6H5-CO-CH3, phổ CHTHN 1H có: ĐCDHH δ = 7,5-8,2ppm của C6H5 δ = 2,5ppm của CH3 + Phân tử CH2=CH-COO-CH2CH3, phổ CHTHN 1H có: ĐCDHH δ = 6,2 ppm của =CH2 và 5,8 ppm của =CH 44 δ = 4,2 ppm của –CH2- v à 1,2 ppm của CH3 Thang ĐCDHH Dựa vào độ chuyển dịch hoá học có thể xác định được cấu tạo của phân tử. Ví dụ: phân tử CH3CH2OH sẽ cho 03 tín hiệu đặc trưng cho mỗi nhóm: 4.3. Tương tác spin – spin Phân tử etanol CH3CH2OH lẽ ra trong phổ CHTHN- 1H chỉ có 3 tín hiệu ứng với 03 nhóm CH3, CH2 và OH nhưng trên phổ thực nghiệm xuất hiện bội đỉnh ở mỗi nhóm: CH3 là 03 đỉnh, CH2 là 04 đỉnh và OH là 03 đỉnh (với etanol khan tuyệt đối) hoặc 1 đỉnh (etanol thường) như hình vẽ dưới: 3,7 2,5 1,2 0 δ, ppm HO CH2 CH3 3,7 2,5 1,2 0 δ, ppm HO CH2 CH3 45 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 1H của etanol Nguyên nhân của sự xuất hiện bội đỉnh này là do sự tương tác của các proton nằm cạnh nhau. Mỗi proton giống như một nam châm nhỏ, nó sinh ra hai từ trường phụ ngược chiều nhau tác dụng lên proton ở bên cạnh làm phân tách mức năng lượng của từ trường ngoài B0 tác dụng lên proton đó, kết quả sinh ra tín hiệu bội, sự phân tách mức năng lượng thế nào tuỳ thuộc vào số proton ở mỗi nhóm. Hiện tượng này được gọi là tương tác spin – spin. Để hiểu rõ vấn đề này, có thể khảo sát một ví dụ cụ thể là sự tương tác của các proton trong phân tử 1,1,2-tricloetan dưới đây trong đó các proton được kí hiệu là Ha, Hb, Hc. Trước tiên, có thể coi Ha là một nam châm nhỏ, nó sinh ra hai từ trường phụ ngược chiều nhau. Từ trường phụ này tác dụng lên vùng quanh hạt nhân Hb và Hc có thể qua không gian hoặc e liên kết, phân tác dụng qua không gian gọi là tương tác trực tiếp nhưng đối với 46 chất khí và lỏng nó xảy ra rất nhanh không đo được, phần tác dụng qua e xảy ra chậm hơn có thể phát hiện được gọi là tương tác không trực tiếp. Đối với chất rắn có thể đo được tương tác spin – spin qua không gian, kết qua cho một tín hiệu rộng. Ở đây, hạt nhân Ha tác dụng lên hạt nhân Hb và Hc 2 từ trường phụ ngược chiều nhau, làm phân tách mức năng lượng của từ trường ngoài tác động lên Hb và Hc thành 2 mức do đó cho hai tín hiệu phổ. VÌ Hb và Hc được cọi là tương đương nên 2 tín hiệu phổ này là của cả Hb và Hc. Ngược lại, Hb và Hc cũng tác động lên Ha bằng hai từ trường phụ ngược chiều nhau, tổ hợp lại ta sẽ có các hình khác nhau như hình dưới: Hb ↑ ↑↓ ↓ ↑ B0 Hc ↑ ↓↑ ↓ Nhìn sơ đồ trên thấy có ba trường hợp khác nhau: thứ nhất Hb và Hc tác động lên Ha ngược chiều nhau, trường hợp thứ 3 cả Hb và Hc tác động lên Ha hai từ trường phụ ngược chiều nhau với từ trường ngoài Bo. Kết quả là mức năng lượng B0 tác động lên Ha phân tách làm ba mức và do đó cho ba tín hiệu phổ khác nhau như hình vẽ trên ứng với nhóm Cl2CH- nhận được ba đỉnh còn đối với nhóm ClCH2- nhận được 2 đỉnh. Độ bội của tín hiệu (số đỉnh trong mỗi nhóm) phụ thuộc vào số proton nhóm bên cạnh mà nó tương tác. Độ bội M = N + 1 (N-số của những hạt nhân từ tương đương ở bên cạnh) Ví dụ: độ bội của các nhóm như sau: 1) 1,1,2-Tricloetan: Cl2CH-CH2Cl CHCl2: 2+1 = 3 đỉnh 1+1 = 2 đỉnh : CH2Cl Nhóm CH có 3 đỉnh còn nhóm CH2có 2 đỉnh 2) Etanol: HO – CH2 – CH3 CH3: 3 + 1 = 4 đỉnh 2 + 1 = 3 đỉnh Nhóm CH2 có 4 đỉnh còn nhóm CH3 có 3 đỉnh 3) 2 – Clopropan Cl-CH(CH3)2 CH: 6 + 1 = 7 đỉnh 1 + 1 = 2 đỉnh: CH3 Nhóm CH có 7 đỉnh còn 2 nhóm CH3 có hai đỉnh vì 2 nhóm CH3 tương đương coi như có 6H như nhau. 47 Tỷ lệ cường độ tín hiệu của mỗi nhóm tuân theo tam giác Pascal như sau: Tỷ lệ chiều cao các vạch trong mỗi nhóm Số đỉnh Ký hiệu Số proton (N) 1 1 đỉnh Singlet 0 1:1 2 đỉnh duplet 1 1:2:1 3 đỉnh Triplet 2 1:3:3:1 4 đỉnh Qualet 3 1:4:6:4:1 5 đỉnh Quynlet 4 1:5:10:10:5:1 6 đỉnh Sexlet 5 1:6:15:20:15:6:1 7 đỉnh septet 6 Nhìn sơ đồ trên thấy các nhóm tín hiệu có độ bội lớn thì cường độ tín hiệu đỉnh giữa và đỉnh ngoài gấp nhau nhiều lần vì thế đối với nhóm 6, 7 đỉnh trở lên thì chỉ xuất hiện một số ít hơn. Ví dụ nhóm 7 đỉnh thường chỉ xuất hiện 5 đỉnh. Ngoài ra khoảng cách giữa hai đỉnh liền nhau ở mỗi nhóm được đo bằng Hertz (Hz) và được gọi là hằng số tương tác spin-spin J. Đây là một thông số phổ quan trọng như độ chuyển dịch hoá học. 4.4. Đường cong tích phân tín hiệu Diện tích giới hạn bởi đường cong phổ tỷ lệ với số proton của mỗi nhóm nhưng do việc đo diện tích này khó chính xác nên người ta sử dụng đường cong tích phân để xác định tỷ lệ số proton của mỗi nhóm, vì chiều cao của bậc thang tỷ lệ với số proton ở mỗi nhóm. Ngoài ra, chiều cao bậc thang còn tỷ lệ với nồng độ chất trong dung dịch, do đó người ta có thể tính được nồng độ chất dựa vào đường chuẩn và chất chuẩn. Ví dụ, phân tử toluen C6H5 cho hai nhóm tín hiệu ứng với phân phenyl (chứa 5H) và với nhóm metyl (chứa 3H) thì diện tích này sẽ là: S (C6H5) : S (CH3) = 5:3 S: diện tích của mỗi tín hiệu Tuy nhiên việc tính toán diện tích này thường khó khăn do sự xuất hiện đa vạch ở mỗi nhóm. Để khắc phục trở ngại này, người ta sử dụng kỹ thuật tích phân tín hiệu, vẽ các đường cong bậc thang. Chiều cao của các bậc thang trên mỗi nhóm tín hiệu cộng hưởng cũng tỷ lệ với số proton của mỗi nhóm. Đường cong này được gọi là đường cong tích phân. 48 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của etylbenzen. Chiều cao bậc thang đường cong tích phân tỷ lệ với số proton ởmoix nhóm 4.5. Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H Nhiệm vụ của phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân là phải tìm được các thông số từ các phổ ghi ra. Ở đây, giới hạn ở việc tìm các giá trị: độ chuyển dịch hoá học δ và hằng số tương tác spin – spin (J) của các proton và các hạt nhân khác có I = ½. 4.5.1. Kí hiệu của phổ Khi giữa hai hay nhiều hạt nhân trong phân tử có tương tác spin – spin với nhau người ta nói đến hệ hạt nhân. Người ta ký hiệu các hạt nhân đó bằng các chữ cái A, B, C, , M,X, Y... Các hạt nhân của cùng loại hạt nhân và có độ chuyển dịch hoá học như nhau gọi là các hạt nhân tương đương và được ký hiệu bằng một loại chữ cái, còn số lượng các hạt nhân này được ghi bằng chữ số ở phía dưới bên phải ví dụ: A2B, A2X Sự đánh giá các phổ phụ thuộc vào tỷ lệ của hiệu số độ chuyển dịch hoá học và hằng số tương tác spin: K JJ 1212 21     Nếu hiệu số của độ chuyển dịch hoá học của hai nhóm hạt nhân nhỏ hơn hằng số tương tác của chúng (K < 1) thì người biểu diễn những hạt nhân này bằng các chữ cái liên tiếp nhau. Ví dụ: AB, A2B, ABC. 49 Ngược lại, nếu hiệu số của độ chuyển dịch hoá học lớn hơn hằng số tương tác của chúng thì người ta biểu diễn hệ hạt nhân bằng chữ cái ở cách xa nhau; ví dụ: AX, A2X, AMX, Trường hợp K > 6 thì xếp vào phổ bậc 1. Còn lại xếp vào phổ bậc cao. 4.5.2. Phổ bậc 1 Đối với phổ bậc 1, có thể áp dụng quy tắt số vạch tối đâ và tỷ lệ chiều cao các đỉnh trong một nhóm tuân theo quy tắt Pascan. Hệ phổ bậc 1 thường có dạn AmXn và AmMnXy. Các hệ phổ AX có hể tìm thấy số đỉnh của mỗi nhóm dễ dàng và hằng số tương tác J và tần số νA hay νX. Ví dụ: 50 Trường hợp chung AnMmXy cũng thu được 3 nhóm đỉnh nhưng số đỉnh ở mỗi nhóm phụ thuộc vào số proton ở nhóm bên cạnh. Ví dụ, ở hợp chất 1-nitropropan CH3-CH2-CH2- NO2 thuộc về hệ phổ A3M2X2 cho phổ cộng hưởng từ hạt nhân ở hình sau: Nhờ sự khác biệt về độ chuyển dịch hoá học và tương tác spin – spin của các hạt nhân nên có thể xác định được cấu tạo các phân tử. Hình 3. chỉ ra phổ 1H-NMR của etylformiat HCOCH2CH3 cho δCHO = 8,1 ppm, δCH2 = 4,2 (4 đỉnh) và δCH3 = 1,3 ppm (3 đỉnh). 4.5.2. Phổ bậc cao AB, A2B và ABX Tất cả các loại phổ không thể phân tích theo phổ bậc 1 gọi là phổ bậc cao. Hầu hết các loại phổ này có (νA – νB) ≈ JAB. Người ta ký hiệu các hạt nhân bằng các chữ cái liên tiếp nhau, ví dụ AB, ABC, A2B. Việc phân tích các loại phổ này phức tạp hơn các phổ bậc1, trong nhiều trường hợp không thể phân tích trực tiếp được. Dưới đây trình bày một vài trường hợp đơn giản của loại phổ này. 1. Phổ AB Các phổ được xếp vào phổ bậc cao có K < 6 đơn giản nhất là hệ AB và ABX. Để tìm các thông số δ và J trực tiếp trên phổ như hệ phổ bậc 1, ta xét ví dụ phổ AB gồm hai cặp nhóm đỉnh, các thông số được tính theo công thức: )(5,0 32AB    3241AB  2 AB ABA   2 AB ABA   51    4321ABJ  Ví dụ: phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 3-brom-2-tert-butoxithiophen 2. Phổ A2B phổ lý thuyết của A2B Phổ A2B là hệ gồm 3 hạt nhân tương tác với nhau trong đó có hai hạt nhân tương đương. Phổ gồm hai phần, về lý thuyết phần A vó 8 đỉnh và phần B có 6 đinh (hình vẽ) nhưng phổ thực thì số đỉnh ít hơn. Ví dụ, phổ 1H-NMR của 1,3,4 – tribrombut-1-in phần A 52 chỉ xuất hiện 4 đỉnh và phần B 4 đỉnh (hình vẽ). Có thể phân tích phổ A2B như trên hình vẽ, tính các giá trị như sau:    8,54,1AB 75A3B 3 1 J 2 1 ;   Phổ 1H-NMR của 1,3,4-tribrombutin-1 3. Phổ ABX Phổ ABX thường gặp trong pổ cộng hưởng proton đặc biệt các hợp chất thơm và anken cũng như các hợp chất chứa hạt nhân từ khác (19F, 31P) gồm ba hạt nhân không tương đương tương tác với nhau phân tách phổ thành hai phần riêng biệt. Để phân tích phổ cần tách riêng biệt phần AB và phần X, ví dụ phổ 1H-NMR của stirenoxit ở dưới, phần AB có 8 đỉnh và phần X có 4 đỉnh. 53 Về lý thuyết, hệ phổ ABX gồm hai phần, phần AB có 8 đỉnh còn phần X có 6 đỉnh, để thực hiện ta tạm chia phần AB thành AB’ và AB”, từ phần này có thể tìm được JAB và các giá trị: BXB ,, BXAA ,, A BXB , BXAA , A J 2 1 ;J 2 1 J 2 1 ;J 2 1   Tuỳ theo sự cùng dấu hay trái dấu của JAX và JBX mà dạng phổ thay đổi như sau: Trong phần AB có hai nhóm 4 đỉnh, từ đây tìm được νA, νB, JAB, JAX, và JBX, trong phần X chỉ tìm được νX. 4.5. Phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C Vì tất cả các hợp chất hữu cơ đều chứa nguyên tử cacbon mà tron ự nhiên nguyên tử cacbon -13 chiếm tỷ lệ 1,1% nên phổ cộng hưởng từ nhân 13 C (CHTN- 13 C) hiện nay có ý nghĩa quan trọng, nó cho nhiều thông tin hơn phổ CHTN- 1H, ví dụ ở hợp chất hữu cơ khômg chứa hiđro thì không có tín hiệu trong phổ CHTN- 1H nhưng nó cho tín hiệu của phổ 54 CHTN- 13 C. Vì tỷ lệ của 13 C nhỏ và hằng số tỷ lệ gyromagnetic thấp nên tín hiệu cộng hưởng từ thường nhỏ, người ta phải đo trên phổ kế cộng hưởng từ biến đổi Fourier (FT). Khi dùng máy này có thể ghi phổ CHTN- 13 C theo một số cách khác nhau, nhưng quan trọng nhất là phương pháp phổ 13 C tương tác 1H và xoá tương tác 1H. Cả hai phương pháp đều cho các thông tin giá trị trong việc phân tích cấu trúc các hợp chất hữu cơ. 4.5.1. Phổ 13 C tưong tác 1H Trên phổ tương tác 13 C - 1H nhận được các nhóm đỉnh khác nhau có thể đỉnh đơn hay bội đỉnh. Vì 13 C và 1H đều có I= ½ nên quy tắc đa vạch được áp dụng giống như ở tương tác 1H - 1H Của phổ CHTN- 1H : siglet (1 vạch) không có C duplet (2 vạch) có 1 CH triplet (3 vạch) có 2 H CH 2 quartet (4 vạch) có 3 H CH 3 Hằng số tương tác J( 13 C-H) phụ thuộc vào đặc trưng s của obitan lai hoá ở nguyên tử cacbon.Đặc trưng s càng lớn thì hằng số tương tác càng lớn: Lai hoá JC-H (Hz) C─H sp3 125 ═C─H sp2 160 ≡C─H sp 250 Khi có nhóm thế âm điện gắn vào nguyên tử cacbon thì 1J HC thường tăng: CH 4 125 H Z , CH 3 Cl 151 H Z , CH 2 Cl 2 178 H Z , CHCl 3 209 H Z Tương tác C và H ở cách xa nhau hơn 1liên kết thường rất nhỏ, ví dụ 2 J HC = 5 H Z , thường không thấy. Tương tác giữa 13 C và 13 C cạnh nhau ít có ý nghĩa cho việc chứng minh cấu tạo. 4.5.2. Phương pháp phổ 13 C xoá tương tác 1H Phổ 13 C tương tác 1H cho nhiều nhóm đỉnh do sự khác nhau về số proton trong các nhóm CH, CH 2 và CH 3 , nhưng cường độ của các đỉnh quá nhỏ lẩn với cả nhiểu của máy, do đó việc giải phổ gặp khó khăn, vì vậy người ta đã đưa ra cách làm đơn giản hoá bản phổ 55 để chọn một số hông tin cần thiết, bằng cách xáo đi các vạch tương tác C-H. Bây giờ ứng với mỗi nguyên tử cacbon chỉ co 1 vạch phổ. Ví dụ: Phổ CHN-13C có tương tác (a) và xoá tương tác C-H (b) Trong tạp chí, loại phổ CHTN- 13 C xoá tương tác C-H được kí hiệu là 13 C  H1 . Thực tế phổ CHTN- 13 C tương tác C – H ngày nay ít đo. Thay cho phương pháp đó, người ta dùng các phương pháp kỹ thuật hiện đại như APT.(Attached Proton Test) có thể phân biệt được C, CH, CH 2 và CH 3 . Khi dùng kĩ thuật này thì tín hiệu của nhóm C và CH 2 nằm ở phía trên, còn tín hiệu của nhóm CH và CH 3 nằm ở phía dưới đường nằm ngang như hình 4.18. Ngoài ra còn sử dụng phương pháp DEPT để ghi phổ, theo phương pháp này tín hiệu CH 3 và CH ở phía trên còn CH 2 ở phía dưới. Ví dụ phổ CHTN- 13 C ghi theo DEPT của 2- butanol ở dưới: Cường độ vạch phổ ton phổ xoá tương tác 13 C- 1H tỷ lệ với: 1- Số nguyên tử hiđro gắn với nguyên tử cacbon. 2- Số nguyên tử cacbon tương đương. Thường thì nhóm CH 3 và CH 2 cho cượng độ vạch phổ như nhau, nhưng nhóm CH và C cho cường độ yếu hơn. Ví dụ: CH3-CH2 –CH(OH)-CH3 CH CH2 CH3 CH3 56 4.5.3. Độ chuyển dịch hoá học Vị trí của các tín hiệu cộng hưởng 13 C rất quan trọng cho việc xác định cấu tạo các hợp chất. Độ chuyển dịch hoá học 13 C nằm trong một vùng rộng hơn nhiều so với phổ CHTN- 1H, từ 0 đến 200 ppm. hiện nay chất chuẩn thường dùng là TMS, dung môi ghi phổ thường dùng là các chất d 6 -axeton, d 6 -benzen, d 1-clorofom, d 12 -xiclohexan, d 6 - dimetylsunfoxit, d 4 -metanol, tetraclometan Độ chuyển dịch hoá học 13 C được xác định bởi: a) Mức độ lai hoá của nguyên tử cacbon. b) Độ âm điện cua các nhóm thế ở nguyên tử cacbon. Các nhóm thế có ảnh hưởng mạnh đến sự thay đổi vị trí độ chuyển dịch hoá học, ví dụ: CH 3 l CH 3 Br CH 3 Cl CH 3 F -33 9 24 75 ppm R-C(CH3)3CH3 3xCH3 C 1 2 3 4 1 2 4 3 R-C6H11 R-C6H5 57 CHƯƠNG 5 PHỔ KHỐI CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Phương pháp phổ khối lượng có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc nghiên cứu xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ. Dựa trên các số khối thu được trên phổ có thể xây dựng cấu trúc phân tử hoặc chứng minh sự đúng đắn của công thức cấu tạo dự kiến. 5.1. Quá trình ion hoá phân tử 5.1.1. Sự ion hoá Nguyên tắt chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung hoà thành ion phân tử và các ion dương mảnh có số khối z = m/e (m là khối lượng còn e là điện tích ion). Sau đó phân tách các ion này theo số khối và ghi nhân thu được phổ khối lượng. Dựa vào phổ khối này có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên cứu. Khi bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hoà bằng các phân tử mang năng lượng cao sẽ trở thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc phá vỡ thành mảnh ion và các gốc theo sơ đồ sau: ABCD + e → ABCD+ + 2e → ABCD++ + 3e → ABCD- Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm 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 thì ion phân tử có thể phá vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc ion gốc, các gốc hoặc phân tử trung hoà nhỏ hơn: ABCD+ + e → ABC. + D+ → AB. + CD+ → A+ + BCD → A + BCD+ → . Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá. Quá trình này là quá trình ion hoá. Các ion dương hình thành đều có khối lượng m và điện tích e, tỷ 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 58 được xác suất có mặt của chúng rồi vẽ đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa các xác suất có mặt (hay cường độ I) và số khối z thì đồ thị này được gọi là phổ khối lượng. 5.1.2. Phân loại các ion 1. Ion phân tử Ion phân tử được hình thành do mất đi 1 electron, cho nên khối lượng của nó chính là khối lượng của phân tử hay trọng lượng phân tử, được kí hiệu là M+. Ion phân tử có các tính chất sau: - M+ là ion có khối lượng lớn nhất chính là trọng lượng phân tử - M+ là ion với thế xuất hiện nhỏ nhất. - M+ là số chẵn nếu phân tử không chứa dị tố N hay chứa một số chẵn dị tố N và M+ sẽ là số lẽ nếu chứa một số lẻ dị tố N. - Tất cả sự phá vỡ phân tử đều có thể tính từ hiệu số khối lượng của các phân tử ion với ion phân tử. - Cường độ của M+ tỷ lệ với áp suất mẫu. Nó phụ thuộc vào dãy hợp chất, năng lượng của electron và khả năng phá vỡ phân tử. Cường độ của M+ có giá trị từ 0 đến 100%. 2. Ion đồng vị Ion phân tử của các hợp chất không phải chỉ là vạch riêng lẻ vì các nguyên tử chứa trong hợp chất thiên nhiên đều tồn tại đồng vị như 13C bên cạnh 12C, 15N bên cạnh 14N, 17O, 18O bên cạnh 16O, 37Cl bên cạnh 35Cl. Các đồng vị tồn tại trong tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau cho nên bên cạnh vạch chính ứng với ion M+ còn có các vạch (M+1)+ và (M+2)+ với cường độ nhỏ hơn. Chiều cao của các vạch phụ này tỷ lệ với sự có mặt của các đồng vị trong phân tử. Người ta dựa vào các đặc điểm này để tính công thức cộng của các hợp chất nhờ phương pháp khối phổ. Chẳng hạn, nguyên tố cacbon trong thiên nhiên tồn tại 12C 100%, 13C là 1,1%. Như vậy, nếu một hợp chất chỉ chứa một nguyên tử cacbon như metan thì ion M+ có chiều cao 100% (12CH4) thì ion (M+1) + sẽ có tỷ lệ 1,1% (13CH4). Ở phân tử etan có hai nguyên tử cacbon nên ion M+ có chiều cao là 100% (12C2H6) thì ion (M+1) + sẽ có chiều cao 2.1,1% = 2,2% (13CH3 12CH3). Như vậy, nếu phân tử có n nguyên tử cacbon thì ion (M+1) + sẽ có tỷ lệ n.1,1% so với chiều cao của ion phân tử M+. 59 h.0011,0 h n '  h là chiều cao vạch phổ M+ và h’ là chiều cao vạch phổ (M+1)+. Khi biết được chiều cao của các vạch phổ có thể tính được số nguyên tử cacbon trong phân tử. Khối lượng và độ thường gặp trung bình của các đồng vị trong một số nguyên tố: Đồng vị Khối lượng Độ thường gặp tương đối 1H 1,0078 100 2H 2,0141 0,015 12C 12,0000 100 13C 13,0034 1,12 14N 14,0031 100 15N 15,0001 0,366 16O 15,9949 100 17O 16,9991 0,037 18O 17,9992 0,240 19F 18,9984 100 28Si 27,9769 100 29Si 28,9765 5,110 30Si 29,9738 3,385 31P 30,9738 100 32S 31,9721 100 33S 32,9715 0,789 34S 33,9679 4,433 36S 35,9677 0,018 35Cl 34,9689 100 37Cl 36,9659 32,399 79Br 78,9183 100 81Br 80,9163 97,940 60 Đồng vị Khối lượng Độ thường gặp tương đối 127I 126,9044 100 3. Ion mảnh Được sinh ra khi phân tử bị phân mảnh do va chạm với electron. 4. Ion metastabin Một số ion xuất hiện như bước trung gian giữa các ion có khối lượng lớn m1 và m2 có thời gian sống ngắn không ghi nhận được đầy đủ cường độ vạch phổ nhưng cũng có thể phát hiện được sự có mặt của nó gọi là ion metastabin m* mà m* = m2/m1. Nhờ m * ta có thể khẳng định được m2 là do m1 sinh ra. 5.2. Cơ chế phân mảnh Sự phân hoá phân tử các hợp chất hữu cơ qua sự va chạm với e thường xảy ra theo những quy luật nhất định, dựa vào những quy luật đó người ta có thể giải thích được cấu tạo các hợp chất hữu cơ. 5.2.1. Ankan. Những ankan và những hợp chất chứa nhóm ankyl bị phá vỡ dưới sự hình thành của một ion ankyl và 1 gốc. RH2C H2 C H2 C CH3 RCH2CH2CH2 + + CH3 . Những ankyl gắn với các nhóm chức X = OH, SH, OR thì trước tiên sẽ tách nhóm chức trước. [CH3CH2-X]  CH3CH2 + + X. 5.2.2. Anken RH2C CH CH2 RH2C H C CH2 H2C CH CH2 + R 5.2.3. Cơ chế tách ion tropylium (vòng) Các hợp chất benzen có nhóm thế CH2X (X=H, ankyl, OH, SH, -COR) gắn với vòng benzen thường tách gốc R. cho các ion tropylium theo cơ chế sau: C6H5-CH2-R +.  C7H7-R  C7H7 + + R. R=H: m/e = 91 61 H2C X - X. CH2 + 5.2.4. Ancol Bậc 1 R OH R CH2 + CH2OH H3C H2 C H2 C OH H2O + H3C CH CH2 .CH2OH + CH3CH2 + H2C OH + CH3CH2 . CH2=CH + + H2O + .CH3 Bậc 2 R H C OH R, H3CH2CH2C H C OH H2O + CH3 H3CH2CHC CHCH3 H3CHC OH + CH3CH2CH2 . H3CH2CH2C CH OH + .CH3 H3CH2CH2C C OH + H . CH3 Bậc 3 62 R C OH R, R H3CH2C C OH H2O + CH3 H3CHC CCH3 H3CH2C C OH + .CH3 H3C C OH CH3 CH3 CH3 CH3 + CH3CH2 . OH CO + 5.2.5. Andehyt - Xeton 63 CH H2C C H2 C O H R H R C H CH2 + H2C CH OH RCH2CH2CH2 . + HC O RH2CH2CH2CC O + H . CH H2C C H C OHR H H CH H2C C H C OH2R H H C H2C CH CHR -H2O CHO -H. C O - CO - C2H2 C4H3 + R, C R O 64 H3C H2 C H2 C C CH2CH2CH2CH3 O H3CH2CH2CC O O C CH2CH2CH2CH3 H3C CH CH2 + H2C C OH CH2CH2CH3 H2C C CH2CH2CH2CH3 OH 5.2.7. Axit H OH O R1 R2 CH2 R1 H R2 OH OH H R1 R2 + + .COOH H CH3 R1 R2 + CO2 H C R1 R2 O + HO. H C R1 R2 O + H2O 5.2.8. Este 65 R C O OR R C O + .OR R C O O + R+ R+ + .COOR R. + +COOR 5.2.9. Số khối của một số mảnh ion thường gặp trong phổ MS m/e Mảnh ion m/e Mảnh ion 14 CH2 28 CO, NH2 15 CH3 29 C2H5 16 O, CH4 43 C3H7 17 OH, NH3 44 CO2 18 H2O, NH4 45 COOH 19 F 77 C6H5 20 HF 5.3. Nguyên lý cấu tạo khối phổ kế Khối phổ kế gồm 4 phần chính - Hoá khí mẫu: các chất rắn hay lỏng được đưa vào buồng mẫu có áp suất giảm 10-6 mmHg biến thành dạng khí. Lượng mẫu cần 0,1 – 1 mg. - Ion hoá: dẫn dòng phân tử khí chạy qua một dòng electron có hướng vuông góc với nó để ion hoá mẫu rồi đi qua điện trường U để tăng tốc. - Tách ion theo khối lượng - Nhận biết các ion bằng detectơ. Hoá khí mẫu Ion hoá Phân tách ion Detectơ Xử lý số liệu Hoá khí mẫu 66 5.3.1. Hoá khí mẫu Các mẫu được nạp vào phổ kế có thể ở dạng khí, lỏng hay rắn. Trước tiên mẫu được nạp vào một buồng kín dưới áp suất thấp từ 10-5 đến 10-7mmHg và nhiệt độ đốt nóng có thể lên đến 2000C. Dưới điều kiện này thì hầu hết các chất lỏng và rắn đều biến thành thể hơi. 5.3.2. Ion hoá mẫu Mẫu sau khi đã hoá hơi được dẫn vào buồng ion hoá để biến các phân tử trung hoà thành các ion. Quá trình ion hoá này có thể thực hiện theo một số phương pháp khác nhau như: - Phương pháp va chạm electron: mẫu chất ở dạng hơi được dẫn vào trong một buồng, ở đây có một dòng e mang năng lượng chuyển động vuông góc với mẫu và xảy ra va chạm giữa chúng, biến các phân tử trung hoà thành các ion phân tử hoặc các ion mảnh. Năng lượng của dòng e vào khoảng 10ev đến 100ev. Sau đó dòng ion mới được tạo ra, chạy qua một điện trường E để làm tăng tốc độ chuyển động, thế của điện trường được gọi là thế tăng tốc U. Phương pháp này được dùng phổ biến. - Phương pháp ion hoá hoá học: cho dòng phân tử khí va chạm với một dòng ion dương hoặc ion âm để biến các phân tử trung hoà thành ion phân tử hay ion manh. Trong quá trình này, trước tiên phải biến các phân tử khí metan thành ion, sau đó các ion này mới va chạm với các phân tử mẫu - Phương pháp ion hoá trường: cho mẫu dạng hơi đi qua giữa hai điện cực cảm ứng có một điện trường mạnh, dưới tác dụng của lực tĩnh điện, phân tử trung hoà sẽ biến thành các ion dương. - Phương pháp ion hoá proton: cho dòng phân tử mẫu dạng hơi và đập với dòng photon có năng lượng khoảng 10ev sẽ xảy ra quá trình ion hoá. - Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh: một dòng khí agon hay xenon được bắn ra từ một khẩu súng đập thẳng vào mẫu hoà tan trong dung môi như glixerin. Trước tiên các phân tử dung môi bị ion hoá rồi chính nó ion hoá phân tử mẫu thành các ion tiếp theo. 5.3.3. Tách các ion theo số khối Các ion hình thành có số khối m/e được phân tách ra k hỏi nhau bằng các thiết bị khác nhau như: 67 - Thiết bị phân tách hội tụ đơn - Thiết bị phân tách hội tụ kép - Thiết bị phân tách ion tứ cực 5.3.4. Detectơ Các ion đi ra từ bộ phận tách có cường độ nhỏ nên cần khuyếch đại để phát hiện. Một trong những thiết bị này là máy nhân electron. Nó tạo ra các e thứ cấp khi có e ban đầu đập vào bề mặt tấm kim loại. Độ khuyếch đại khoảng 106 khi sử dụng 16 dinôt. 5.3.5. Ghi nhận tín hiệu Các tín hiệu từ bộ khuyếch đại truyền ra được nạp vào bộ nhớ máy tính và xử lý kết quả rồi in ra phổ. Các phổ được biểu diễn dưới dạng phần trăm basic (%B), đỉnh cao nhất có cường độ 100%, các đỉnh khác nhỏ hơn. Dạng phổ MS có hình dạng sau: 50 100 M+ m/e