Các phương pháp phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ (NMR, IR, MS, ...)

Một bài giảng cực chi tiết của giảng viên Bách khoa về "Các phương pháp phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ (NMR, IR, MS, ...)" dành cho các học viên cao học, đại học tham khảo.

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÖC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Bộ môn Kỹ thuật hữu cơ Khoa Hóa

Email: ltdung@hcmut.edu.vn

TS Lê Thành Dũng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Silverstein, Bassler, Morrill, Spectrophotometric determination

of organic ompounds, John Wiley & Sons, 1999

2 Clayden, Greeves, Warren, Organic Chemistry, Oxford, 2001

NỘI DUNG MÔN HỌC

1 Giới thiệu chung (1 tiết)

3 Khối phổ (5 tiết)

2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (18 tiết)

4 Phổ hồng ngoại (6 tiết)

KIẾN THỨC, KỸ NĂNG CẦN ĐẠT

ĐƢỢC SAU MÔN HỌC

1 Hiểu nguyên tắc chung các phương pháp

2 Có khả năng lựa chọn phương pháp phổ

3 Giải được phổ và xác định cấu trúc của các

hợp chất hữu cơ thường gặp

ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

1 Thi giữa kỳ: 30%

2 Thi cuối kỳ: 70%

Hình thức thi: trắc nghiệm

NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHỔ

PHƯƠNG PHÁP PHỔ - THÔNG TIN

Phổ khối lượng cân phân tử

1 H NMR (proton NMR) cho biết sự

kết nối của cấu trúc

13 C NMR phân biệt tất cả các loại C

Phổ hồng ngoại cho biết các loại nối

Sườn carbon Các nhóm chức trong cấu trúc

Phần liên hợp của phân tử

Cấu trúc phân tử

PHƯƠNG PHÁP PHỔ - THÔNG TIN

PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

(NMR)

GIỚI THIỆU CHUNG

NGUYÊN TẮC LA BÀN

Từ trường trái đất (B = 2 10 -5 T)

Kim la bàn luôn ở trạng

thái năng lượng thấp nhất (chỉ hướng bắc)

 Cảm ứng từ trường trái đất

 Độ từ hóa của kim

Độ cứng của kim dịch chuyển về nam tùy thuộc vào:

TÍNH CHẤT TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN

 Tất cả các hạt nhân đều mang điện tích

 Một số hạt nhân có điện tích chuyển động quay xung quanh trục hạt nhân

 Chuyển động quay của điện tích này sinh momen từ (lưỡng cực)  dọc theo trục hạt nhân

như kim la bàn được từ hóa



BIỂU THỨC CỦA MOMEN TỪ HẠT NHÂN

I: số lượng tử spin hạt nhân

 = 0 (không tồn tại momen từ) khi I = 0

SPIN HẠT NHÂN VÀ HIỆN TƢỢNG NMR

 Chỉ các hạt nhân có số khối (A) lẻ hay số hiệu nguyên tử (Z) lẻ

có spin hạt nhân I  0, do đó có thể cho hiện tượng NMR

 Các hạt nhân với giá trị I bán nguyên có phân bố điện tích

dạng cầu đều được dùng nhiều nhất trong NMR

SỰ LƯỢNG TỬ HÓA CỦA MOMEN GÓC p VÀ MOMEN TỪ 

THEO PHƯƠNG z

) 1 (I 

NĂNG LƯỢNG CỦA SPIN HẠT NHÂN TRONG TỪ TRƯỜNG

 Khi không có từ trường ngoài, các định hướng khác nhau của momen từ  đều tương đương (cùng năng lượng)

 Trong từ trường B, năng lượng E của momen từ  cho bởi CT

 Nếu B (đại lượng vectơ) định hướng dọc theo phương z và có

độ lớn B0 (B x = B y = 0, B z = B0), độ lớn của E cho bởi CT

E = z  B0 =   m  I B0

 Độ chênh lệch năng lượng E giữa các mức năng lượng được

NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP NMR

ở mức NL cao và ở

trạng thái cơ bản

hạt nhân, nhiều hạt nhân bị kích thích lên trạng thái NL cao

E = h

Ghi nhận bằng detector

Các hạt nhân trở

về trạng thái NL thấp hơn

Kết quả ghi nhận:

Cường độ

Tần số (độ dịch chuyển hóa học)

TÍNH CHẤT CỦA CÁC HẠT NHÂN QUAN TRỌNG

 Độ nhạy của hạt nhân trong NMR phụ thuộc tỉ lệ đồng vị tự

nhiên & E (E phụ thuộc  và B0)

 Năng lượng E có thể được cung cấp bởi bức xạ điện từ có tần

số radio

SO SÁNH TẦN SỐ SỬ DỤNG TRONG NMR VỚI CÁC PHƯƠNG

PHÁP PHỔ KHÁC

MỘT SỐ HÌNH ẢNH THIẾT BỊ NMR

NMR CÓ THỂ PHÂN BIỆT CÁC LOẠI HẠT NHÂN

KHÁC NHAU

E (hay tần số cộng hưởng) của mỗi loại hạt nhân phụ thuộc:

 Độ lớn của từ trường ngoài (B0)

B0: cảm ứng từ của nam châm thiết bị NMR (T, tesla)

eff: tần số cộng hưởng hiệu dụng

Beff: cảm ứng từ hiệu dụng của nam châm thiết bị NMR (T)

ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC

Khi không có chất chuẩn hay khi có chất chuẩn nhưng giá trị 

(sample  ref) được ghi nhận, tín hiệu thu được ( hay ) phụ

thuộc cảm ứng từ (B0) của máy

OH (Hz) 60 600

CH2 (Hz) 276 2760

C6H5 (Hz) 438 4380

nhân mà không phụ thuộc vào tần số hoạt động của thiết bị NMR

CÔNG THỨC TÍNH ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC

Theo qui ước, các nhân 1 H và 13 C của TMS cộng hưởn tại 0 ppm

Các nhân 1 H and 13 C của hầu hết các chất hữu cơ khác cộng hưởng tại  lớn hơn

CÁC CÁCH DIỄN ĐẠT GIÁ TRỊ 

Độ dịch chuyển hóa học(  ) nhỏ lớn

Từ trường (B0) cao

(upfield)

thấp (downfield)

Tần số (  ) thấp cao

Hiệu ứng chắn (  ) mạnh yếu

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ DỊCH CHUYỂN

HÓA HỌC

1 Độ âm điện của nguyên tử gắn vào nhân

2 Hiệu ứng điện tử (hiệu ứng cảm & cộng hưởng)

3 Hiệu ứng bất đẳng hướng (nghịch từ, thuận từ & hiệu ứng

vòng)

4 Hiệu ứng điện trường

5 Hiệu ứng do sự quay bị giới hạn

6 Hiệu ứng dung môi

1H & 13C NMR

VÍ DỤ PHỔ NMR 1 H

VÍ DỤ PHỔ NMR 13 C

Không định lượng được

Hiện tượng ghép spin (tương tác từ) cho

biết sự liên kết trong cấu trúc

Ít sử dụng

Cho biết thông tin tin cậy về mặt hóa

học của nguyên tử xung quanh nhân

Vùng phổ  10 ppm (2 electron hóa trị) Vùng phổ  200 ppm (8 electron hóa trị)

 Use TMS as reference

Khác nhau:

PHÂN LOẠI CÁC VÙNG PHỔ NMR 13 C

C bão hòa, không liên kết trực tiếp với O (CH 3,

100.0

150.0

C bão hòa, liên kết trực tiếp với O (CH 3 O, CH 2 O, CHO)

H trên C bão hòa, liên kết trực tiếp với

H trên C bão hòa, không liên kết trực tiếp với

O (CH3, CH2, CH)

H trên C không bão hòa (alkene)

H trên C không bão hòa (benzene, hydrocarbon thơm)

H liên kết trực tiếp với O hay N

Phân loại tương đối:

PHÂN LOẠI CÁC VÙNG PHỔ NMR 1 H

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ÂM ĐIỆN TRÊN  13 C AND  1Hc

nguyên tử (C, H) lân cận do hiệu ứng giảm chắn

nguyên tử nối với C

Hiệu ứng điện tử

 13 C

(ppm)

 13 C  8.4 (ppm)

Hợp chất Độ âm điện của nguyên

GIÁ TRỊ TÍCH PHÂN TRONG PHỔ NMR 1 H CHO BIẾT SỐ

HYDRO TƯƠNG ỨNG VỚI MỖI PEAK

Phổ NMR 1 H (250 MHz) của 2,4-dimethyl-2,4-pentanediol

CÁC VÍ DỤ PHỔ NMR 1 H & 13 C

ƢỚC TÍNH GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C

BÃO HÒA

ƢỚC TÍNH GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C

BÃO HÒA

H CH2 (ước tính) = 1.3 (CH2) + 1.0 (  CO) + 1.0 (  COOR) = 3.3

ƢỚC TÍNH GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C

BÃO HÒA

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C BÃO HÕA –

ẢNH HƯỞNG DO SỰ QUAY BỊ GIỚI HẠN

 Sự quay tự do quanh các nối đơn thường không giới hạn

 cho giá trị H trung bình

 Sự quay tự do quanh các nối đôi thường bị giới hạn

 cho các giá trị  H khác nhau

trúc của phân tử

 Không có sự quay quanh nối đơn trong vòng

 cho các giá trị  H khác nhau

Alkene:

Mật độ e thấp, không có hiệu ứng chắn đối với electron 

Hydrocarbon thơm:

Không ảnh hưởng lên nguyên tử C Các proton bên ngoài vòng bị giảm chắn Các proton bên trong vòng được tăng chắn Reminder:

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO

HÒA – HIỆU ỨNG KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG

E.g 1

[18]-Annulene

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO

HÒA – HIỆU ỨNG KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG

7.27

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO

HÒA – HIỆU ỨNG CẢM VÀ CỘNG HƯỞNG

6.83 6.58

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO

HÒA – HIỆU ỨNG CẢM VÀ CỘNG HƯỞNG

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO

HÒA – HIỆU ỨNG CẢM VÀ CỘNG HƯỞNG

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO HÒA – THÔNG TIN CẤU TRÖC TRONG VÙNG ALKENE

And, also

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN NGUYÊN TỬ C KHÔNG BÃO

HÕA NỐI TRỰC TIẾP VỚI OXY – VÙNG ALDEHYDE

phenol

5.35

pyrrole amides

amines

thiols

GIÁ TRỊ  CỦA PROTON TRÊN DỊ NGUYÊN TỐ (O, N, S, …)

PHỤ THUỘC VÀO TÍNH ACID CỦA PROTON ĐÓ

SỰ TRAO ĐỔI CỦA PROTON ACID TRÊN DỊ NGUYÊN TỐ

Sự trao đổi nhanh proton giữa các dị nguyên tố (O, N, S…)

thường dẫn đến các mũi trung bình trong phổ 1H NMR

SỰ TRAO ĐỔI CỦA PROTON ACID TRÊN DỊ NGUYÊN TỐ

(O, N, S, …)

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG TRONG PHỔ NMR

HẰNG SỐ GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG J

J =   operating (Hz)

 J chỉ phụ thuộc vào các tính chất của liên kết và cấu trúc hình học của phân tử, không phụ thuộc B0

 Không quan sát được hiện tượng ghép spin khi các nhân cộng hưởng ở cùng tần số (khi các nhân tương đương về hóa học hay

từ học)

 Giá trị của J giảm khi số nối giữa các nhân có ghép spin tăng

 Tương tác liên phân tử ít ảnh hưởng đến J hơn so với  Tuy

nhiên, có thể có các giá trị J khác nhau trong các dung môi khác

nhau

CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẰNG SỐ GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG J

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG TRONG PHỔ NMR

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – TỔNG QUÁT

I = 1/2

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – CÁC VÍ DỤ

Diethyl acetal

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – CÁC VÍ DỤ

H 3

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – CÁC VÍ DỤ

Long-range coupling

W-coupling

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – CÁC VÍ DỤ

Long-range coupling

W-coupling

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – CÁC VÍ DỤ

90 MHz

500 MHz

GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG – CÁC VÍ DỤ

BẢNG TÓM TẮT CÁC HẰNG SỐ GHÉP SPIN VÔ HƯỚNG J

PHỔ BẬC 1 VÀ BẬC 2

 Khi A - X >> J AX (ít nhất 5 lần): tín hiệu cộng hưởng của

A & X là các mũi đôi đối xứng

 Khi A - X = 0: tín hiệu cộng hưởng của A & X là các mũi đơn

 Các trường hợp trung gian (ghép spin mạnh – bậc 2):

 Cường độ của các tín hiệu cộng hưởng thay đổi

 Số các tín hiệu cộng hưởng thay đổi

 Phân tích cần các tính toán lý thuyết

PHỔ BẬC 1 VÀ BẬC 2

CÁC VÍ DỤ PHỔ BẬC 1 VÀ BẬC 2

ẢNH HƯỞNG CỦA LIÊN KẾT HYDRO

Làm bền liên kết hydrogen dẫn đến ghép spin

ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI

 NMR 1 H của CH 3 OH trong một số dung môi

Solvent CDCl3 CD3COCD3 CD3SOCD3 CD3C≡N

CH3–O–H

CH3O–H

3.40 1.10

3.31 3.12

3.16 4.01

3.28 2.16

Ảnh hưởng đến dạng mũi:

GIẢI GHÉP SPIN

Làm bền liên kết hydrogen dẫn đến ghép spin

Phương pháp giải ghép spin

 = A

 chiếu xạ nhân A bằng sóng tần số radio

 phương pháp có thể chọn lọc hay không chọn lọc

Nhân A & X có ghép spin Giải ghép spin nhân A

GIẢI GHÉP SPIN

Giải ghép spin nhân cùng loại chọn lọc trong

 giúp đơn giản phổ NMR (tăng độ phân giải)

 giúp khẳng định sự ghép spin và giải các mũi đa

Giải ghép spin nhân khác loại

Phổ NMR 13 C

Phổ NMR 13 C{ 1 H}

GIẢI GHÉP SPIN

 giúp đơn giản phổ NMR (tăng độ phân giải)

 tăng cường độ mũi (tăng độ nhạy)

KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI FOURIER (FT) XUNG

Kỹ thuật sóng liên tục (CW Kỹ thuật xung

Biến đổi Fourier xung

Free induction decay (FID) signals in NMR

 Phân biệt carbone methyl (CH3), methylene (CH2), methyne (CH) & tứ cấp (C)

 Sử dụng xung thích hợp

KỸ THUẬT DEPT (DISTORSIONLESS ENHANCEMENT BY

POLARIZATION TRANSFER)

KỸ THUẬT DEPT (DISTORSIONLESS ENHANCEMENT BY

POLARIZATION TRANSFER)

PHỔ NMR 2D

Nguyên tắc biến đổi Fourier thành phổ 2D

KỸ THUẬT 2D 1 H- 1 H COSY (CORRELATION SPECTROSCOPY)

Xác định sự ghép spin giữa các proton

Thông tin

KỸ THUẬT 2D 1 H- 1 H COSY (CORRELATION SPECTROSCOPY)

KỸ THUẬT 2D 1 H- 13 C COSY (HETCOR)

TƯƠNG TÁC ĐƠN NỐI 2D 1 H- 13 C

KỸ THUẬT HMQC & HSQC

HMQC: Heteronuclear Multiple Quantum Correlation (Coherence) HSQC: Heteronuclear Single Quantum Correlation

8,75 (20,8)

13 C ( 2JCP, HC=N) 156,5 (3,4) 160,4

(7,5)

160,2 (2,5)

TƯƠNG TÁC ĐA NỐI (LONG RANGE) 2D 1 H- 13 C

KỸ THUẬT HMBC

HMBC: Heteronuclear Multiple Bond Correlation

 Xác định các tương tác spin cách 2 và 3 nối

Thông tin

 Các tương tác giữa các dị nguyên tố (vd: N, O & P)

31 P N- P -P -27,2 ( 1JPP 279,5) N- P -P 50,2 ( 1JPP 279,5)

31 P N- P -P -31,5 ( 1JPP 311,2) N- P -P 52,4 ( 1JPP 311,2)

31 P N- P -P -31,5 ( 1JPP 311,2) N- P -P 52,4 ( 1JPP 311,2)

CÁC KỸ THUẬT NOESY & ROESY

NOESY: Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy

ROESY: Rotating frame Overhauser Effect Spectroscopy

CÁC KỸ THUẬT NOESY & ROESY

Phổ 2D NOESY của ethylbenzene Phổ 2D ROESY của ethylbenzene

Phổ 2D NOESY của

12,14-ditertbutylbenzo [g] chrysene

Phổ 2D ROESY của 12,14-ditertbutylbenzo [g] chrysene

KỸ THUẬT DOSY – SẮC KÝ NMR

 Phương pháp tách các chất trên phổ NMR

 Một trục là độ dịch chuyển, một trục là hệ số khuếch tán

Phổ 2D DOSY

Y Cohen et al Angew Chem Int Ed 2005, 44, 520

DOSY: Diffusion Ordered Spectroscopy