- kích thích bằng các xung RF cộng hưởng được với B0• Khi ngắt xung kích thích RF, các hạt nhân trở lại mức cơ bản, trả lại năng lượng kích thích ∆E = hν.• Ghi nhận tín hiệu của ∆E = hν
1 Trình bày nguyên lý phổ NMR Khai thác thông tin cấu trúc từ liệu phổ học, chủ yếu từ kỹ thuật phổ NMR Trình bày liệu NMR văn khoa học để xác nhận cấu trúc chất nghiên cứu So sánh cấu trúc hợp chất với cấu trúc công bố TLTK Xác định cấu trúc vài hợp chất đơn giản nhờ kỹ thuật phổ NMR khác • Nhiều thơng tin, xác, tin cậy, phân biệt • Bắt buộc phải có cơng bố cấu trúc hóa học • Là nội dung viết & đọc TLTK • Có thể tiếp cận • Sẽ phát triển mạnh nước ta HO O HO H O 2' 4' O H HO 4' OH Daidzein (4’-OH) O OH 4' 3' O OH 5' Formononetin (4’-OMe) OH 4' 2' O OMe 5' HO Rhamnosyl O OH afzelin (4’-OH) OH O 3' O Rhamnosyl O quercitrin (3’,4’-di-OH) afzelin (4’-OH) quercitrin (3’,4’-di-OH) RF 125 MHz kênh OH 4' HO 3' O OH O O Rhamnosyl OH 4' HO OH O 13C-CPD OH O 13C 13C-NMR 3' O RF 500 MHz Rhamnosyl INADEQUATE ……… kênh 13C & 1H DEPT* HMBC HMQC HSQC kênh 1H 1H-NMR COSY* NOESY ROESY Phổ 13C-NMR (DMSO-d6, 125 MHz) afzelin vs quercitrin Phổ 3' 3' B 4' afzelin = kaempferol-3-O-αL-rha OH 2' DMSO Me –eO ♦ ♣ ♠ ♥ B ♥ ♦ ♣ ♠ OH 4' 10 O 10 O afzelin = kaempferol-3-O-α-L-rha OH (DMSO-d6, 125 MHz) rhamnocitrin vs dihydro-rct 13C-NMR MeO 10 O 1' OH 3' OH quercitrin = quercetin-3-O-α-L-rha MeO O 1' OH rhamnocitrin (M = 300) 5' 6' 2' OH 4' O OH 4' kaempferol (M = 286) 5' 6' 3' OH OH 4' O OH B 1' 2' 3' OH 3' 4' rhamnocitrin (M = 300) 5' O OH Phổ OH 4' 6' 3' DMSO B 1' 2' quercitrin = quercetin-3-O-αL-rha Phổ 1H-NMR (DMSO-d6, 500 MHz) afzelin vs quercitrin OH H–O OH 3' (DMSO-d6, 125 MHz) rhamnocitrin vs kaempferol 13C-NMR 10 O OH 4' 5' 6' OH dihydro rhamnocitrin (M = 302) Phổ HSQC phần βD-glucopyranosyl trong… Cùng glucose, “bộ” tín hiệu phần glucosyl của: C-glycosid O-glycosid • aglycon eu-flavonoid khác với iso-flavonoid C ppm -CH2OH • O -glucosyl -CH2OH khác với C -glucosyl • 8-C -glc (vitexin) khác với 6-C -glc (isovitexin) 60 70 x -CH-O x -CH-O Bộ tín hiệu (của phần glucosyl…) khác tùy theo: 80 - kiểu khung aglycon, 90 - loại glycosid, - vị trí gắn đường… 100 Đây điểm thú vị phổ NMR! -O-CH-O- 110 14 • Phổ NMR có nhiều (hàng trăm) kỹ thuật (phức tạp hẳn UV, IR, MS), kỹ thuật cung cấp loại thơng tin • Phổ NMR cung cấp nhiều thông tin cấu trúc (chi tiết & cụ thể hẳn UV, IR, MS) • Ứng dụng y khoa, sinh học: NMR >> (UV, IR) • Máy đo phổ NMR đắt gấp hàng trăm lần máy UV, IR 15 Dùng xạ điện từ (có lượng E) tác động vào hệ thống vật chất mức E0, lượng thấp Dưới tác động BXĐT này, hệ thống từ mức E0 (E thấp) chuyển lên mức kích thích E* (E cao, bền) Hệ thống mức E* có khuynh hướng trở lại mức E0 Khi lại mức E0, hệ thống giải phóng (trả lại) lượng ∆E dạng xạ có tần số ν thỏa: ∆E = (E*– E0) = hν Bức xạ có tần số ν phát hiện, khuếch đại, ghi lại → Tín hiệu phổ hấp thụ f(ν) (hằng số Planck h = 6,63 10−34 J.s) E lớn tia γ E giảm dần tia X IR EUV EIR 108 106 điện tử (p, π…) nhóm chức (-OH, C=O…) E thấp MW sóng radio (RF) ENMR khơng thể X UV 18 cộng hưởng hạt nhân (1H, 13C ) vis Lưu ý: Năng lượng vùng 400 nm 500 600 700 750 nm 19 cộng hưởng với dao động thuộc vùng khác 20 Là phương pháp quang phổ hấp thụ • áp dụng hạt nhân AXZ có từ tính (I ≠ 0) • hạt nhân được: - ổn định (ở mức bản) từ trường B0 mạnh - kích thích xung RF cộng hưởng với B0 • Khi ngắt xung kích thích RF, hạt nhân trở lại mức bản, trả lại lượng kích thích ∆E = hν • Ghi nhận tín hiệu ∆E = hν (nhờ thiết bị phù hợp với tần số ν, tùy loại hạt nhân): tín hiệu phổ NMR 21 22 A Phải hội đủ đồng thời điều kiện phù hợp • Một nguyên tử X gồm có - phần vỏ = orbital chứa electron (è) xoay bên ngoài, A Hạt nhân AXZ phù hợp (có từ tính) - phần lõi = hạt nhân, bên • Phần hạt nhân chứa proton (p) neutron (n) B Ngoại từ trường B0 phù hợp (mạnh, ổn định, đồng nhất) • Tổng số (p + n) số khối hạt nhân • Một nguyên tử X có vài đồng vị C Xung RF phù hợp (với AX , Z với B0) (isotope = vị trí bảng phân hạng tuần hồn) • Các đồng vị khác số neutron nhân (n) D Kênh (channel) phát phù hợp với AX Z • Trong tự nhiên, đồng vị chiếm tỉ lệ % khác 23 24 Ab% nói lên xác suất gặp hạt nhân điều kiện tự nhiên electron electron Giá trị lớn xác suất tiến (100%) electron 2H 1H 99,98% 0,02% 1H 3H 2H 13C 12C 1,11% 98,9% #10–2 #1 a proton neutron proton neutron proton neutron 1H 2H 3H (99,98%) (0,016%) (rất nhỏ) b c Điều có nghĩa là, phân tử CH3 – CH2 – CHO ta # luôn gặp loại proton (a, b, c) đồng thời dạng 1H có 10–6 hội gặp 3C (a, b, c) đồng thời dạng Đó lý làm phổ 13C-NMR 13C nhạy phổ 1H-NMR 25 26 • Là giá trị thực nghiệm *, nói lên từ tính hạt nhân hạt nhân Ab% I 12C 98,89 13C ~1,11 1/2 1H 99,98 1/2 2H ~0,016 14N 99,63 15N 0,37 1/2 19F 100,00 1/2 31P 100,00 1/2 • I có giá trị = k.(1/2) = {0, 1/2, 1, 3/2…} • Khi I = 0: ta nói hạt nhân khơng có từ tính Ví dụ: 12C 6, 16O , 32S 16 (Z A chẵn) • Khi I ≠ 0: ta nói hạt nhân có từ tính Ví dụ: 1H1, 2H1, 13C 6, 14N 7, 15N 7, 17O 8, 31P 15 (Z A ko chẵn) • Các hạt nhân có I ≠ “cộng hưởng với từ trường” cho tín hiệu phổ NMR (hạt nhân hợp lệ) • I cho biết số hướng quay (k) hạt nhân có từ tính k = (2.I + 1) 27 28 số hướng quay = (2.I + 1) Hạt nhân số proton lẻ cặp (p*) số neutron lẻ cặp (n*) (p*+n*) số spin (I) 13C (1) 1/2 1H (1) 1/2 19F (1) 1/2 31P (1) 1/2 2H 1 (2) 14N 1 (2) 23Na (3) 3/2 m = +1/2 m = +1/2 B0 m=0 m = ̶ 1/2 m = ̶ 1/2 hạt nhân có I = (1/2): có hướng quay hạt nhân có I = (1): có hướng quay nghịch chiều B0 thuận chiều B0 29 γ γ Tỉ số từ hồi chuyển (γ, gyromagnetic ratio) hạt nhân Ghi độ biến thiên tần số cộng hưởng (∆ν0, tính MHz) Ngồi đơn vị (MHz/T) thơng dụng hơn, có γ ngoại từ trường B0 thay đổi Tesla Ví dụ: ν0 hạt nhân 1H B0 = 13C hạt nhân ghi đơn vị 106.rad/s.T = 2π.(MHz/T) = 6,2832.(MHz/T) ngoại từ trường B0 1H hạt nhân 11,75 Tesla 500,133 MHz 125,771 MHz 10,75 Tesla 457,557 MHz 115,066 MHz γX (MHz/T) γH = 42,576 hạt nhân 1H 13C γC = 10,705 Ta nói B0 thay đổi, hạt nhân 1H nhạy gấp ~ lần hạt nhân 13C γ = 42,576 (MHz/T) γ = 10,705 (MHz/T) γ = 267,51 (106.rad/s.T) γ = 67,26 (106.rad/s.T) Lưu ý: Hz = 2π rad/s γH ~ 4.γC 13C 31 32 Sự đáp ứng với từ trường 1H vs 13C thời gian hoàn thành chu kỳ Vectơ M từ trục z “rớt” xuống trục y, xoay quanh mp (xy) 33 Vừa xoay, vectơ M vừa “nhấc đầu” lên, lại trở trục z 34 Là thời gian cần thiết để hoàn thành lần scan (đo) mẫu (xem sơ đồ slide kế) Với thời gian đo mẫu cố định, hạt nhân có • thời gian hồi phục ngắn (như 1H): quan sát (scan) nhiều lần (tín hiệu rõ hơn) • thời gian hồi phục dài (như 13C): quan sát (scan) lần (tín hiệu hơn) Thời gian hồi phục nhỏ → mau lặp lại giao động → scan nhiều lần → tín hiệu rõ (S/N tăng) 35 → thời gian đo phổ ngắn (phổ 1H-NMR: vài giây) 36 Thời gian thực lần quét: (TT1) = (d1 + p1 + aq) Với phổ 1H-NMR Thông thường, NS = 16 q đủ Vì d1 (vài µsec) 50 phút) Quan sát sơ đồ đo phổ 1H-NMR (và phổ 13C-NMR tương tự): Thời gian cho scan phổ 1H # 4,3 sec (và • Phổ 1H: NS 16 • Phổ 13C: cần # (4,3 x 16) # 13C # 3,1 sec) 70 sec (# phút) NS 1024 cần # (3,1 x 1024) # 3200 sec (# giờ)! Khi đo phổ chất có MW < 2-3 KDa (máy 500 MHz) thì: NS cần thường, NS = đo mẫu Note 1H-NMR 4,28 sec 16 # 70 sec H: # phút 13C-NMR 3,05 sec 1024 # 52 phút C: NS/20 phút