Phân tích cấu trúc hóa học của một số hợp chất chống cháy vòng dopo bằng các phương pháp phân tích hiện đại

Trang 1 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HÀ NGỌC LINH PHÂN TÍCH CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CHỐNG CHÁY VÒNG DOPO BẰNG Trang 2 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin cảm ơn Trƣờng đại học kho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HÀ NGỌC LINH

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CHỐNG CHÁY VÒNG DOPO BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin cảm ơn Trường đại học khoa học – Đại học Thái Nguyên đã tổ chức các môn học giúp tôi trang bị đầy đủ kiến thức cho quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo Viện Hóa học đã sắp xếp tạo điều kiện để tôi được thực hiện nghiên cứu này tại Viện Hóa học Tiềm lực về trang thiết bị nghiên cứu và cơ sở vật chất của Viện Hóa học đã giúp cho tôi

có được kết quả nghiên cứu chuẩn xác nhất Đề tài KHCN trọng điểm cấp Viện Hàn lâm: ―Phát triển các hệ vật liệu thế hệ mới, hiệu quả, thân thiện môi trường dùng chế tạo sản phẩm chữa cháy và chống cháy‖- Hợp phần 3:

―Nghiên cứu tổng hợp một số hợp chất hữu cơ và vật liệu lai vô cơ/hữu cơ ứng dụng chế tạo sản phẩm chống cháy- Mã số: TĐPCCC.03/21-23

Xin cảm ơn PGS TS Phạm Thế Chính và TS Nguyễn Hà Thanh đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, quan tâm sát sao cũng như động viên tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn Xin cảm ơn tập thể cán bộ Viện Hóa học đã đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và đưa ra những gợi mở cần thiết, hướng dẫn tôi những kỹ thuật thí nghiệm bổ ích

Xin cảm ơn sự hỗ trợ từ đề tài nghiên cứu số TĐPCCC.03/21-23 của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Học viên

Hà Ngọc Linh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về các hợp chất chống cháy 3

1.1.1 Giới thiệu về hợp chất chống cháy 3

1.1.2 Phân loại các hợp chất chống cháy 3

1.1.3 Tổng quan về hợp chất chống cháy DOPO 6

1.2 Các phương pháp phân tích phổ hiện đại 10

1.2.1 Quang phổ hồng ngoại IR 10

1.2.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR 19

1.2.3 Phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS 29

1.3 Mục đích, đối tượng nghiên cứu của luận văn 36

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 38

2.1 Hóa chất và thiết bị 38

2.1.1 Hóa chất 38

2.1.2 Thiết bị 39

2.2 Phương pháp nghiên cứu 39

2.3 Quy trình tổng hợp một số dẫn xuất chống cháy DOPO 40

2.3.1 6,6'-((1,4-Phenylenebis(azanediyl))bis((4-hydroxy-3-methoxyphenyl)methylene))bis(dibenzo[c,e][1,2]oxaphosphinine 6-oxide) (5a): 40

2.3.2 6,6'-((1,4-Phenylenebis(azanediyl))bis(furan-2ylmethylene) )bis(dibenzo[c,e][1,2]oxaphosphinine 6-oxide) (5b): 41

2.3.3 6,6'-(((Sulfonylbis(4,1-phenylene))bis(azanediyl))bis((4-Xethoxyphenyl)methylene))bis(dibenzo[c,e] [1,2]oxaphosphinine 6-oxide) (5c): 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Nghiên cứu tổng hợp các hợp chất chống cháy DOPO 45

3.2 Phân tích cấu trúc của các hợp chất chống cháy DOPO 47

3.2.1 Hợp chất chống cháy DOPO 5a 47

3.2.2 Hợp chất chống cháy DOPO 5b 51

3.2.3 Hợp chất chống cháy DOPO 5c 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC PHỔ 69

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ

BẢNG

Bảng 1 Dải tần số IR đặc trƣng của các rung động kéo dãn của một số nhóm

chức 11

Bảng 2 Các dung môi hóa chất dùng trong nghiên cứu 38

Bảng 3 Tối ƣu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp hợp chất 5a 46

Bảng 4 Hiệu suất tổng hợp các hợp chất 5a-5c 47

SƠ ĐỒ Sơ đồ 1 Quy trình tổng hợp các hợp chất chống cháy DOPO 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Cơ chế hoạt động chống cháy của chất chống cháy gốc phốt pho ở

pha khí và pha rắn [9] 4

Hình 2 Cơ chế chống cháy của melamine 5

Hình 3 Cơ chế hoạt động của chất chống cháy phồng nở 6

Hình 4 Quy trình tổng hợp DOPO bởi tập đoàn Sanko Chemical 7

Hình 5 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin- 4,4'-methylenedianiline-DOPO 8

Hình 6 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-4,4'-oxydianiline-DOPO 8

Hình 7 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-4,4'-diaminodiphenyl sulfone-DOPO 9

Hình 8 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-2,6-diaminopyridine-DOPO 9

Hình 9 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-melamine –DOPO 10

Hình 10 Phạm vi hấp thụ IR gần đúng của một số nhóm chức 12

Hình 11 Quy trình tổng hợp các hợp chất 3-aryl-2-hydroxy-1,4-naphthoquinone 14

Hình 12 Phổ IR của hợp chất 2-((2-fluorophenyl)(4-hydroxy-2-oxo-2,5-dihydrofuran-3-yl)methyl)-3-hydroxynaphthalene-1,4-dione [24] 14

Hình 13 Cấu trúc của hợp chất clinoptilolite 15

Hình 14 Phổ FT-IR của hợp chất clinoptilolite 16

Hình 15 So sánh giữa các phổ IR của các hạt PE nguyên sơ (pristine), lão hóa nhân tạo (artificial aged) và phong hóa tự nhiên (naturally aged) 17

Hình 16 Phổ IR của PE phong hóa tự nhiên có sự xuất hiện các nhóm chức mới do quá trình phân hủy 18

Hình 17 Định hướng spin hạt nhân của mẫu được căn chỉnh (song song và phản song song) với hướng của từ trường ngoài B0 (bảng bên trái) Phân bố của các quần thể spin hạt nhân ở hai mức năng lượng có thể có trong hạt nhân với I = ½ (bảng bên phải) 20

Hình 18 Spin hạt nhân dưới ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (bảng bên trái) Sơ đồ thí nghiệm NMR cơ bản trong đó từ hóa được chuyển sang mặt phẳng xy khi áp dụng xung từ (bảng bên phải) 21

Hình 19 Ví dụ về sự phân tách tín hiệu [37] 22

Hình 20 Biểu đồ thể hiện các giá trị độ dịch chuyển hóa học điển hình trong phổ 1

H-NMR 23

Hình 21 Biểu đồ thể hiện các giá trị độ dịch chuyển hóa học điển hình trong phổ 13 C-NMR 23

Hình 22 Phổ 1H NMR của 4-(3-methoxyphenyl)-11-(p-tolyl)-4,11-dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38] 26

Hình 23 Phổ 13C NMR của 4-(3-methoxyphenyl)-11-(p-tolyl)-4,11-dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38] 26

Hình 24 Phổ HSQC của 4-(3-methoxyphenyl)-11-(p-tolyl)-4,11-dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38] 27

Hình 25 Phổ HMBC của 4-(3-methoxyphenyl)-11-(p-tolyl)-4,11-dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38] 27

Hình 26 Phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS của hợp chất 4-amino-3-((5-hydroxybenzo[a]phenazin-6-yl)(4-methoxyphenyl)methyl)furan-2(5H)-one [55] 33

Hình 27 Phổ HR-ESI-MS của hợp chất stixilenin 34

Hình 28 Cấu trúc hợp chất chống cháy DOPO 5a 48

Hình 29 Phổ IR của hợp chất chống cháy DOPO 5a 48

Hình 30 Phổ 1H NMR của hợp chất 5a 49

Hình 31 Phổ 13C NMR của hợp chất 5a 50

Hình 32 Phổ HRMS của hợp chất 5a 51

Hình 33 Cấu trúc hợp chất chống cháy DOPO 5b 51

Hình 34 Phổ IR của hợp chất chống cháy DOPO 5b 52

Hình 35 Phổ 1H NMR của hợp chất 5b 53

Hình 36 Phổ 13C NMR của hợp chất 5b 54

Hình 37 Phổ HRMS của hợp chất 5b 54

Hình 38 Cấu trúc hợp chất chống cháy DOPO 5c 55

Hình 39 Phổ IR của hợp chất chống cháy DOPO 5c 56

Hình 40 Phổ 1H NMR của hợp chất 5c 56

Hình 41 Phổ 13C NMR của hợp chất 5c 57

Hình 42 Phổ HRMS của hợp chất 5c 58

MỞ ĐẦU

Các chất chống cháy là các hóa chất được áp dụng cho các vật liệu để

có thể gây trì hoãn hoặc ức chế khả năng lây lan của ngọn lửa bằng cách ngăn cản các phản ứng hóa học tạo ra sự cháy hoặc tạo thành một lớp màng bảo vệ trên bề mặt vật liệu Ngăn cản sự tiếp xúc của vật liệu tới đám cháy Chúng có thể có những tác động hóa học hoặc vật lý nhằm chấm dứt việc duy trì sự cháy Các chất chống cháy đã được sử dụng trong nhiều sản phẩm tiêu dùng

và công nghiệp từ những năm 1970, để giảm khả năng bắt lửa của vật liệu Chất chống cháy đã được chứng minh là gây tổn thương thần kinh, rối loạn nội tiết tố và ung thư Một trong những mối nguy hiểm lớn nhất của một số chất chống cháy là chúng tích lũy sinh học ở người, gây ra các vấn đề sức khỏe mãn tính lâu dài do cơ thể chứa các hóa chất độc hại này ngày càng cao

9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxit, có thể được gọi

là 'DOPO', là một hợp chất được sử dụng rộng rãi cho các tác nhân kháng khuẩn, chất chống oxy hóa, tác nhân chống phai màu và chất chống cháy Hợp chất này không phải là hợp chất của halogen, vì vậy có thể được sử dụng như một monomer chống cháy mà không có tác động tiêu cực đến môi trường Hơn nữa, hợp chất này được sử dụng phổ biến cho sợi tổng hợp, vật liệu nhựa được sử dụng cho các thiết bị điện tử, phủ đồng dát mỏng trên bảng mạch in, vật liệu đóng gói cho chất bán dẫn và vật liệu quang để tăng khả năng chống cháy của vật liệu Từ năm 1972, một phương pháp tổng hợp DOPO đã được nghiên cứu và cải tiến liên tục

Do độc tính và mối quan tâm về môi trường của chất chống cháy truyền thống có chứa halogen, chất chống cháy có chứa photpho đã thu hút nhiều sự chú ý như là chất thay thế sinh thái Mặc dù, tất cả các hợp chất phốt pho không thể được coi là không độc, nhưng sự phát triển của các hợp chất gốc photpho mới có đặc tính chống cháy cho thấy chúng có cấu tạo độc tính thấp hơn so với các gốc halogen Tổng hợp các hợp chất photpho hữu cơ dựa trên

9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxit (DOPO) và ứng dụng của nó như là chất chống cháy đã tạo ra nhiều sự chú ý trong cộng đồng chống cháy

Bên cạnh đó, khi nghiên cứu tổng hợp các hợp chất DOPO thì việc sử dụng các phương pháp phân tích phổ hiện đại để xác định cấu trúc của các hợp chất tổng hợp được là những yếu tố bắt buộc quyết định đến thành công của quá trình tổng hợp

Như vậy, sử dụng các phương pháp phân tích phổ hiện đại để đánh giá cấu trúc của các hợp chất chống cháy DOPO có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

và là mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn nhằm xác định được cấu trúc của hợp chất tổng hợp được

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các hợp chất chống cháy

1.1.1 Giới thiệu về hợp chất chống cháy

Chất chống cháy được định nghĩa là tác nhân hóa học có thể chịu được ngọn lửa trực tiếp bằng cách ngăn ngọn lửa xâm nhập vào vật liệu, kiểm soát

sự lan rộng của nó và thậm chí dập tắt hoàn toàn Những vật liệu này có thể được thêm vào trong hoặc sau khi chế tạo sản phẩm để chống cháy Sự phát triển của chất chống cháy cho phép sử dụng an toàn các vật liệu dễ cháy bằng cách giảm khả năng bắt lửa và giảm tốc độ cháy Các hợp chất của phốt pho, nitơ, clo, brom, bo và antimon là những hợp chất được sử dụng rộng rãi nhất

để chống cháy [1],[2] Nhiều vật liệu có đặc tính chống cháy đã được biết đến trong nhiều thế kỷ

1.1.2 Phân loại các hợp chất chống cháy

1.1.2.1 Chất chống cháy vô cơ

Chất chống cháy quan trọng nhất trong các loại chống cháy cô vơ là antimon trioxide có chứa halogen, magie hydroxit, kẽm borat, nhôm hydroxit

và kẽm sulfua Nếu loại chất chống cháy này tiếp xúc với nhiệt, nó sẽ không bay hơi Thay vào đó, nó bị phân hủy và giải phóng các khí không cháy, chẳng hạn như hơi nước, carbon dioxide, sulfur dioxide, hydro clorua và các loại khí khác Hầu hết các hợp chất này tạo ra các phản ứng thu nhiệt Cơ chế hoạt động của các chất chống cháy này phụ thuộc vào sự phân hủy của nó ở nhiệt độ cao

và gây ra sự giải phóng các khí không cháy, giúp giảm thiểu hỗn hợp các khí

dễ cháy Sau đó, nó tách bề mặt nhựa bằng cách tạo thành một lớp bảo vệ thủy tinh trên bề mặt nhựa ngăn cản sự tiếp cận của oxy và nhiệt [3]

1.1.2.2 Chất chống cháy gốc Phốt pho

Chất chống cháy chứa phốt pho thường thay thế chất chống cháy halogen vì những hợp chất này có thể hoạt động trong cả pha khí và bề mặt

rắn [4],[5] Nói chung, các gốc từ photpho (PO·, PO2·, HPO2·) hoạt động trong pha khí, tương tự như cách các gốc halogen ức chế phản ứng phát triển mạch [6], và các hợp chất photphat và photphonat hoạt động trong pha chất rắn bằng cách ổn định và thúc đẩy tạo than (tar) [7] Hóa học phốt pho đã được nghiên cứu trong nhiều năm về tính chất kém bắt lửa của hợp chất này [8] Hầu hết các nghiên cứu về chất chống cháy gốc phốt pho đều tập trung vào các chất phụ gia Chất chống cháy phốt pho cực kỳ linh hoạt và có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh hàm lượng vô cơ-hữu cơ, hàm lượng phốt pho và trạng thái oxy hóa Hợp chất chứa phốt pho có thể được ứng dụng làm chất chống cháy có thể kể đến như polyphotphat, este photphat và các dẫn xuất photphat khác

Hình 1 Cơ chế hoạt động chống cháy của chất chống cháy gốc phốt pho ở

pha khí và pha rắn [9]

1.1.2.3 Chất chống cháy gốc Nitơ

Các phân tử nhỏ hoặc polyme giàu nitơ có thể cung cấp các đặc tính chống cháy hiệp đồng khi kết hợp với các phần tử chống cháy khác Khả năng hiệp đồng của nitơ với các nguyên tố chống cháy khác thường thể hiện cải

thiện đáng kể về chất lượng liên quan đến việc dập tắt ngọn lửa [10] Melamine là một ví dụ điển hình vì nó giải phóng khí nitơ và hơi nước (khí có độc tính thấp) khi vật liệu thăng hoa ở ~ 350 °C (Hình 2) [11] Tác dụng hiệp đồng tăng đáng kể khi sử dụng các dẫn xuất melamine được chức hóa với phospho Sự kết hợp phốt pho với hợp chất chứa hàm lượng nitơ cao như melamine, đặc biệt hiệu quả đối với các polyme chống cháy nhỏ giọt và nhiệt chảy khi tiếp xúc với ngọn lửa (nhựa nhiệt dẻo)

Hình 2 Cơ chế chống cháy của melamine

1.1.2.4 Chất chống cháy phồng nở

Chất chống cháy phồng nở bao gồm nguồn axit, tác nhân thổi và nguồn cacbon trong pha rắn Cơ chế hoạt động chống cháy của hợp chất này tạo thành một lớp than bảo vệ trên bề mặt của chất nền (Hình 3) Sự thành công làm chậm cháy để bảo vệ khỏi hỏa hoạn phụ thuộc nhiều vào sự kích hoạt tuần tự và kịp thời của các thành phần thứ cấp được giải phóng bằng một loạt các phản ứng hóa học Cơ chế này được bắt đầu bằng cách giải phóng một axit vô cơ ở nhiệt độ thường dưới 250 °C Hầu hết các vật liệu không bắt đầu phân huỷ cho đến khi gia nhiệt > 250 ° C và kết quả là lớp phủ chống cháy thường sẽ bắt đầu phân huỷ trước khi vật liệu chính phân huỷ [12] Sau đó, axit được giải phóng sẽ phản ứng với nguồn cacbon (polyol là phổ biến nhất)

để tạo thành một lớp cacbon trên bề mặt thông qua quá trình đề hydrate hóa Khi lớp này đang hình thành, tác nhân thổi (thường là chất tạo bọt) bắt đầu bị phá vỡ và giải phóng các khí không cháy, chẳng hạn như nitơ và amoniac Sự phân hủy của tác nhân thổi làm loãng khí thuận lợi cho sự cháy làm cho lớp than nở ra Lớp than này sau đó được đông đặc lại thông qua các phản ứng

liên kết chéo và ngưng tụ, tạo ra một lớp vỏ ổn định, có khả năng truyền nhiệt thấp trên bề mặt của polyme dễ cháy Một trong những hợp chất được sử dụng phổ biến nhất trong chất chống cháy phồng nở là ammonium polyphosphate (APP) vì tính khả dụng và hiệu quả rộng rãi của nó, do giải phóng cả amoniac (một nguồn nitơ và là một tác nhân thổi) và phosphate (một nguồn axit)

Hình 3 Cơ chế hoạt động của chất chống cháy phồng nở

1.1.3 Tổng quan về hợp chất chống cháy DOPO

1.1.3.1 Giới thiệu chung về hợp chất chống cháy DOPO

DOPO (9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxit) thuộc nhóm chất chống cháy hữu cơ chứa phốt pho với những ưu điểm đáng kể như

có khả năng hoạt động ở cả pha khí và pha rắn, cũng như rất bền với quá trình thủy phân [13] Đặc biệt, DOPO có thể được xem là ngôi sao sáng trong số các chất chống cháy được sử dụng trong nhựa epoxy hiện nay [14] Không chỉ vậy, trong một công bố của Michiel H S Kraak và cộng sự đã chỉ ra tính an toàn tương đối với môi trường của hợp chất chống cháy này [15]

DOPO được tổng hợp từ 2-phenylphenol và phosphorus trichloride theo quy trình công bố vào năm 1972 bởi tập đoàn Sanko Chemical (Hình 4)

Hình 4 Quy trình tổng hợp DOPO bởi tập đoàn Sanko Chemical

Ở điều kiện nhiệt độ cao, các hợp chất chứa DOPO bị phân hủy và giải phóng các gốc PO• có tác dụng bắt giữ các gốc hoạt động như H• và OH• sinh

ra bởi quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu polymer, từ đó ngăn cản các phản ứng dây chuyền và giảm nhiệt thoát ra ở pha khí Ở pha rắn, acid phosphoric sinh ra từ quá trình phân hủy vật liệu trong quá trình cháy có khả năng loại nước và chuyển hóa thành than vật liệu polymer để tạo thành một lớp chắn trên bề mặt, ngăn sự tiếp xúc của oxy và nhiệt với vật liệu Khi các hợp chất chứa DOPO kết hợp với nitơ, silicon hoặc các chất chống cháy khác sẽ có nhiều khả năng thu được tác dụng chống cháy hiệp đồng [16],[17],[18] Khả năng phản ứng cao giúp các hợp chất chứa DOPO có thể biến đổi các cấu trúc

ma trận polymer qua liên kết cộng hóa trị cho mục đích tăng cường khả năng chống cháy của các vật liệu polymer như EP, cellulose, PET, PBT, PA,…)

1.1.3.3 Chất chống cháy hữu cơ aldehyde-diamine-DOPO

Chất chống cháy aldehyde-diamine-DOPO được tổng hợp theo cơ chế cộng hợp kiểu Michael là một trong những phản ứng phổ biến dung để tổng hợp các dẫn xuất của DOPO Các chất này được sử dụng như tác nhân đóng rắn cho polymer và được biết đến với những ưu điểm như an toàn cho sức khỏe, thân thiện với môi trường do không chứa halogen và kim loại nặng; có tác dụng hiệp đồng của cấu phần chứa phốt pho và cấu phần chứa nitơ; làm tăng độ bền va đập và tính chống cháy của nhựa epoxy [19] Ngoài ra, chúng còn có khả năng tạo liên kết cộng hóa trị gắn với mạng liên kết của epoxy, nên có tính tương thích về mặt hóa học tốt hơn so với các chất chống cháy trộn cơ học, tránh được quá trình rửa trôi, bay hơi của các cấu phần này khi sử

dụng [20] Một số nghiên cứu về tổng hợp các hợp chất chống cháy dạng aldehyde-diamine-DOPO như sau

Chất chống cháy vanillin- 4,4'-Methylenedianiline-DOPO được điều chế bằng phản ứng Pudovik một nối với hai bước: tổng hợp bazơ Schiff từ phản ứng ngưng tụ giữa 4,4'-methylenedianiline (MDA) và vanillin, sau đó tiến hành phản ứng cộng giữa DOPO và bazơ Schiff (Hình 5) Có thế thay thế vanillin bằng các aldehyde khác nhằm tìm cấu trúc tối ưu cho tính chất chống cháy

Hình 5 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-

4,4'-methylenedianiline-DOPO

Chất chống cháy vanillin- 4,4'-oxydianiline-DOPO được tổng hợp tương tự chất chống cháy vanillin- 4,4'-Methylenedianiline-DOPO bằng quy trình một nồi dựa trên phản ứng Pudovik với 4,4'-oxydianiline (ODA) (Hình 6) Có thế thay thế vanillin bằng các aldehyde khác nhằm tìm cấu trúc tối ưu cho tính chất chống cháy

Hình 6 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy

vanillin-4,4'-oxydianiline-DOPO

Chất chống cháy vanillin- 4,4'-diaminodiphenylsulfone-DOPO được tổng hợp tương tự chất chống cháy vanillin- 4,4'-Methylenedianiline-DOPO bằng quy trình một nồi dựa trên phản ứng Pudovik với 4,4'-diaminodiphenylsulfone

(DDS) (Hình 7) Có thể thay thế vanillin bằng các aldehyde khác nhằm tìm cấu trúc tối ưu cho tính chất chống cháy

Hình 7 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-4,4'-diaminodiphenyl

sulfone-DOPO

Chất chống cháy vanillin-2,6-diaminopyridine-DOPO được tổng hợp tương tự chất chống cháy vanillin- 4,4'-Methylenedianiline -DOPO bằng quy trình một nồi dựa trên phản ứng Pudovik với 2,6-diaminopyridine (Hình 8)

Có thế thay thế vanillin bằng các aldehyde khác nhằm tìm cấu trúc tối ưu cho tính chất chống cháy

Hình 8 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy

vanillin-2,6-diaminopyridine-DOPO

Chất chống cháy vanillin-melamine-DOPO được tổng hợp tương tự chất chống cháy Vanillin- 4,4'-Methylenedianiline-DOPO bằng quy trình một nồi dựa trên phản ứng Pudovik với melamine (Hình 9) Có thế thay thế vanillin bằng các aldehyde khác nhằm tìm cấu trúc tối ưu cho tính chất chống cháy

Hình 9 Phản ứng tổng hợp chất chống cháy vanillin-melamine –DOPO

Các hợp chất chống cháy aldehyde-diamine-DOPO đã được tổng hợp đều được chứng minh cấu trúc bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại

1.2 Các phương pháp phân tích phổ hiện đại

1.2.1 Quang phổ hồng ngoại IR

1.2.1.1 Giới thiệu chung về quang phổ hồng ngoại IR

Quang phổ hồng ngoại (IR) là phép đo tương tác của bức xạ hồng ngoại với vật chất bằng cách hấp thụ, phát xạ hoặc phản xạ Nó được sử dụng để nghiên cứu và xác định các chất hóa học hoặc các nhóm chức ở thể rắn, lỏng hoặc khí Nó có thể được sử dụng để mô tả các vật liệu mới hoặc xác định và xác minh các mẫu đã biết và chưa biết Phương pháp hoặc kỹ thuật quang phổ hồng ngoại được thực hiện với một dụng cụ gọi là máy quang phổ hồng ngoại (hoặc máy đo quang phổ) tạo ra phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại có thể được hiển thị trong biểu đồ độ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại (hoặc độ truyền qua) trên trục tung so với tần số, số sóng hoặc bước sóng trên trục hoành Các đơn

vị điển hình của số sóng được sử dụng trong phổ IR là centimet nghịch đảo, với ký hiệu cm−1 Các đơn vị của bước sóng IR thường được tính bằng micromet (trước đây gọi là "micron"), ký hiệu μm, có liên quan đến số sóng theo cách đối ứng [21]

Phần hồng ngoại của phổ điện từ thường được chia thành ba vùng: hồng ngoại gần, trung bình và xa IR gần có năng lượng cao hơn, khoảng

14000–4000 cm−1 (bước sóng 0,7–2,5 μm) có thể kích thích các dạng dao động phân tử Hồng ngoại trung bình, khoảng 4000–400 cm−1 (2,5–25 μm) thường được sử dụng để nghiên cứu các dao động cơ bản và cấu trúc dao động quay liên quan Khoảng hồng ngoại trung bình thường được sử dụng để xác định các chất hóa học hoặc các nhóm chức Hồng ngoại xa, khoảng 400–

10 cm−1 (25–1000 μm) có năng lượng thấp và có thể được sử dụng cho quang phổ quay và dao động tần số thấp Vùng từ 2–130 cm−1, giáp với vùng vi sóng, được coi là vùng terahertz và có thể sử dụng để thăm dò các dao động liên phân tử [21],[22]

Quang phổ hồng ngoại thường được sử dụng để xác định cấu trúc vì các nhóm chức làm phát sinh các dải đặc trưng cả về cường độ và vị trí (tần

số cm-1) Các liên kết với rung động kéo dãn đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và thể hiện các dải hấp thụ ở vùng tần số/số sóng cao hơn (Bảng 1)

Bảng 1 Dải tần số IR đặc trưng của các rung động kéo dãn của một số

nhóm chức

)

Alcohol O-H kéo dãn 3200-3600 (rộng)

Carbonyl C=O kéo dãn 1650-1750 (mạnh)

Aldehyde C-H kéo dãn ~ 2800 and ~ 2700 (trung bình)

Carboxylic acid C=O kéo dãn 1700-1725 (mạnh)

O-H kéo dãn 2500-3300 (rộng) Alkene C=C kéo dãn 1620-1680 (yếu)

Amine N-H kéo dãn 3300-3500 (trung bình)

Hình 10 Phạm vi hấp thụ IR gần đúng của một số nhóm chức [23]

Các dải hấp thụ trong phổ IR có các cường độ khác nhau thường có thể được gọi là mạnh, trung bình, yếu, rộng và sắc nét Cường độ của dải hấp thụ phụ thuộc vào độ phân cực của liên kết và liên kết có độ phân cực cao hơn sẽ cho thấy dải hấp thụ mạnh hơn Cường độ cũng phụ thuộc vào số lượng liên kết chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ và dải hấp thụ có nhiều liên kết tham gia hơn có cường độ cao hơn [23]

Liên kết O-H phân cực (trong ancol và axit cacboxylic) thường thể hiện dải hấp thụ mạnh và rộng, dễ nhận biết Hình dạng rộng của dải hấp thụ là kết quả của liên kết hydro của các nhóm OH giữa các phân tử Liên kết OH của nhóm ancol thường có độ hấp thụ trong khoảng 3200–3600 cm-1

, trong khi liên kết OH của nhóm axit cacboxylic xảy ra ở khoảng 2500–3300 cm-1

Độ phân cực của liên kết N-H (trong amin và amit) yếu hơn liên kết OH nên dải hấp thụ của N-H không mạnh hoặc rộng như OH và vị trí nằm trong vùng 3300–3500 cm-1 [23]

Sự kéo dài liên kết C-H của tất cả các hydrocacbon xảy ra trong khoảng 2800–3300 cm-1 và vị trí chính xác có thể được sử dụng để phân biệt giữa ankan, anken và alkyne Đặc biệt, liên kết ≡C-H (sp C-H) của alkyne đầu cuối cho độ hấp thụ ở khoảng 3300 cm-1 Liên kết =C-H (sp2 C-H) của anken cho

sự hấp thụ nào khác xảy ra ở các số sóng này [23]

Dao động kéo dãn của liên kết ba C≡C và C≡N có dải hấp thụ khoảng 2100–2200 cm-1 Cường độ dải ở mức trung bình đến yếu Các alkyne thường

có thể được xác định bằng các dải hấp thụ IR yếu nhưng sắc nét đặc trưng trong khoảng 2100–2250 cm-1

do kéo dãn liên kết ba C≡C và các alkyne đầu cuối có thể được xác định bằng độ hấp thụ của chúng ở khoảng 3300 cm- 1

do kéo dài sp C-H [23]

Như đã đề cập trước đó, sự kéo dãn C=O có dải hấp thụ mạnh trong vùng 1650–1750 cm-1 Các liên kết đôi khác như C=C và C=N có độ hấp thụ

ở vùng tần số thấp hơn khoảng 1550–1650 cm-1 Sự kéo dãn C=C của một anken chỉ thể hiện một dải ở ~1600 cm-1

(Hình 10), trong khi vòng benzen được biểu thị bằng hai dải hấp thụ sắc nét: một ở ~1600 cm-1

và một ở 1500–

1430 cm-1 [23]

Cuối cùng, vùng có tần số thấp hơn 400–1400 cm-1

trong phổ IR được gọi là vùng vân tay Tương tự như dấu vân tay của con người, kiểu dải hấp thụ trong vùng dấu vân tay là đặc trưng của toàn bộ hợp chất Ngay cả khi hai phân tử khác nhau có cùng nhóm chức, phổ IR của chúng sẽ không giống nhau và sự khác biệt như vậy sẽ được phản ánh trong các dải trong vùng dấu vân tay Do đó, IR từ một mẫu chưa biết có thể được so sánh với cơ sở dữ liệu phổ IR tiêu chuẩn đã biết để xác nhận việc nhận dạng mẫu chưa biết [23]

1.2.2.2 Ứng dụng của quang phổ hồng ngoại IR

Quang phổ hồng ngoại là một kỹ thuật đơn giản và đáng tin cậy được

sử dụng rộng rãi trong cả hóa học hữu cơ và vô cơ, trong nghiên cứu và công

nghiệp Trong nghiên cứu tổng hợp hữu cơ, quang phổ hồng ngoại được sử dụng để xác định các nhóm chức đặc trưng của các hợp chất tổng hợp được

Ví dụ như trong nghiên cứu vào năm 2021 của Nguyễn Văn Tuyến và cộng

sự, nhóm đã tổng hợp các dẫn xuất 3-aryl-2-hydroxy-1,4-naphthoquinone mới thông qua phản ứng ba thành phần có hỗ trợ vi sóng bắt đầu từ 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, axit tetronic và các aldehyde thơm khác nhau (Hình 11) Các hợp chất tổng hợp được đã được đánh giá cấu trúc bằng cách sử dụng phương pháp quang phổ IR Phổ IR của các hợp chất này cho thấy sự hiện diện của liên kết O–H ở 3700–3400 cm–1, lactone C=O, liên kết ở 1729–1722 cm–1, và liên kết C=O của quinone ở 1640–1633 cm–1, góp phần khẳng định cấu trúc của hợp chất tổng hợp được (Hình 12) [24]

Hình 11 Quy trình tổng hợp các hợp chất

3-aryl-2-hydroxy-1,4-naphthoquinone [24]

Hình 12 Phổ IR của hợp chất dihydrofuran-3-yl)methyl)-3-hydroxynaphthalene-1,4-dione [24]

1283.65cm-1

735.22cm-1 1472.30cm-1

1008.11cm-1 1044.22cm-1

775.32cm-1 1189.66cm-1

948.06cm-1

693.05cm-1 2926.29cm-1

665.83cm-1 451.34cm-1561.63cm-1 3743.63cm-1

Trong lĩnh vực xúc tác, quang phổ hồng ngoại IR là một công cụ rất hữu ích để mô tả đặc tính của chất xúc tác [25],[26],[27], cũng như để phát hiện các chất trung gian[28] và các sản phẩm trong quá trình phản ứng xúc tác Chẳng hạn vào năm 2021, Wróblewska và đồng nghiệp đã sử dụng phương pháp FT-IR với số sóng từ 400 đến 4000 cm−1 để xác định cấu trúc của hợp chất clinoptilolite, một chất xúc tác zeolit tự nhiên, hoạt động cho các biến đổi hóa học của geraniol Clinoptilolite có cấu trúc khung vi xốp gồm các tứ diện AlO4 và SiO4 (Hình 13) Nhôm và silicon ở đây được liên kết với nhau thông qua các nguyên tử oxy Mạng tinh thể của clinoptilolit có các lỗ rỗng ở dạng lồng và ống Những chiếc lồng này có thể hấp thụ các chất khác nhau Trong điều kiện tự nhiên, nước chủ yếu được hấp phụ, sau đó có thể được loại bỏ khỏi lỗ chân lông bằng cách nung nóng, tại đó cấu trúc của zeolite không thay đổi Kết quả FT-IR được biểu thị ở Hình 14 với sự hấp phụ nước, bằng chứng là các dải trong phạm vi 3500 và 1640 cm−1 Các dải ở

3444 cm−1 cho thấy sự hiện diện của các nhóm OH, trong khi dải 1637 cm−1

đề cập đến các phân tử nước liên kết với Na và Ca, có trong cấu trúc zeolit Dải 1067 cm−1 đại diện cho các dao động kéo dài không đối xứng bên trong các liên kết T-O trong các tứ diện TO4 (T=Si và Al) Các dải 796 và 469 cm−1được gán cho dao động kéo dài của các nhóm O–T–O và lực căng uốn của các liên kết T–O [27]

Hình 13 Cấu trúc của hợp chất clinoptilolite [27]

Hình 14 Phổ FT-IR của hợp chất clinoptilolite [27]

Quang phổ hồng ngoại cũng rất hữu ích trong lĩnh vực polymer, ví dụ như việc đo lường mức độ polyme hóa trong sản xuất polyme [29] Những thay đổi về đặc tính hoặc số lượng của một liên kết cụ thể được đánh giá bằng cách đo ở một tần suất cụ thể theo thời gian Các công cụ nghiên cứu hiện đại

có thể thực hiện các phép đo hồng ngoại trên phạm vi quan tâm với tần suất

32 lần một giây Điều này có thể được thực hiện trong khi các phép đo đồng thời được thực hiện bằng các kỹ thuật khác, do đó làm cho việc quan sát các phản ứng và quá trình hóa học nhanh hơn và chính xác hơn Quang phổ hồng ngoại cũng là một phương pháp phân tích quan trọng trong quy trình tái chế nhựa phế thải gia đình và là phương pháp độc lập thuận tiện để phân loại nhựa thuộc các loại polyme khác nhau (PET, HDPE, ) [30] Ngoài ra, quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier trở nên phổ biến trong nghiên cứu ô nhiễm vi nhựa để xác định thành phần hóa học của các mảnh nhựa chưa biết Nó có thể được sử dụng để đánh giá mức độ thay đổi của vi nhựa bị lão hóa nhân tạo và phong hóa trong môi trường [31] Năm 2023, Campanale và đồng nghiệp đã đánh giá định tính quá trình phong hóa tự nhiên của các ô nhiễm vi nhựa môi trường được thu thập trong vùng nước ngọt của Ý (sông Ofanto) bằng công

nghệ ATR-FTIR Phổ FTIR được đo bằng máy Nicolet Summit FTIR được trang bị Everest ATR với tấm Pha lê kim cương và máy dò DTGS KBr (dải sóng 4000–500 cm−1, 32 lần quét trên mỗi phổ, độ phân giải phổ 4 cm−1) Mức độ lão hóa được đánh giá bằng cách sử dụng ba chỉ số khác nhau được biết là có liên quan đến những thay đổi trong ô nhiễm vi nhựa: chỉ số carbonyl (CI), chỉ số hydroxyl (HI) và chỉ số carbon-oxy (COI) Kết quả tổng thể cho thấy các vùng phản ánh sự thay đổi (nhóm hydroxyl, đỉnh từ 3100 đến 3700

cm−1, anken hoặc liên kết đôi cacbon, 1600 và 1680 cm−1, và nhóm cacbonyl,

1690 và 1810 cm−1) xuất hiện biến đổi đáng kể trong các hạt phong hóa nhân tạo và tự nhiên so với các vật liệu nguyên sơ (Hình 15, Hình 16) [31]

Hình 15 So sánh giữa các phổ IR của các hạt PE nguyên sơ (pristine), lão hóa nhân tạo (artificial aged) và phong hóa tự nhiên (naturally aged) [31]

Hình 16 Phổ IR của PE phong hóa tự nhiên có sự xuất hiện các nhóm

chức mới do quá trình phân hủy [31]

Quang phổ hồng ngoại cũng đã được sử dụng thành công trong lĩnh vực

vi điện tử bán dẫn: ví dụ, quang phổ hồng ngoại có thể được áp dụng cho các chất bán dẫn như silicon, gali arsenua, gali nitrit, kẽm selenua, silicon vô định hình, silicon nitrit, v.v [32] Một ứng dụng quan trọng khác của quang phổ hồng ngoại là trong ngành công nghiệp thực phẩm để đo nồng độ của các hợp chất khác nhau trong các sản phẩm thực phẩm khác nhau [33] Quang phổ hồng ngoại cũng được sử dụng trong các thiết bị phát hiện rò rỉ khí như DP-

IR và EyeCGA Các thiết bị này phát hiện rò rỉ khí hydrocacbon trong quá trình vận chuyển khí đốt tự nhiên và dầu thô Quang phổ hồng ngoại IR cũng được sử dụng trong các ứng dụng kiểm soát chất lượng, đo lường động và giám sát chẳng hạn như đo nồng độ CO2 không giám sát trong thời gian dài trong nhà kính và buồng tăng trưởng bằng máy phân tích khí hồng ngoại Nó cũng được sử dụng trong phân tích pháp y trong cả vụ án hình sự và dân sự,

ví dụ như trong việc xác định sự xuống cấp của polyme Nó có thể được sử dụng để xác định nồng độ cồn trong máu của người lái xe bị nghi ngờ say rượu Quang phổ hồng ngoại đã được sử dụng thành công trong phân tích và

xác định sắc tố trong tranh vẽ và các đối tượng nghệ thuật khác chẳng hạn như bản thảo được chiếu sáng

1.2.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR

1.2.2.1 Giới thiệu chung về phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân, thường được gọi là phổ NMR là phương pháp nghiên cứu về các phân tử bằng cách quan sát từ trường cục bộ xung quanh hạt nhân nguyên tử Mẫu được đặt trong từ trường mạnh và tín hiệu NMR được tạo ra bằng cách kích thích hạt nhân với sóng vô tuyến từ khoảng

4 đến 900 MHz tạo thành cộng hưởng từ hạt nhân, tín hiệu này được phát hiện bằng máy thu vô tuyến nhạy Từ trường nội phân tử xung quanh nguyên tử trong phân tử làm thay đổi tần số cộng hưởng, do đó cho phép xác định chi tiết về cấu trúc điện tử của phân tử và các nhóm chức riêng lẻ của phân tử đó Các loại phổ cộng hưởng từ hạt nhân phổ biến nhất là phổ 1

H và 13C NMR, được sử dụng để xác định lần lượt các tín hiệu proton và tín hiệu carbon Bên cạnh đó, phổ NMR hai chiều là một bước phát triển của phổ NMR một chiều, được sử dụng để xác định tương tác của các hạt nhân của phân tử trong không gian hai chiều [34],[35],[36]

Phổ NMR là duy nhất, được phân giải tốt, có thể phân tích được và thường có khả năng dự đoán cao đối với các phân tử nhỏ Các nhóm chức năng khác nhau rõ ràng là có thể phân biệt được và các nhóm chức năng giống hệt nhau với các nhóm thế lân cận khác nhau vẫn cho các tín hiệu có thể phân biệt được Một nhược điểm là cần một lượng tương đối lớn, 2–50

mg, chất tinh khiết, mặc dù nó có thể được phục hồi thông qua quá trình phân tích Tốt hơn là nên hòa tan mẫu trong dung môi, vì phân tích NMR của chất rắn yêu cầu máy kéo sợi góc ma thuật chuyên dụng và có thể không cho phổ phân giải tốt như nhau Khoảng thời gian của NMR tương đối dài và do đó nó không phù hợp để quan sát các hiện tượng nhanh, chỉ tạo ra phổ trung bình Mặc dù một lượng lớn tạp chất hiển thị trên phổ NMR, vẫn tồn tại các phương pháp tốt hơn để phát hiện tạp chất, vì NMR vốn dĩ không nhạy lắm - mặc dù ở tần số cao hơn, độ nhạy cũng cao hơn

1.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Trong quá trình tương tác của bức xạ tần số vô tuyến được áp dụng bên ngoài với hạt nhân nguyên tử, có một sự trao đổi năng lượng tổng dẫn đến sự thay đổi một tính chất nội tại của hạt nhân nguyên tử được gọi là spin hạt nhân Spin hạt nhân được xác định bởi một số lượng tử (I), thay đổi tùy thuộc vào đồng vị được xem xét Chỉ những hạt nhân nguyên tử có I ≠ 0 mới có thể phát hiện được bằng phổ NMR Những hạt nhân hoạt động NMR này hoạt động như những nam châm nhỏ (lưỡng cực từ), có khả năng sắp xếp theo từ trường bên ngoài (một quá trình gọi là từ hóa) Lực của những nam châm nhỏ

bé đó được xác định bởi một hằng số được gọi là tỷ lệ từ trường (γ), có giá trị phụ thuộc vào đồng vị Spin hạt nhân của một số hạt nhân hoạt động NMR có thể áp dụng hai hướng khác nhau khi chúng thẳng hàng với từ trường bên ngoài (B0) Một định hướng tương ứng với mức năng lượng thấp nhất của hạt nhân (song song với từ trường bên ngoài) và định hướng còn lại liên quan đến mức năng lượng cao nhất của hạt nhân (ngược chiều với từ trường bên ngoài) (Hình 17, bảng điều khiển bên trái) Sự khác biệt giữa các mức năng lượng (ΔE) phụ thuộc vào từ trường và tỷ lệ từ trường (Phương trình 1) và ảnh hưởng đến độ nhạy của kỹ thuật (Hình 17, bảng bên phải) [37]

Hình 17 Định hướng spin hạt nhân của mẫu được căn chỉnh (song song

và phản song song) với hướng của từ trường ngoài B0 (bảng bên trái) Phân bố của các quần thể spin hạt nhân ở hai mức năng lượng có thể có

trong hạt nhân với I = ½ (bảng bên phải) [37]

Cộng hưởng từ đạt được khi các hạt nhân được chiếu xạ bằng tần số vô tuyến Điều này gây ra sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng, kéo theo

những thay đổi về hướng của các spin hạt nhân Khi hạt nhân nguyên tử chịu tác dụng của từ trường, các lưỡng cực từ của hạt nhân không thẳng hàng với

từ trường B0 mà chuyển động như con quay (chuyển động tuế sai) quanh một trục song song với hướng của từ trường (Hình 18, bảng điều khiển bên trái) Tần số của chuyển động tuế sai này, được gọi là tần số Larmor (νL), được xác định bởi tỷ lệ từ trường và từ trường Do chuyển động tuế sai này, vectơ từ (μ) liên kết với các lưỡng cực từ hạt nhân có một thành phần song song với từ trường (μz) và một thành phần khác vuông góc với từ trường (μxy), với thành phần cuối cùng này có giá trị tổng bằng không trong trường hợp không có nhiễu loạn bên ngoài Trong thí nghiệm NMR, không thể đo tín hiệu theo hướng z vì từ trường quá mạnh theo hướng đó Do đó, cần phải chuyển từ hóa của thành phần z sang mặt phẳng xy Với mục đích này, một xung từ chứa các tần số gần với tần số Larmor được đặt vuông góc với B0 để đạt được sự cộng hưởng của các spin hạt nhân, tạo ra thành phần μxy khác không Sau xung này, một quá trình thư giãn diễn ra và thành phần μxy dần dần phục hồi giá trị thực của nó bằng 0 (Hình 18, bảng bên phải) Kết quả của sự thư giãn này, năng lượng được phát ra dưới dạng tần số vô tuyến, tạo ra một tín hiệu đặc trưng gọi là phân rã cảm ứng tự do (FID) được ghi lại bởi máy dò FID này sau đó được chuyển đổi thành một biểu đồ cường độ so với tần số được gọi là phổ NMR [37]

Hình 18 Spin hạt nhân dưới ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (bảng bên trái) Sơ đồ thí nghiệm NMR cơ bản trong đó từ hóa được chuyển sang

mặt phẳng xy khi áp dụng xung từ (bảng bên phải) [37]

Phổ NMR cung cấp nhiều thông tin về các phân tử có trong mẫu nghiên

cứu thông qua các giá trị dịch chuyển hóa học ppm (δ) Các spin của hai hạt

nhân được kết nối thông qua một số liên kết hóa học có thể tương tác với nhau, gây ra hiện tượng được gọi là liên kết vô hướng phân tách các tín hiệu Thông thường, sự liên kết này chỉ có thể quan sát được khi số lượng liên kết hóa học ngăn cách hai hạt nhân không vượt quá bốn Sự phân tách của các tín hiệu tuân theo một mô hình phụ thuộc vào số lượng hạt nhân được ghép nối

và vào hằng số ghép nối (J) được xác định bởi loại hạt nhân và khoảng cách (trong liên kết hóa học) giữa chúng Hình dạng đặc trưng của tín hiệu phân tách được gọi là bội số và cung cấp thêm thông tin về phân tử Tính bội số này có thể được tính bằng quy tắc N+1 Quy tắc này phát biểu rằng nếu một proton thể hiện sự liên kết vô hướng với N proton gắn với hạt nhân carbon liền kề, thì tín hiệu của nó sẽ tách thành N+1 đỉnh với cường độ tương đối được xác định bởi tam giác Pascal (Hình 19) Cuối cùng, việc quan sát các tín hiệu phát sinh từ một hiệu ứng gọi là hiệu ứng Overhauser hạt nhân (NOE) là điều cần thiết để xác định cấu trúc của các đại phân tử, vì nó xuất hiện từ sự tương tác của các spin hạt nhân của các nguyên tử ở gần nhau về mặt không gian, nhưng ở xa trong chuỗi phân tử [37]

Hình 19 Ví dụ về sự phân tách tín hiệu [37]

Việc gán phổ NMR thường được thực hiện với sự trợ giúp của biểu đồ

hoặc sơ đồ NMR giúp dễ dàng xác định tín hiệu NMR Hydro hoặc cacbon được che chắn cao, chẳng hạn như nhóm metyl, nằm ở trường cao, có giá trị chuyển dịch hóa học thấp (phía bên phải của thang dịch chuyển hóa học) Tuy nhiên, hydro gắn với các nhóm có độ âm điện lớn (ví dụ: axit cacboxylic, xeton hoặc andehit) nằm ở trường thấp, có giá trị độ dịch chuyển hóa học cao (phía bên trái của thang dịch chuyển hóa học) (Hình 20 và Hình 21)

Hình 20 Biểu đồ thể hiện các giá trị độ dịch chuyển hóa học điển

Hình 21 Biểu đồ thể hiện các giá trị độ dịch chuyển hóa học điển

Các đại phân tử, chẳng hạn như protein, có một số lượng lớn hạt nhân hoạt động NMR và do đó, phổ NMR của chúng rất phức tạp với nhiều đỉnh chồng lên nhau Để giải quyết những hạn chế này, các thí nghiệm 2D NMR tạo ra quang phổ được xác định bởi hai trục dịch chuyển hóa học (thay vì một trục như trong quang phổ 1D), với các tín hiệu tương quan với các cặp hạt nhân khác nhau Ba ví dụ về thí nghiệm 2D NMR là COSY, TOCSY và NOESY [37]

 Quang phổ COZY (COrreled SpectroscopY) hiển thị các đỉnh tương ứng với các cặp hạt nhân được phân tách bằng tối đa ba liên kết hóa học Mối tương quan này phát sinh từ sự tương tác giữa các spin hạt nhân thông qua sự liên kết vô hướng

 Quang phổ TOCSY (TOtal Correlative SpectroscopY) hiển thị các tín hiệu tương quan giữa các cặp hạt nhân thuộc cùng một hệ thống spin (hệ thống spin là một tập hợp các hạt nhân có các spin tương tác với nhau, nghĩa

là chúng được ghép nối với nhau)

 Các thí nghiệm NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) rất quan trọng trong việc làm sáng tỏ cấu trúc của các đại phân tử vì chúng cung cấp thông tin về tổ chức không gian của chúng Phổ NOESY chứa các đỉnh tương ứng với các cặp hạt nhân lân cận (thường cách nhau dưới 5-6 Å) Khác với COSY, mối tương quan NOESY phát sinh từ hiệu ứng Overhauser hạt nhân, trong đó tương tác xảy ra khi hai hạt nhân ở gần nhau

về mặt không gian, bất kể số lượng liên kết hóa học ngăn cách chúng

1.2.2.3 Ứng dụng của phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Trong hóa học, ứng dụng chính của quang phổ NMR là xác định và làm sáng tỏ cấu trúc của các phân tử hữu cơ, cơ kim và sinh hóa Nói chung, việc xác định các hợp chất được bổ sung bằng dữ liệu thu được bằng các kỹ thuật khác, chẳng hạn như khối phổ, quang phổ hồng ngoại và phân tích nguyên

tố Hơn nữa, tỷ lệ giữa diện tích của tín hiệu và lượng hạt nhân tạo ra nó cho phép sử dụng quang phổ NMR như một công cụ phân tích định lượng.5

Chẳng hạn trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, nhóm nghiên cứu của giáo

sư Nguyễn Văn Tuyến đã sử dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân để xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ tổng họp được Trong công bố trên tạp chí

Chemistry and Biodiversity vào năm 2022, một loạt các hợp chất dihydrobenzo[g]quinoline-5,10-diones mới sử dụng 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, nhiều loại aldehyd thơm và 4-(arylamino)furan-2(5H)-one Phổ 1D và 2D NMR của các hợp chất tổng hợp được đã được nghiên cứu Phổ 1H NMR cho thấy các tín hiệu đặc trưng tương ứng với 5 proton thơm

N-arylated-của vòng 1,4-dihydrobenzo[g]quinoline-5,10-dione [δ 7,99 (1H, dd, J = 1,2,

7,8 Hz, H9 ), 7,86 (1H, dd, J = 0,6, 7,8 Hz, H6), 7,67 (1H, td, J = 1,2, 7,8 Hz, H7), 7,62 (1H, td, J = 1,8, 7,8 Hz, H8), 5,33 (1H, d, J = 0,6 Hz, H11)], 7

proton của nhóm 3-methoxyphenyl [δ 7,43 (1H, t, J = 8,4 Hz, H5‖), 7,03 (1H,

dd, J = 1,2, 8,4 Hz, H-4‖), 6,87 (1H, dd, J = 1,2, 7,8 Hz, H6‖), 6,80 (1H, t, J = 1,8, 4,2 Hz, H2‖), 3,86 (3H, s, OCH3) ], và 7 proton p-tolyl [δ 7,35 (2H, d, J =

7,8 Hz, H2'+H6'), 7,14 (2H, d, J = 7,8 Hz, H3'+H5'), 2,29 (3H, s, CH3)] (Hình 22) Ngoài ra, một tín hiệu doublet doublet ở 4,55 ppm và một doublet ở 4,46 ppm với hằng số ghép nối là 16,2 Hz được công nhận là 2 proton methylene của vòng γ-butyrolactone Ngoài ra, phổ 13C NMR cho thấy 29 tín hiệu carbon, được gán đầy đủ với hỗ trợ HSQC và HMBC (Hình 23, Hình 24, Hình 25) Như vậy, với phổ NMR đã chứng minh được cấu trúc của hợp chất tổng hợp được [38]

Hình 22 Phổ 1 H NMR của dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38]

4-(3-methoxyphenyl)-11-(p-tolyl)-4,11-dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38]

Hình 24 Phổ HSQC của dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38]

Hình 25 Phổ HMBC của dihydrobenzo[g]furo[3,4-b]quinoline-1,5,10(3H)-trione [38]

4-(3-methoxyphenyl)-11-(p-tolyl)-4,11-Ngoài ra, trong lĩnh vực dược phẩm, phổ cộng hưởng từ hạt nhân cũng được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc, động lực học và tương tác phân tử để khám phá thuốc, kiểm soát chất lượng và xác định độ tinh khiết của thuốc [39] Chẳng hạn, Henrique và đồng nghiệp đã nghiên cứu sử dụng phương pháp quang phổ 1H NMR định lượng xác định độ tinh khiết của một ứng cử viên thuốc kháng nấm mới RI76 [40] Trong lĩnh vực hóa dầu, phân tích vật liệu đá để kiểm tra tính phù hợp của vỉa dầu khai thác, phân tích thành phần NMR trạng thái rắn của các dẫn xuất dầu mỏ, kiểm tra chất lượng sản phẩm [41] Hay trong lĩnh vực vật liệu, đặc tính của vật liệu mới cũng được xác định bằng trạng thái chất rắn NMR [42].

Trong khoa học đời sống, quang phổ NMR đã được áp dụng rộng rãi để phân giải cấu trúc của các đại phân tử sinh học, bao gồm peptide, protein, lipid, carbohydrate và axit nucleic Các hệ thống này rất phức tạp và do đó cần phải sử dụng một cách tiếp cận đặc biệt Điều nay bao gồm: ghi nhãn đồng vị để làm giàu mẫu trong 13

C và 15N, hoặc thậm chí trong 2

H, sử dụng các xung NMR đặc biệt để giảm chồng chéo tín hiệu và tăng độ phân giải, sử dụng các thí nghiệm NMR có kích thước cao (2D, 3D hoặc thậm chí cao hơn) Sau khi gán các tín hiệu NMR, dữ liệu thu được sẽ được xử lý để có được thông tin về sự dịch chuyển hóa học, góc xoắn và giới hạn khoảng cách giữa các nguyên tử Thông tin này sau đó được sử dụng để tính toán cấu trúc phân tử bằng phương pháp sử dụng phần mềm máy tính được phát triển cho mục đích đó Phần mềm tạo ra các cấu trúc phân tử đáp ứng các hạn chế áp đặt, giảm thiểu năng lượng của chúng (vì các cấu trúc năng lượng thấp nhất là

ổn định nhất và do đó, có khả năng xảy ra cao nhất) [43],[44]

Bên cạnh việc làm sáng tỏ cấu trúc, quang phổ NMR cũng có thể được

sử dụng để trích xuất thông tin về động lực học phân tử như thời gian giãn, độ cứng của cấu trúc và trao đổi hóa học cũng như tương tác giữa các phân tử (nhiễu loạn dịch chuyển hóa học, chuyển từ hóa giữa các phân tử)

[45],[46] Trong bối cảnh này, NMR trạng thái rắn rất hữu ích để nghiên cứu các protein tương tác với cấu trúc lipid hoặc các hệ thống sinh học khác hoạt động giống như một pha ngưng tụ [47] Một số ví dụ về ứng dụng NMR trong các lĩnh vực liên quan đến khoa học đời sống có thể kể đến như nghiên cứu cấu trúc, động lực học và tương tác phân tử của peptide, protein, axit nucleic, carbohydrate và các phân tử sinh học khác trong sinh học phân tử và lý sinh học [45],[46] Phân tích chất lỏng sinh học để thu được hồ sơ liên quan đến bệnh tật (trao đổi chất), sử dụng kỹ thuật hình ảnh NMR để chẩn đoán y khoa trong khoa học sức khỏe [48] Hay phân tích kiểm tra chất lượng của các mẫu thực phẩm, rượu vang và cần sa trong khoa học thực phẩm [49]

1.2.3 Phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS

1.2.3.1 Giới thiệu về phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS

Khối phổ phân giải cao (HRMS) là phương pháp sử dụng khối phổ có

độ phân giải cao, cũng như các phép đo có độ chính xác khối lượng cao Phép

đo phổ khối độ phân giải cao HRMS có thể cung cấp đỉnh m/z lên tới 4-5 chữ

số thập phân Phương pháp này được sử dụng với mục đích trước hết là xác định khối lượng phân tử của một phân tử và cuối cùng là dẫn đến xác định cấu trúc của nó

Trong khối phổ HRMS, một mẫu sản phẩm có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí, bị ion hóa bằng cách bắn phá bằng một chùm electron, điều này có thể khiến một số phân tử của mẫu bị vỡ thành các mảnh mang điện tích dương hoặc đơn giản là trở nên mang điện tích dương mà không bị phân mảnh Các ion (mảnh) này sau đó được tách ra theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng, bằng cách tăng tốc chúng và đặt chúng vào một điện trường hoặc từ trường [50] Các ion được phát hiện bằng một cơ chế có khả năng phát hiện các hạt tích điện, chẳng hạn như hệ số nhân điện tử Kết quả được hiển thị dưới dạng phổ cường độ tín hiệu của các ion được phát hiện dưới dạng hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích Các nguyên tử hoặc phân tử trong mẫu có

thể được xác định bằng cách so sánh các khối lượng đã biết (ví dụ: toàn bộ phân tử) với các khối lượng đã xác định hoặc thông qua một mẫu phân mảnh đặc trưng

Trong phép đo khối phổ, quá trình ion hóa đề cập đến việc tạo ra các ion pha khí phù hợp để phân giải trong máy phân tích khối lượng hoặc bộ lọc khối lượng Có một số nguồn ion có sẵn; mỗi cái đều có ưu điểm và nhược điểm đối với các ứng dụng cụ thể Ví dụ, quá trình ion hóa điện tử (EI) mang lại mức độ phân mảnh cao, tạo ra khối phổ có độ chi tiết cao mà khi được phân tích khéo léo có thể cung cấp thông tin quan trọng để làm sáng tỏ hóa cấu trúc và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định các hợp chất chưa biết bằng cách so sánh với các thư viện khối phổ thu được trong các điều kiện hoạt động giống hệt nhau Tuy nhiên, EI không phù hợp để ghép với HPLC, tức là LC-MS, vì ở áp suất khí quyển, các dây tóc được sử dụng để tạo ra các electron bị đốt cháy nhanh chóng Do đó, EI được kết hợp chủ yếu với GC, tức là GC-MS, trong đó toàn bộ hệ thống ở trong môi trường chân không cao

Có hai kỹ thuật ion hóa chính, kỹ thuật ion hóa cứng và kỹ thuật ion hóa mềm Kỹ thuật ion hóa cứng là quá trình truyền một lượng lớn năng lượng còn lại trong phân tử chủ thể, gây ra mức độ phân mảnh lớn (tức là sự phá vỡ có hệ thống các liên kết có tác dụng loại bỏ năng lượng dư thừa, khôi phục tính ổn định cho ion thu được) Các ion kết quả có xu hướng có m/z thấp hơn so với ion phân tử (trừ trường hợp chuyển proton và không bao gồm các đỉnh đồng vị) Ví dụ phổ biến nhất của ion hóa cứng là ion hóa điện tử (EI)

Kỹ thuật ion hóa mềm đề cập đến các quá trình truyền ít năng lượng còn lại vào phân tử đối tượng và do đó dẫn đến ít sự phân mảnh Các ví dụ bao gồm bắn phá nguyên tử nhanh (FAB), ion hóa hóa học (CI), ion hóa hóa học ở áp suất khí quyển (APCI), quang hóa ở áp suất khí quyển (APPI), ion hóa phun điện (ESI), ion hóa phun điện giải hấp thụ (DESI) và laser hỗ trợ ma trận giải hấp/ion hóa (MALDI)

Ion hóa phun điện tử (ESI) là một kỹ thuật được sử dụng trong phép đo khối phổ để tạo ra các ion bằng cách sử dụng phun điện tử trong đó điện áp cao được đặt vào chất lỏng để tạo ra aerosol Kỹ thuật ion hóa phun điện được báo cáo lần đầu tiên bởi Masamichi Yamashita và John Fenn vào năm 1984 [51] Sự phát triển của phương pháp ion hóa phun điện từ để phân tích các đại phân tử sinh học đã được trao giải Nobel Hóa học cho John Bennett Fenn và Koichi Tanaka năm 2002 [52] Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong việc tạo ra các ion từ các đại phân tử vì nó khắc phục được xu hướng phân mảnh của các phân tử này khi bị ion hóa Điều này có thể thuận lợi theo nghĩa là ion phân tử (hay chính xác hơn là ion giả phân tử) hầu như luôn được quan sát thấy, tuy nhiên có thể thu được rất ít thông tin về cấu trúc từ khối phổ đơn giản thu được ESI khác với các quá trình ion hóa khác vì nó có thể tạo ra các ion đa điện tích, giúp mở rộng phạm vi khối lượng của máy phân tích một cách hiệu quả để phù hợp với các bậc độ lớn kDa-MDa được quan sát thấy trong protein

và các đoạn polypeptide liên kết của chúng [50],[53] Đối với phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS, các ion quan sát được có thể là các ion gần phân tử được tạo ra bằng cách thêm một cation hydro và được ký hiệu là [M+H]+

hoặc của một cation khác như ion natri, [M+Na]+

hoặc loại bỏ hạt nhân hydro [M−H]− Các ion tích điện gấp bội như [M+nH]n+

cũng thường được quan sát thấy [54]

Là một kỹ thuật phân tích, nó sở hữu những ưu điểm khác biệt như: tăng độ nhạy so với hầu hết các kỹ thuật phân tích khác vì máy phân tích, như một bộ lọc điện tích khối lượng, làm giảm nhiễu nền, Độ đặc hiệu tuyệt vời từ các mẫu phân mảnh đặc trưng để xác định các ẩn số hoặc xác nhận sự hiện diện của các hợp chất nghi ngờ, thông tin về trọng lượng phân tử, thông tin về

sự phong phú đồng vị của các nguyên tố, dữ liệu hóa học được giải quyết tạm thời Một số nhược điểm của phương pháp này là thường không phân biệt được giữa các đồng phân quang học và đồng phân hình học cũng như vị trí của nhóm thế ở các vị trí o-, m- và p- trong vòng thơm Ngoài ra, phạm vi của

nó bị giới hạn trong việc xác định các hydrocacbon tạo ra các ion phân mảnh tương tự Chính vì vậy, sự kết hợp giữa cá phương pháp phân tích để chứng minh cấu trúc của một hợp chất là vô cùng quan trọng

1.2.3.2 Ứng dụng của phổ khối phân giải cao HRMS

Phép đo khối phổ có cả công dụng định tính và định lượng Chúng bao gồm xác định các hợp chất chưa biết, xác định thành phần đồng vị của các nguyên tố trong phân tử và xác định cấu trúc của hợp chất bằng cách quan sát

sự phân mảnh của nó MS hiện được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm phân tích nghiên cứu các đặc tính vật lý, hóa học hoặc sinh học của nhiều loại hợp chất Chẳng hạn trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, nhóm nghiên cứu của giáo sư tuyến đã có rất nhiều công bố trên tạp chí uy tín sử dụng phép

đo khố phổ để xác định công thức của các hợp chất tổng hợp được Ví dụ, trong công bố năm 2022, trên tạp chí Chemistry of Heterocyclic Compounds,

một loạt các hợp chất aryl)methyl)furan-2(5H)-one mới đã được tổng hợp thông qua các phản ứng

4-amino-3-((5-hydroxybenzo[a]phenazin-6-yl)(4-năm thành phần ―một nồi‖ hai bước của 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, các aldehyde thơm, benzen-1,2-diamine , axit tetronic và amonium axetat trong axit axetic băng Phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS đã được sử dụng để khẳng định cấu trúc của cá hợp chất tổng hợp được Cụ thể, trên phổ khối

HR-ESI-MS của hợp chất methoxyphenyl)methyl)furan-2(5H)-one đã quan sát thấy tín hiệu pic ion

4-amino-3-((5-hydroxybenzo[a]phenazin-6-yl)(4-phân tử [M+H]+

m/z: 464.1594 (tính toán cho công thức phân tử C28H22N3O4 ,

m/z: 464.1605) (Hình 26) [55]

Hình 26 Phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS của hợp chất hydroxybenzo[a]phenazin-6-yl)(4-methoxyphenyl)methyl)furan-2(5H)-one [55]

4-amino-3-((5-Hay trong lĩnh vực chiết tách các hợp chất thiên nhiên, khối phổ phân giải cao HRMS cũng đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc xác định cấu trúc của hợp chất chiết tách đc Ví dụ, trong công bố trên tạp chí Natural Product Communications, nhóm nghiên cứu của PGS TS Ngô Quốc Anh đã

nghiên cứu hóa học về chiết xuất metanol của thân và lá Stixis scandens,dẫn

đến việc phân lập 3 hợp chất chứa nitơ và 6 hợp chất phenolic, bao gồm 2 glycoside mới, một phenolic amide glucoside, scandemide, và một loại indole alkaloid glycoside, stixilenin [56] Cấu trúc của chúng đã được làm sáng tỏ bằng các phân tích quang phổ (1D- và 2D-NMR) và đo phổ HR-ESI-MS Stixilenin được phân lập dưới dạng chất rắn màu trắng, HR-ESI-MS âm của

nó cho đỉnh ion phân tử ở m/z 484.1457 [M-H]−, tương ứng với công thức phân tử C21H27NO12 (tính toán cho C21H26NO12 −

, m/z 484.1455) (Hình 27)