- Phổ tử ngoại và khả kiến của các hợp chất gắn liền với bước chuyển dời electron giữa các mức năng lượng trong phân tử, có liên quan chặt chẽ tới cấu tạo của hệ nối đôi liên hợp và vòng
LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP VỀ PHỔ
Các phương pháp phổ được sử dụng phổ biến để xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ bao gồm phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy, IR) và phổ tử ngoại-khả kiến.
(Ultra Violet spectroscopy-VISual, UV-VIS); phổ khối lượng hay khối phổ (Mass Spectrometry, MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR)
Mỗi loại phổ đều mang những đặc trưng riêng và cung cấp thông tin khác nhau về cấu trúc của hợp chất hữu cơ Phổ hồng ngoại cung cấp thông tin về các nhóm chức như -OH, -COR, -COOR, -CN, nhưng không xác định được vị trí của chúng trong phân tử Trong khi đó, phổ tử ngoại-khả kiến giúp xác định các cấu trúc có chứa hệ liên hợp trong phân tử.
Trong một số trường hợp, việc xác định thông tin trên phổ hồng ngoại và phổ tử ngoại gặp khó khăn Phổ khối lượng cung cấp thông tin về khối lượng phân tử của hợp chất, và việc sử dụng khối phổ phân giải cao (HR-MS) cho phép xác định công thức phân tử của hợp chất Tuy nhiên, với mỗi công thức phân tử, có thể tồn tại nhiều công thức cấu tạo khác nhau, khiến cho việc phân biệt các đồng phân trở nên khó khăn chỉ dựa vào khối phổ.
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là một kỹ thuật quan trọng trong phân tích và xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ Kỹ thuật này hoạt động dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ của các hạt nhân với số proton lẻ như 1H, 19F, 31P, và các hạt nhân có số nơtron lẻ như 13C NMR cung cấp thông tin chi tiết về số lượng, loại hình và sự tương tác giữa các hạt nhân trong phân tử, đặc biệt là proton (1H) và cacbon đồng vị 13 (13C).
Để xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ, cần phân tích và tổng hợp năm loại phổ: IR, UV, MS, 1H-NMR và 13C-NMR Tất cả các phương pháp phổ này đều ghi nhận sự tương tác giữa bức xạ điện từ và phân tử của hợp chất hữu cơ được khảo sát.
PHƯƠNG PHÁP PHỔ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾN
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN
Phổ tử ngoại và khả kiến, viết tắt là phổ UV-Vis, là một phương pháp phân tích phổ biến đã được sử dụng từ lâu Phương pháp này thường được áp dụng để nghiên cứu và xác định các đặc tính của chất liệu thông qua sự kích thích electron.
Phổ tử ngoại và khả năng nhìn thấy của các hợp chất liên quan đến sự chuyển dịch electron giữa các mức năng lượng trong phân tử, điều này gắn liền với cấu trúc của hệ thống nối đôi liên hợp và vòng thơm Những đặc điểm này có ứng dụng quan trọng trong việc phân tích định tính và định lượng các chất.
Khoảng năng lượng giữa các obitan phân tử liên kết, không liên kết và phản liên kết dao động từ 125 đến 650 kJ/mol, tương ứng với năng lượng của sóng điện từ trong một vùng nhất định.
Tử ngoại chân không: 120-200 nm
Hình 1.1 Vùng bức xạ điện từ
Trong vùng khả kiến màu sắc và bước sóng như bảng dưới
Bảng 1.1 Màu sắc và khoảng bước sóng
Màu sắc Khoảng bước sóng (nm)
BƯỚC CHUYỂN DỜI NĂNG LƯỢNG ELECTRON
Khi các nguyên tử kết hợp để tạo thành phân tử, các electron ở lớp ngoài cùng hình thành các orbital atom (AO) với mức năng lượng khác nhau Trong điều kiện bình thường, các phân tử tồn tại ở mức năng lượng thấp Khi nhận năng lượng, các phân tử có thể chuyển lên mức năng lượng cao hơn, dẫn đến việc electron di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức cao hơn Quá trình này được gọi là chuyển dời năng lượng electron, khi phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích.
Trong trạng thái cơ bản, các electron được sắp xếp đầy vào các obitan liên kết như σ, π và obitan không liên kết n, với mức năng lượng thấp Khi bị kích thích, các electron sẽ chuyển lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn, như σ* và π*, nơi mà các obitan này không bị chiếm.
Hình 1.3 Sự phân bố các MO phân tử
Theo quy tắc lựa chọn của phổ UV-Vis, khi phân tử nhận năng lượng có thể xảy ra các bước chuyển năng lượng σ→σ*; π→π*; n→σ*; n→π*
Để xảy ra các bước chuyển mức electron, tần số υ của bức xạ điện tử hấp thụ cần thỏa mãn hệ thức ΔE=hυ, trong đó ΔE biểu thị biến thiên năng lượng của bước chuyển Bước chuyển từ HOMO sang LUMO là quan trọng nhất vì nó có năng lượng thấp nhất.
Hình 1.5 Bước chuyển năng lượng từ HOMO sang LUMO
(HOMO: obitan phân tử bị chiếm cao nhất, LUMO: obitan phân tử không bị chiếm thấp nhất)
Phân tử buta-1,3-đien có hai cặp electron π trong trạng thái cơ bản, phân bố vào các MO π1 và π2 Khi xảy ra sự chuyển mức năng lượng từ HOMO lên LUMO, một electron sẽ di chuyển từ MO π2 lên π*3.
Hình 1.6 Sự phân bố các MO và chuyển mức năng lượng HUMO và LUMO của butađien
Khi phân tử hấp thụ năng lượng từ bức xạ điện từ, quá trình chuyển năng lượng electron sẽ tạo ra phổ hấp thụ Do đó, việc phân tích số liệu phổ này cho phép chúng ta nghiên cứu đặc điểm cấu trúc của phân tử.
BIỂU DIỄN PHỔ UV –VIS
Cơ sở của việc ghi lại tín hiệu:
Hình 1.7 a) Hấp thụ làm giảm biên độ sóng nhưng không làm thay đổi bước sóng b) Tia tới I o , lớp chất hấp thụ bề dày l, tia ló I
Trong đó: - A là độ hấp thụ (A không có thứ nguyên)
- l chiều dày chất hấp thụ, chiều dày cuvet (cm)
- C nồng độ chất hấp thụ (mol.L -1 )
- ε hệ số hấp thụ (L.mol -1 cm -1 )
- k hệ số, phụ thuộc vào bản chất chất hấp thụ
Mặt khác độ truyền qua T: T=I/I o
Phần trăm độ truyền qua: %T0.T=(I/IO).100 Độ hấp thụ A = log (Io/I) = log (1/T) = -logT
Với - I o cường độ bức xạ ban đầu
- I cường độ bức xạ ban đầu sau khi đi qua chất hấp thụ
- Định luật Lambert-Beer chỉ xác định ở một bước sóng nhất định, hay chỉ xác định ở bước sóng đơn sắc
Theo định luật Lambert-Beer, khi sử dụng cùng một cuvet với chiều dài cố định (l) và nồng độ không đổi (C), cường độ hấp thụ A của chất sẽ tỷ lệ thuận với hệ số hấp thụ ε và một hằng số tại một bước sóng xác định.
Khi thay đổi bước sóng, ε trở thành hàm số phụ thuộc vào λ, trong khi A cũng có thể là hàm số phụ thuộc vào λ, tức là ε=f(λ) và A=f(λ) Các hàm số này có đồ thị phức tạp, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, và mỗi chất sẽ có đồ thị riêng Việc giải mã các đồ thị này giúp xác định mối quan hệ với cấu tạo của chất hấp thụ, từ đó cung cấp cơ sở để xác định cấu tạo của chúng.
1.3.2 Biễu diễn phổ UV-Vis
Trong phổ UV-Vis, mối quan hệ giữa độ hấp thụ mol ε và bước sóng λ thường được biểu diễn dưới dạng ε=f(λ) hoặc lg ε=f(λ) Hình dạng của phổ này tạo thành một đường cong phức tạp.
Trên phổ trục ngang biểu diễn λ (nm) và trục dục biểu diễn giá trị A hoặc ε hoặc lgε
Hình 1.8 Biểu hiễn phổ UV-Vis
Mô tả phổ UV xác định điểm cực đại hấp thụ, bao gồm các giá trị λmax và giá trị A, ε hoặc lgε, giúp phân tích khả năng hấp thụ của các chất trong vùng tia cực tím.
Ví dụ phổ UV của hợp chất buta-đien ở hình 1.9
Hình 1.9 Phổ UV-Vis của butađien
Nhìn vào phổ ở hình 1.9 ta thấy, cực đại hấp thụ của butađien là λmax= 217 nm.
NHÓM MANG MÀU (CHROMOPHORE)
Khái niệm về nhóm mang màu (chromophore) và nhóm trợ màu (auxochrome) được giới thiệu lần đầu bởi Witt vào năm 1876 Ông đã phát hiện ra rằng nhiều hợp chất hữu cơ không màu như benzen, naphtalen và antraxen có thể tạo ra hợp chất màu khi thêm vào các nhóm chức phù hợp vào phân tử.
NO2; -OCH3; -OH… thì hợp chất sẽ có màu
Ví dụ: Benzen không có màu (1), nitrobenzen (2) có màu vàng sáng do đưa vào phân tử nhóm –
NO2; nếu thêm nhóm –OCH3 thì màu vàng (3), còn nếu đưa thêm nhóm –OH vào phân tử (4) thì có màu vàng thẫm
Trong các hợp chất hữu cơ, chỉ có liên kết đơn mà không có nguyên tử với cặp electron chưa tham gia liên kết sẽ chỉ có bước chuyển σ→σ* Bước chuyển này tạo ra các đám phổ ở miền tử ngoại xa Ngược lại, các đám phổ hấp thụ trong miền tử ngoại gần hoặc miền nhìn thấy thường liên quan đến các bước chuyển π→π* và n→π* Do đó, phổ hấp thụ trong miền tử ngoại gần hoặc nhìn thấy luôn gắn liền với nhóm không no hoặc các nguyên tử có cặp electron không liên kết, và các nhóm nguyên tử hoặc nguyên tử này được gọi là nhóm mang màu.
Trong hợp chất hữu cơ có các nhóm chức sau đây: Được gọi là nhóm mang màu
Ví có các electron π hay vừa có electron π vừa có electron n nên các nhóm này hấp thụ ở miền bước sóng tương đối dài, thuộc miền tử ngoại gần
Một số hợp chất ví dụ như sau: [1]
Bảng 1.2 Cực đại hấp thụ của các nhóm mang màu độc lập
Hợp chất Nhóm mang màu λ max (nm) Bước chuyển ε o
2,3-đi metylbut-2-en 196 π→π*; 10000 Heptan axeton 186
Các nhóm phân tử không hấp thụ trong miền khả kiến thường không có màu sắc khi ở vị trí cô lập Tuy nhiên, khi các nhóm mang màu này liên kết với nhau, chúng có thể tạo ra hiệu ứng chuyển dịch đám hấp thụ về phía bước sóng dài, dẫn đến việc hợp chất có thể xuất hiện màu sắc.
Đối với các hợp chất hữu cơ, sự hiện diện của nhóm mang màu là điều kiện cần thiết nhưng không đủ Việc bổ sung các nhóm phân cực như -OH, -NH2, -OCH3, hay C-Cl vào nhóm mang màu có thể làm dịch chuyển đám hấp thụ về phía bước sóng dài hơn Những nhóm này được gọi là nhóm trợ màu, và chúng cũng có tác dụng tăng cường độ hấp thụ của hợp chất.
+ Sự chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía bước sóng dài được gọi là hiệu ứng chuyển dịch đỏ (bathochromic effect)
+ Sự chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía bước sóng ngắn được gọi là hiệu ứng chuyển dịch xanh (hypsochromic effect)
+ Sự tăng cường độ hấp thụ gọi là hiệu ứng tăng màu (hyperchromic effect)
+ Sự giảm cường độ hấp thụ gọi là hiệu ứng giảm màu (hypochromic effect)
Hình 1.10 Các hiệu ứng trong phổ UV-Vis
Trong phân tử, nhiều nhóm mang màu có thể tồn tại và nếu chúng cách nhau ít nhất hai liên kết đơn, chúng được coi là nhóm mang màu cô lập Các phổ của những nhóm này độc lập với nhau, dẫn đến việc không thể phân biệt phổ của hợp chất X-(CH2)4-Y với phổ của hỗn hợp có cùng nồng độ của các hợp chất X-C2H5 và Y-C2H5, trong đó X và Y là các nhóm mang màu.
PHÂN LOẠI CÁC DẢI HẤP THỤ
- Bước chuyển σ→σ*: hấp thụ năng lượng lớn thường nằm trong vùng UV chân không (Tử ngoại chân không) λmax < 150 nm, thường vắng trong phổ UV-Vis
- Bước chuyển n→σ*: là bước chuyển của cặp electron không liên kết lên các mức năng lượng cao hơn, thường nằm trong vùng 150-250 nm
- Bước chuyển π→π*; n→π* là bước chuyển phổ biến nhất trong phân tử hợp chất hữu cơ thường nằm trong vùng 200-600 nm Đặc điểm của các bước chuyển π→π*; n→π*
Bước chuyển có λmax nằm phía sóng dài (>250 nm) nhưng có cường độ không lớn với ε 1000)
Khi tăng độ phân cực của dung môi, bước chuyển này chuyển về vùng sóng dài (hay gây hiệu ứng chuyển dịch đỏ)
Ngoài ra người ta còn phân chia các bước chuyển dời electron thành các dải:
- Dải R: tương ứng với bước chuyển n→π*
- Dải K: tương ứng với bước chuyển π→π*.
MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CỰC ĐẠI HẤP THỤ
1.6.1 Ảnh hưởng của dung môi và trạng thái tập hợp Ở trạng thái khí, trong chân không, phân tử không bị ảnh hưởng bởi tác động của môi trường xung quanh Ở trạng thái lỏng, rắn và trong dung dịch, yếu tố môi trường xung quanh cũng tác động đến cấu trúc của phổ UV-Vis
Khi tăng độ phân cực của dung môi, sự chuyển dời π→π* thường dẫn đến sự dịch chuyển cực đại hấp thụ về phía bước sóng dài, được gọi là chuyển dịch đỏ Ngược lại, đối với chuyển dời n→π*, cực đại hấp thụ thường dịch chuyển về phía bước sóng ngắn, hay còn gọi là chuyển dịch xanh.
Trong các dung môi phân cực, dung môi có liên kết hiđro sẽ làm tăng độ bền của trạng thái cơ bản n hơn so với khi không có dung môi, đồng thời cũng bền hóa trạng thái kích thích π* Điều này dẫn đến việc năng lượng của MO n giảm nhiều hơn so với sự giảm của MO π* Kết quả là khoảng cách năng lượng giữa các trạng thái này cũng bị ảnh hưởng.
10 cho bước chuyển n→π* sẽ lớn hơn, do đó sẽ chuyển dịch về phía bước sóng ngắn (chuyển dịch xanh)
Dung môi phân cực làm bền hóa MO π* so với các MO π Tức là sự giảm năng lượng của các
MO π* có mức năng lượng cao hơn so với sự giảm năng lượng của MO π Khoảng cách năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ π sang π* sẽ nhỏ hơn, dẫn đến sự dịch chuyển về phía bước sóng dài, hay còn gọi là chuyển dịch đỏ.
Hình 1.11 Sự phân bố các MO trong các dung môi
Ví dụ: Sự ảnh hưởng của dung môi đến bước chuyển n→π* của axeton
Dung môi Hexan Clorofom Etanol Metanol Nước λmax (nm) 279 277 272 270 264,5 Ảnh hưởng của dung môi đến các bước chuyển của mesityl oxit (CH3)2C=CHCOCH3
Bước chuyển λ max (nm) đo trong dung môi
Isooctan Axetonitrin Clorofom Metanol Nước π→π* 230,6 233,9 237,8 236,8 242,6 n→π* 321,0 314,0 315,4 308,8 -
Hình 1.12 Phổ UV-Vis của mesityl oxit trong các dung môi
Khi sử dụng dung môi trong phân tích quang phổ, cần lưu ý rằng chúng cũng hấp thụ bức xạ điện từ, dẫn đến việc xuất hiện tín hiệu trong phổ Do đó, việc lựa chọn dung môi phù hợp trước khi tiến hành đo phổ là rất quan trọng để hạn chế tín hiệu không mong muốn trong vùng nghiên cứu Nếu không thể tránh khỏi, cần xác định rõ tín hiệu nào là do dung môi để có thể loại trừ hiệu quả.
Sau đây là một số dung môi ví dụ:
Bảng 1.3 Giá trị λ max vùng bước sóng dài của một số chất
Dung môi λ max (nm) Dung môi λ max (nm)
Clorofom 245 Propan-2-ol 205 xyclohexan 210 Piridin 305 Điclometan 230 Tatrahidrofuran 230 Đietyl ete 210 Toluen 285
1.6.2 Ảnh hưởng của nhóm thế
Nhóm thế và hiệu ứng liên hợp đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hình dạng và cực đại hấp thụ của các hợp chất hữu cơ, và yếu tố này sẽ được phân tích chi tiết trong các phần tiếp theo.
1.6.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng lập thể
Yếu tố lập thể ảnh hưởng đến hình dạng và cực đại hấp thụ trong phổ UV-Vis, với sự khác biệt rõ rệt giữa các đồng phân cis và trans Đồng phân trans thường có cực đại hấp thụ ở bước sóng dài hơn và cường độ hấp thụ cao hơn so với đồng phân cis, do hệ liên hợp mở rộng hơn của chúng, dẫn đến khả năng hấp thụ mạnh mẽ hơn ở miền bước sóng dài.
Hiệu ứng không gian trong hợp chất stinben (1,2-điphenyl etilen) thể hiện rõ rệt với cis-stinben có cực đại hấp thụ tại λmax 250 nm (εmax 500 l/mol.cm), trong khi trans-stinben có cực đại hấp thụ tại λmax 315 nm (εmax 1000 l/mol.cm).
Có thể hình dung sơ lược qua giản đồ năng lượng như sau:
Hình 1.13 Các mức năng lượng của trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của stinben (E 1 , E 1 ’: Năng lượng ở trạng thái cơ bản; E 2 , E 2 ’: năng lượng ở trạng thái kích thích)
Nhìn vào giản đồ ta thấy ΔE cis > ΔE trans, do đó cực đại hấp thụ của cis-stinben thì thấp hơn trans-stinben Một số ví dụ minh họa.[2]
Bảng 1.4 Phổ tử ngoại của một số đồng phân hình học
Hợp chất Công thức trans cis λmax (nm) ε λmax (nm) ε
Stinben C6H5 – CH=CH-C6H5 295,5 29000 280 10500 α-metylstinben C6H5C(CH3)=CHC6H5 270 20000 260 11900 1-phenylbutadien C6H5CH=CHCH=CH2 280 28300 265 14000
Axit xinamic C6H5CH=CHCOOH 295 27000 280 13500 Đimetyl este của axit
Cấu dạng của butađien có ảnh hưởng đáng kể đến phổ electron, với hai dạng bền chính là s-trans và s-cis Trong cấu dạng s-cis, các nguyên tử hydro ở vị trí gần nhau, điều này có thể tác động đến tính chất hóa học và vật lý của hợp chất.
C2 và C3 ở dạng khuất, và giữa hai nguyên tử H ở C1 và C4 có tương tác không gian)
Hình 1.14 Các cấu dạng của butadien
Cấu dạng s-trans bền hơn cấu dạng s-cis do ít có sự tương tác không gian Năng lượng cần thiết để chuyển đổi từ dạng s-trans sang dạng s-cis khoảng 20,5 kJ/mol.
Dạng s-trans của butađien và các đien vòng béo khác có độ bền cao hơn so với dạng s-cis, dẫn đến việc chúng có cực đại hấp thụ trong vùng tử ngoại với hệ số hấp thụ khoảng 20.000 Ngược lại, xiclohexa-1,3-đien và các đien liên hợp đơn vòng khác thường tồn tại ở dạng s-cis, do đó hệ số hấp thụ của chúng trong vùng tử ngoại ( hexa-1,3,5-trien Do đó, cực đại hấp thụ (λ max) của các phân tử này xuất hiện ở vùng sóng dài, với hexa-1,3,5-trien có λ max cao nhất.
Như vậy nếu phân tử có hệ liên hợp càng dài thì cực đại hấp thụ càng chuyển về vùng sóng có giá trị lớn
* Xác định cực đại hấp thụ đối với hệ polien liên hợp [1]
Hệ polien liên hợp có số liên kết đôi không quá 4 sử dụng quy tắc Woodward-Fieser λ max = λ o + Ʃ số gia
Nhóm đien cơ bản λ o (nm)
Nhóm liên kết với hệ đien liên hợp Số gia (nm)
1 liên kết đôi C=C liên hợp +30
1 liên kết C=C exo với vòng +5
1 nhóm ankyl hoặc tương tự nhóm ankyl +5
Ví dụ 1: Tính bước sóng λ max của chất sau
Giá trị tính toán: 234 nm Giá trị đo được: 235 nm; ε000
Ví dụ 2: Tính bước sóng λ max của chất sau
Giá trị tính toán: 303 nm Giá trị đo được: 303 nm; lgε=4,2
*Hệ polien liên hợp với số liên kết đôi lớn hơn 4: Quy tắc Fieser-Kuhn λ max = 114 + 5M + n(48,0-1,7n) - 16,5R endo – 10R exo ε max = (1,74.10 4 ).n
M là số nhóm ankyl hoặc nhóm thế tương tự ankyl
N là số nối đôi liên hợp
Rendo là số vòng với nối đôi endo trong hệ liên hợp
Rexo là số vòng với nối đôi exo trong hệ liên hợp
Ví dụ 1: Tính bước sóng λ max của chất sau (Licopen)
Số nối đôi liên hợp: n= 11 λ max = 114 + 5M + n(48,0-1,7n) - 16,5Rendo – 10Rexo
= 114 + 5.8 + 11.(48 – 1,7.11) - 16,5.0 – 10.0 = 476,3 nm εmax = (1,74.10 4 ).11 = 19,14 10 4 giá trị đo được λ max G4; εmax ,6 10 4 trong n-hexan
Ví dụ 2: Tính bước sóng λ max của chất sau (β-caroten)
Số nối đôi liên hợp: n= 11 số vòng với nối đôi exo: 0 số vòng với nối đôi endo: 2 λ max = 114 + 5M + n(48,0-1,7n) - 16,5Rendo – 10Rexo
Giá trị đo được λ max E5; εmax ,2 10 4 trong n-hexan
Các hợp chất có nhóm cacbonyl liên hợp với C=C hay các enon sẽ có 2 chuyển mức ứng với bước chuyển n→π*, π→π* điều này đã được nói ở trên
Hình 1.18 Các chuyển mức năng lượng n→π*, π→π*
Khi tăng cường mạch liên hợp, cực đại hấp thụ sẽ chuyển dịch về phía bước sóng dài, đặc biệt là đối với chuyển π→π*, thường có sự chuyển dịch mạnh Hiện tượng này có thể được giải thích từ nhóm enon, khi nhóm này được hình thành từ sự kết hợp của hai nhóm C=C của etilen và C=O của nhóm cacbonyl độc lập.
Hình 1.19 Quan hệ năng lượng của enon
*Tính λ max (nm) vùng sóng dài cho π→π* của hệ polienon liên hợp [1]
Quy tắc Woodward – Fieser cho các hợp chất cacbonyl không no liên hợp λ max = λo + Ʃ số gia
Kéo dài thêm nối đôi:
Gía trị λo thay đổi theo nhóm chức
- Xeton mạch hở, hoặc vòng 6 cạnh: 215
Số gia của các nhóm như sau:
Nhóm liên kết với hệ enon liên hợp Số gia (nm)
1 liên kết đôi C=C liên hợp 30
1 liên kết đôi exo với vòng 5
Hexan hoặc xyclohexan thay đổi
Nhóm thế Vị trí nhóm thế α β γ δ
1 nhóm ankyl hoặc tương tự ankyl 10 12 18 18 (δ và xa hơn)
Ví dụ 1 : Tính bước sóng λ max của chất sau
Xeton mạch hở λo = 215 α-CH3 (vị trí số 3) 10 β-CH3 (vị trí số 4) 2.12$ λ max = λo + Ʃ số gia = 249 Đo được: 249 nm
Ví dụ 2: Tính bước sóng λ max của chất sau
1 đien đồng vòng 39 δ-ankyl 18 λ max = λo + Ʃ số gia = 302 Đo được 300
Ví dụ 3: Tính bước sóng λ max của chất sau
3 nhóm thế anyl (xa hơn δ) 3.18T λ max = λo + Ʃ số gia = 385 Đo được 385
1.8.3 Hợp chất chứa nhân benzen
Trong miền tử ngoại, benzen có 3 đám hấp thụ đặc trưng Ba đám hấp thụ này đều xuất phát từ bước chuyển dời π → π*
- Dải B ở λ max %4 nm (ε 4), dải này cho các đỉnh tinh vi đặc trưng cho vòng benzen khi đo ở trạng thái khí
Hình 1.19 Phổ hấp thụ UV – Vis của benzen và các MO π,π* của benzen
Hệ điện tử của benzen rất bền và được coi là một nhóm có màu sắc thống nhất Mặc dù các liên kết trong vòng benzen đồng nhất, phổ hấp thụ lại có nhiều vân và cực đại với bước sóng lớn nhất nằm trong miền tử ngoại Do tương tác điện tử, trạng thái kích thích của benzen được phân tách thành bốn trạng thái khác nhau, trong đó có hai trạng thái suy biến.
Hình 1.20 Các bước chuyển năng lượng
Dải B λ max %4 nm với cường độ yếu ε 4 xuất hiện do bước chuyển dời bị cấm Hiện tượng này là kết quả của sự nhiễu loạn từ chuyển động dao động của các nguyên tử.
- Dải K ở λ max 2 nm, cường độ hấp thụ lớn hơn εt00, ứng với bước chuyển dời bị cấm
- Dải E ở λ max 4 nm, cường độ hấp thụ lớn εF00, bước sóng dải này ngắn, ứng với bước chuyển dời được phép
Khi số vòng benzen ngưng tụ tăng lên thì dải hấp thụ chuyển dịch về phía bước sóng dài hơn và tăng cường độ hấp thụ
Hình 1.21 Phổ UV-Vis của naphtalen, antraxen, tetraxen
Giá trị phổ tử ngoại của một số vòng thơm ngưng tụ [1]
Bảng 1.9 Giá trị phổ tử ngoại của một số vòng thơm ngưng tụ
Khi nhóm thế gắn vào vòng benzen, vị trí cực đại hấp thụ sẽ thay đổi, thường chuyển dịch về vùng sóng dài Đối với nhóm thế là gốc ankyl, sự chuyển dịch cực đại là ít và dạng phổ ít thay đổi Tuy nhiên, nếu nhóm thế là các nhóm như –CHO, -COOH, -OH, -NH2, cực đại hấp thụ sẽ chuyển dịch nhiều hơn về phía bước sóng dài và các đỉnh tinh vi có thể bị mất.
Hình 1.22 Phổ phổ UV-Vis của một số hợp chất Toluen, phenol và p-nitrophenol
Giá trị phổ UV-Vis của một số hợp chất [1]
Bảng 1.10 Giá trị phổ UV-Vis của một số hợp chất
* Qui tắc Scott xác định vị trí dải K của dẫn xuất benzoyl
(dung môi etanol, λ max (nm); ε00-30000) λ max = λ o + số gia λo R= ankyl, vòng 246
Ví dụ 1: Tính bước sóng λ max của chất sau
Hướng dẫn giải λo 246 vòng ở vị trí –o: 3 m-Br: 2 λ max = λo + số gia%1 Đo được 253
Ví dụ 2: Tính bước sóng λ max của chất sau
2 m-OH: 2.7 λ max = λo + số gia&9 Đo được 270
SỰ HẤP THỤ BỨC XẠ KHẢ KIẾN VÀ MÀU SẮC CÁC CHẤT
1.9.1 Ánh sáng và màu sắc [4] Ánh sáng nhìn thấy bao gồm dải bức xạ có bước sóng khoảng từ 400-800 nm và được gọi là ánh sáng trắng Khi cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính nó sẽ bị tán xạ thành một số tia có khoảng bước sóng hẹp hơn với màu sắc khác nhau, một cách tương đối bao gồm các màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Cần lưu ý rằng giữa các tia màu cạnh nhau không có ranh giới rõ rệt
Cảm giác màu là quá trình tâm sinh lý phức tạp xảy ra khi bức xạ khả kiến chiếu vào võng mạc mắt Mỗi tia màu với bước sóng cụ thể khi tiếp xúc với võng mạc sẽ tạo ra cảm giác về một màu nhất định Chẳng hạn, bước sóng từ 400-420 nm sẽ mang lại cảm giác màu tím.
Khi ánh sáng nhìn thấy chiếu vào một chất, nếu bị phản xạ hoàn toàn, chất đó sẽ xuất hiện màu trắng Ngược lại, nếu ánh sáng đi qua mà không bị hấp thụ, chất đó sẽ trong suốt và không có màu Khi ánh sáng bị hấp thụ hoàn toàn, chất sẽ có màu đen.
Khi một chất hấp thụ một phần của bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nó sẽ tạo ra cảm giác về một màu sắc khác biệt so với các màu đã đề cập trước đó Cảm giác màu sắc này xuất hiện dựa trên nguyên tắc hấp thụ và phản xạ ánh sáng.
Chất hấp thụ tia phụ của một màu sẽ có màu sắc tương ứng với màu đó Chẳng hạn, một chất có màu đỏ sẽ hấp thụ tia màu xanh lục, vì tia xanh lục là tia phụ của tia đỏ Mối quan hệ giữa màu và màu phụ có thể được minh họa qua vòng tròn màu sắc.
Hình 1.23 Vòng tròn xác định màu của chất hấp thụ khả kiến
- Màu của vật là màu của tia không bị hấp thụ Ví dụ vật có màu đỏ là do vật hấp thụ hết các tia trừ tia màu đỏ
Các chất hữu cơ mang màu thường là những hợp chất có hệ liên hợp dài Một số ví dụ:
- β-Caroten là chất có màu da cam do chất này hấp thụ bước sóng λ max E5 nm
Do hấp thụ bước sóng của màu lam nên màu mắt nhìn thấy là màu cam
Hình 1.23 Xác định màu của β-Caroten
Tương tự Licopen có màu đỏ do chất này hấp thụ bước sóng λ max G4 nm
Inđigo có màu chàm do chất này hấp thụ bước sóng λ max `2 nm
Các chất biến đổi màu khi pH của môi trường thay đổi do sự thay đổi độ dài của hệ liên hợp, được ứng dụng làm chất chỉ thị màu axit – bazơ Chẳng hạn, metyl da cam trong môi trường pHC< thì cacbon –CH3, -CH2- cho mũi có cường độ mạnh hơn hai loại còn lại
Hình 3.19 Phổ 13 C - NMR của hợp chất methyl metacrylate
3.6.2 Độ chuyển dịch hóa học
Trong quang phổ 1 H NMR, sự hấp thụ của 13 C được đánh giá thông qua dịch chuyển hóa học, với TMS là hợp chất tham chiếu, trong đó nguyên tử carbon của TMS được gán một giá trị dịch chuyển hóa học cụ thể.
Bảng 3.3 Độ chuyên dịch hóa học trong phổ 13 C – NRM [3]
Loại Cacbon Độ chuyển dịch Loại Cacbon Độ chuyển dịch Loại Cacbon Độ chuyển dịch
3.6.3 Xác định loại cacbon bằng phổ DEPT-NMR (Distortionless Enhancement by
Để xác định các loại cacbon trong phân tử hợp chất hữu cơ, kỹ thuật DEPT-NMR hiện đang được sử dụng Kỹ thuật này được thực hiện đồng thời trên cả hai kênh.
Kỹ thuật 1H và kênh 13C sử dụng các xung phức tạp để phân tích cấu trúc cacbon trong hợp chất hữu cơ Qua ba lần ghi phổ khác nhau, người ta có thể xác định vị trí của các nguyên tử hiđro gắn với cacbon Đầu tiên, phương pháp DEPT-45 cho phép nhận diện cacbon có một hiđro, hiển thị dưới dạng mũi tên trên phổ Tiếp theo, DEP-90 chỉ ra các cacbon metin (>CH), trong khi DEP-135 phân biệt giữa cacbon metin (>CH) và metyl (–CH3) với mũi dương, trong khi cacbon metylen (–CH2) hiển thị mũi hướng ngược lại Lưu ý rằng cacbon tứ cấp (>C1 rất thấp và điện tích e là hằng số, nên m/z e thường tương ứng với khối lượng của ion.
Như thế máy khối phổ là một thiết bị tạo ra các ion và xác định khối lượng của chúng (phân tích các ion)
Dưới đây là sơ đồ khối của một máy khối phổ.
ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG
Phương pháp khối phổ (MS) hiện nay đóng vai trò quan trọng trong việc nhận dạng và xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ Phân tích thành phần phân tử trong hỗn hợp phức tạp thường được thực hiện sau khi đã tách riêng bằng sắc ký Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là một phương pháp kết hợp được ưa chuộng trong nghiên cứu, đặc biệt là đối với các chất hữu cơ.
Phương pháp phổ khối lượng (MS) có đặc điểm:
- Vạn năng: Có thể phân tích nhiều đối tượng từ phân tích nguyên tố đến các phân tử protein phức tạp
- Có tính chuyên biệt và độ chọn lọc cao.
QUÁ TRÌNH ION HÓA
Quá trình ion hóa diễn ra khi các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa bị bắn phá bởi các phần tử mang năng lượng cao, dẫn đến sự hình thành các ion phân tử mang điện tích dương.
143 Để dễ hình dung ta xét quá trình ion hóa phân tử CH4
Biểu diễn quá trình ion hóa qua sơ đồ sau:
Dựa vào nhiệt động lực học thì có thể giải thích quá trình này thông qua các giá trị năng lượng ở hình dưới đây
Hình 4.2 Sơ đồ cho thấy mức năng lượng tương đối của các hạt, ion liên quan đến quá trình ion hóa metan và mất H • từ ion phân tử
Sự bắn phá tách một điện tử khỏi phân tử khảo sát, tạo ra ion dương được gọi là ion phân tử Ion phân tử, hay còn gọi là cation gốc, thường chứa electron tự do.
Trong kĩ thuật, có rất nhiều phương pháp ion hóa khác nhau Dưới đây là một số phương pháp ion hóa thường dùng
4.3.1 Phương pháp ion hóa bằng bắn phá electron (Electron Impact, EI) Đây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất Các hợp chất hữu cơ thường bị ion hóa bởi nguồn năng lượng nhỏ hơn 15 eV, do vậy nguồn năng lượng do điện tử trong các buồng ion hóa tạo ra thường lớn hơn 50 eV sẽ làm gãy các liên kết hóa trị trong phân tử Trong thực nghiệm, mẫu phân tích ở trạng thái hơi sẽ bị các electron có mức năng lượng cao (thường 70 eV) phát ra từ cathode trong buồng ion hóa bắn phá làm mất electron tạo nên ion gốc phân tử Phân tử chất nghiên cứu có thể bị bắn phá tạo ra nhiều mảnh ion có khối lượng nhỏ hơn ion phân tử Dựa vào các mảnh ion này người ta cũng có thể dự đoán được cấu tạo của phân tử hợp chất hữu cơ Điển hình giúp ta dễ hình dung như quá trình ion hóa phân tử metan ở trên
4.3.2 Phương pháp ion hóa hóa học (Chemical Ionization, CI)
Khối phổ EI gặp khó khăn với các phân tử dễ vỡ, vì năng lượng điện tử bắn phá có thể làm chúng phân mảnh hoàn toàn, dẫn đến mất dấu vết ion phân tử Mặc dù có thể thu thập thông tin từ các mẫu phân mảnh, nhưng việc đo khối lượng tất cả các phân tử trong một mảnh thường hiệu quả hơn Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau, trong đó ion hóa hóa học (CI) và ion hóa phun điện (ESI) là phổ biến nhất.
Sự ion hóa hóa học được thực hiện bằng cách thêm amoniac (NH3) vào chất nghiên cứu trong máy quang phổ Quá trình bắn phá của NH3 với các điện tử dẫn đến việc hình thành ion NH4+ thông qua chuyển proton, và phản ứng của ion này với chất nghiên cứu tạo ra các tiểu phân mang điện có thể được ghi nhận.
Methane là một chất khí phổ biến trong kỹ thuật ion hóa, nơi nó thường được sử dụng để tạo ra các ion Trong buồng ion hóa, một lượng lớn khí methane dẫn đến sự hình thành các ion, với sự va chạm của electron tạo ra ion CH4+.
CH3 +, các ion này tiếp tục phản ứng với methane tạo thành CH5 + và C2H5 +:
Các ion mới sinh ra này này sẽ tác động lên phân tử chất nghiên cứu tạo thành các ion phân tử:
Phương pháp ion hóa hóa học giúp thu được khối phổ với số lượng ion ít hơn nhưng cường độ ion cao hơn, từ đó dễ dàng xác định khối lượng phân tử của mẫu.
4.3.3 Phương pháp ion hóa phun điện (ElectroSpray Ionization, ESI) Đây cũng là một phương pháp ion hóa khá phổ biến được ứng dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, phân cực, có khối lượng phân tử lớn Phương pháp này có khả năng tạo thành những ion đa điện tích và được xem là kỹ thuật ion hóa êm dịu
Phương pháp ion hóa phun điện sử dụng dung dịch mẫu được phun thành hạt nhỏ vào buồng chân không dưới điện trường mạnh, khiến các giọt dung dịch tích điện và vỡ ra thành các hạt nhỏ hơn, cuối cùng tạo thành các ion Các ion này, có thể là dương hoặc âm, được đẩy vào bộ phận phân tích khối, trong khi các phân tử bị bắn phá nhẹ nhàng hơn, tạo ra ít phân mảnh và có cường độ lớn hơn.
Ngoài các phương pháp ion hóa như ion hóa hóa học ở áp suất thường (APCI) và ion hóa phun nhiệt (TSP), còn có nhiều phương pháp ion hóa nhẹ nhàng khác phù hợp cho các chất dễ phân hủy nhiệt và khó bay hơi Các phương pháp ion hóa cho đại phân tử bao gồm bắn phá nhanh bằng nguyên tử (FAB), giải hấp trường (FD), giải hấp laser (LD) và giải hấp laser hỗ trợ bởi chất nền (MALDI), trong đó MALDI đang được sử dụng phổ biến.
PHỔ ĐỒ
Khối phổ là biểu đồ thể hiện số lượng ion với các khối lượng khác nhau sau khi qua bộ phân tách ion, trong đó trục x mô tả khối lượng ion (m/z) dưới dạng tín hiệu gọi là vạch phổ hay peak Vị trí của vạch phổ cho biết số khối của ion tương ứng, trong khi cường độ của peak trên trục y phản ánh hàm lượng ion đó Peak có cường độ cao nhất được gọi là peak cơ sở (base peak), với cường độ quy ước là 1 hoặc 100%, và các peak còn lại được định tính phần trăm so với peak cơ sở.
Hình 4.3 Phổ khối của benzamide
Một số peak chính trong phổ của benzamide được phân tích như sau:
NHẬN DIỆN PEAK ION PHÂN TỬ TRÊN KHỐI PHỔ ĐỒ
Trong phân tích khổ phối, việc xác định chính xác ion (M + hay các phân mảnh) là rất quan trọng để nhận diện chất được phân tích Một hợp chất nhất định sẽ tạo ra các ion đặc trưng trên phổ khối trong những điều kiện cụ thể Tuy nhiên, một ion có số khối xác định trên phổ khối có thể đến từ nhiều chất khác nhau, dẫn đến khó khăn trong việc nhận diện peak ion phân tử trên khối phổ đồ.
+ Peak ion phân tử không xuất hiện hoặc xuất hiện nhưng rất yếu
+ Peak ion phân tử có hiện diện nhưng nó là một trong nhiều peak mà một số peak đó có cường độ tương đối cao
Một ví dụ về phổ của hexan:
Hình 4.4 Phổ khối lượng của hexan
Khối lượng của hexan (C6H14) là 86 u, tương ứng với 86 g/mol, dẫn đến đỉnh ion phân tử M+ xuất hiện ở m/z = 86 Đỉnh cơ sở nằm ở m/z = 57, không giống với đỉnh M+, nhưng có thể tương đồng trong khối phổ của một số hợp chất khác Để xác định peak ion phân tử trong khối phổ, cần áp dụng quy tắc nitrogen: nếu phân tử có khối lượng phân tử chẵn, nó sẽ không chứa nguyên tử nitrogen hoặc có số lượng nguyên tử nitrogen chẵn; ngược lại, nếu mảnh ion có m/z là số lẻ, thì nó phải chứa số lẻ nguyên tử nitrogen.
NH3 có một nguyên tử nitơ và khối lượng 17 u, trong khi ethane (H3CCH3) không chứa nguyên tử nitơ và có khối lượng 30 u, còn hydrazine (H2NNH2) có hai nguyên tử nitơ và khối lượng 32 u.
Cường độ đỉnh ion phân tử phụ thuộc vào độ bền của ion phân tử Các hợp chất được sắp xếp theo thứ tự độ bền giảm dần là hợp chất thơm, alkene liên hợp và hợp chất vòng.
Organic sulfur compounds are primarily associated with short-chain alkanes Clear molecular ion peaks are typically observed when analyzing compounds such as ketones, amines, esters, ethers, and carboxylic acids, with aldehydes, amides, and halogenides showing similar peak characteristics In contrast, the molecular ion peaks of alcohols, nitrites, nitrates, nitro compounds, nitriles, and branched compounds are often challenging to detect.
CÁC ĐỒNG VỊ TRONG PHỔ KHỐI, PEAK M+1; M+2
Quay lại ví dụ về phổ của hexan:
Hình 4.5 Phổ khối lượng của hexan
Đỉnh M + của hexane xuất hiện ở m/z = 86, nhưng cũng có một đỉnh nhỏ ở m/z = 87, được gọi là đỉnh M + 1 Đỉnh M + 1 đại diện cho một ion phân tử chứa đồng vị nặng, có thể là nguyên tử 2H (deuterium) hoặc 13C, do hexane chỉ chứa các nguyên tử carbon và hydro.
Đỉnh M +1 trong phổ khối lượng, mặc dù không đặc biệt hữu ích, nhưng cường độ của nó so với cường độ của đỉnh M + lại có giá trị quan trọng Chẳng hạn, trong phổ khối lượng của hexan, cường độ tương đối của đỉnh M +1 chỉ là 1,0%, trong khi cường độ của đỉnh M + đạt tới 15,5%.
Trong mọi hợp chất hữu cơ, tỷ lệ carbon-13 luôn chiếm 1,10% Thông qua tỷ lệ này, chúng ta có thể tính toán số lượng nguyên tử carbon (n) trong một phân tử bằng cách áp dụng một phương trình cụ thể.
Bảng 4.1 Sự phong phú của một số nguyên tố trong tự nhiên [3]
Hầu hết các nguyên tố có nhiều đồng vị, trong đó một đồng vị thường chiếm ưu thế với tỷ lệ lớn hơn 99% trong mẫu Tuy nhiên, một số nguyên tố lại có các đồng vị hiếm hơn, chiếm tỷ lệ không đáng kể trong tổng số nguyên tử Chẳng hạn, chlorine thường tồn tại dưới dạng hỗn hợp 3:1 của 35Cl và 37Cl, dẫn đến khối lượng nguyên tử trung bình là 35,5 Ngược lại, bromine lại có tỷ lệ gần như 1:1 giữa các đồng vị của nó.
Bromine có hai đồng vị chính là 79Br và 81Br, dẫn đến khối lượng nguyên tử trung bình khoảng 80 Khối phổ đo lường khối lượng của từng phân tử riêng lẻ, do đó không cung cấp giá trị trung bình mà chỉ xác định khối lượng thực tế của mỗi phân tử, bất kể đồng vị mà chúng chứa.
Trong trường hợp có chứa Br thì có thể xuất hiện peak M+2
Hình 4.6 Phổ khối lượng của bromobenzene
Chúng ta có thể xác định yếu tố ảnh hưởng đến cường độ đỉnh M+2 so với cường độ đỉnh M+ Chẳng hạn, trong phổ khối lượng của bromobenzene (C6H5Br), đỉnh M+ và đỉnh [M+2] có cường độ gần như tương đương Đỉnh M+ thể hiện ion phân tử [C6H5Br]+ chứa đồng vị 79Br, trong khi đỉnh M+2 biểu thị ion phân tử [C6H5Br]+ chứa đồng vị 81Br.
SỰ PHÂN MẢNH
Ion phân tử được hình thành qua phương pháp ion hóa va chạm điện tử (EI-MS) với năng lượng cao, dẫn đến khả năng “vỡ” thành nhiều mảnh khác nhau Mặc dù không thể nghiên cứu toàn bộ quá trình phân mảnh của các ion, nhưng có một số nguyên tắc quan trọng cần lưu ý, bao gồm việc mỗi phân tử có cách phân mảnh riêng và cần chú ý đặc biệt đến các peak có hàm lượng lớn trong phổ đồ.
Khi một electron năng lượng cao xâm nhập vào phân tử, nó sẽ tạo ra một cation gốc do mất một electron Sau đó, quá trình chuyển vị hoặc phân mảnh sẽ diễn ra, tùy thuộc vào cấu trúc của phân tử.
Sự phân mảnh xảy ra theo chiều hướng tạo thành các cacbocation bền vững hơn
4.7.2 Phân mảnh bởi sự đứt gãy nối đơn
Một dạng phân mảnh quan trọng trong hóa học là sự đứt gãy của các nối đơn, trong đó cation gốc tự do được hình thành Quá trình này dẫn đến việc tạo ra một cation và một gốc tự do, trong khi chỉ các cation mới có thể được phát hiện bằng máy khối phổ Chẳng hạn, sự phân mảnh của propane có thể được minh họa qua phổ đồ liên quan.
Hình 4.7 Phổ khối của propane
4.7.3 Phân mảnh của alkane mạch dài và mạch nhánh Đối với các alkane mạch dài: quá trình sẽ tạo ra mảnh có khối lượng m/e = M-15 tương ứng với sự tách ra nhóm metyl
Ngoài ra có thể tạo thành phân tử etilen
Khối phổ của hexane cho thấy sự hiện diện của ion phân tử tại m/z 86 cùng với các mảnh ion nhỏ hơn m/z 71 (M •+ -15), m/z 57 (M •+ -29),
Hình 4.8 Phổ khối của hexan
Sơ đồ phân mảnh của hexan:
Khi mạch phân nhánh làm tăng khả năng đứt gãy các nối tại nhánh vì tạo ra các carbocation bền
So sánh khối phổ của 2-methylbutane với hexane, ta thấy peak tương ứng với M •+ -15 có cường
Sự tách gốc methyl khỏi ion phân tử 2-methylbutane tạo ra carbocation bậc hai, mạnh hơn 150 độ so với hexane, trong khi hexane chỉ hình thành carbocation bậc một, kém bền hơn.
Hình 4.9 Phổ khối của 2-methylbutane
4.7.4 Sự phân mảnh tạo thành các cation cộng hưởng
Carbocation ổn định nhờ cộng hưởng thường nổi bật trong khối phổ Một số loại cộng hưởng phổ biến trong phổ khối hay gặp như sau:
- Các alkene sau khi bị ion hóa thường tạo thành các mảnh cation allyl bền
- Các liên kết carbon-carbon gần nguyên tử có cặp điện tử tự do
Với Z: N, O hoặc S; R có thể là H
- Các liên kết carbon-carbon gần nhóm các nhóm carbonyl của aldehyde hoặc ketone
Khi vòng benzene mang nhóm thế alkyl bị ion hóa, nó sẽ mất một electron π và tiếp tục mất một nguyên tử H hoặc nhóm methyl, dẫn đến sự hình thành ion tropylium tương đối bền Ion tropylium này thường được ghi nhận tại peak m/z 91 và trong nhiều trường hợp trở thành peak cơ sở.
- Vòng benzen có một nhóm thế khác ngoài alkyl cũng thường bị ion hóa mất một electron π và tiếp tục mất nhóm thế tạo thành cation phenyl với m/z 77
4.7.5 Sự phân mảnh bởi sự đứt gãy hai liên kết
Nhiều peak trong khối phổ được tạo thành bởi phản ứng đứt gãy của hai liên kết hóa trị
- Các alcohol thường cho peak ứng với M •+ -18, tương ứng với ion phân tử mất một phân tử nước
- Cycloalkene đứt gãy theo phản ứng Retro-Diels-Alder tạo thành alkene và alkadiene cation
- Hợp chất carbonyl với nguyên tử H tại vị trí cacbon γ
4.7.6 Phân mảnh của hidrocacbon thơm Đối với các hợp chất thơm do phân tử rất bền nên pic phân tử thường xuyên xuất hiện và rất quan trọng Một ví dụ cụ thể để thấy rõ
Hình 4.10 Phổi khối lượng của tert-butylbenzen
Quá trình phân ly ion phân tử của tert butylbenzene (C10H14) bắt đầu bằng sự phân tách benzylic, dẫn đến sự hình thành của gốc CH3 • và một ion mảnh chính với khối lượng riêng là 119 m/z.
Trong bước thứ hai, ion [C7H7]+ được hình thành thông qua quá trình mất C2H4, mặc dù điều này yêu cầu một sự sắp xếp lại phức tạp Động lực của phản ứng này là sự hình thành thuận lợi năng lượng của ion [C7H7]+ Sự đồng phân hóa của ion [C7H7]+ có các giá trị nhiệt động quan trọng.
Ion tropylium, với cấu trúc vòng 7 cạnh, được coi là đồng phân ổn định nhất về mặt nhiệt động lực học Để hình thành ion này, cần phải tách các nguyên tử hydro và carbon một cách tối đa Quá trình này dẫn đến sự hình thành cấu trúc [C7H7] + và các ion phân ly thông qua việc mất ethyne (C2H2), tạo ra ion cyclopentadienyl [C5H5] + với m/z 65 Tiếp tục quá trình mất ethyne lặp lại, các mảnh vỡ sẽ tạo ra ion [C3H3] + với m/z 39.
4.8 KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO (HIGHCRESOLUTION MASS SPECTROMETRY, HR-
Tất cả các khối phổ được trình bày ở trên được xác định bằng máy đo khối phổ có độ phân giải thấp, thường có mặt tại nhiều phòng thí nghiệm.
Một số phòng thí nghiệm sử dụng máy đo khối phổ phân giải cao (HR-MS) với chi phí cao, cho phép ghi nhận giá trị m/z đến 3 hoặc 4 số lẻ Điều này cung cấp thông tin chính xác để xác định khối lượng phân tử và công thức phân tử của chất nghiên cứu.
KHỐI PHỔ CỦA MỘT SỐ LOẠI HỢP CHẤT HỮU CƠ
Hình 4.11 Phổ khối lượng của C 16 H 34 với hai công thức cấu tạo khác nhau
Hình 4.12 Khối phổ của hợp chất etylbenzen
Hình 4.13 Phổ khối lượng của các đồng phân của pentanol
Hình 4.14 Phổ khối lượng của hợp chất o-Cetylphenol
Hình 4.15 Phổ khối lượng của hợp chất Decanoic acid
Hình 4.16 Phổ khối lượng của hợp chất ethyl hexanoate
4.10 ỨNG DỤNG PHỔ KHỐI LƯỢNG TRONG SINH HỌC Để xác định các thành phần trong hỗn hợp, chúng ta có thể liên kết sắc ký khí-lỏng (GLC) hoặc thiết bị sắc ký hiệu suất cao (HPLC) trực tiếp với máy quang phổ tích lũy
Kỹ thuật kết hợp này rất nhạy cảm, cho phép xác định gần như ngay lập tức bất kỳ hai chất cố định nào được tách ra với khoảng cách thời gian 1 giây trên cột GLC bằng máy quang phổ khối lượng mà không cần thu thập Quá trình xác định diễn ra bằng cách so sánh phổ khối lượng của mỗi dung dịch với các hợp chất đã biết, sử dụng cơ sở dữ liệu quang phổ của máy tính.
GLC liên kết với máy quang phổ khối lượng (GLC–MS) là một phương pháp phân tích hiệu quả cho các hỗn hợp phức tạp, chẳng hạn như xác định hydrocacbon trong dầu thô Kỹ thuật này không chỉ nhanh chóng mà còn cho kết quả đáng tin cậy, có khả năng phát hiện một lượng nhỏ chất ô nhiễm, thuốc, phân tử sinh hóa và độc tố, do đó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
- giám sát môi trường các chất ô nhiễm
- thử nghiệm ma túy trong thể thao
- xác định niên đại địa chất và khảo cổ
Phép đo phổ khối lượng đã được ứng dụng trên các tàu thăm dò không gian để phân tích đá trên sao Hỏa và vào năm 2005, nó được sử dụng để nghiên cứu bề mặt hydrocarbon đông lạnh của Titan, một trong những mặt trăng của Sao Thổ Kỹ thuật này cũng được áp dụng để phân tích các đồng vị trong gió mặt trời trên vệ tinh Solar and Heliospheric Observatory (SOHO).
Phép đo khối lượng, tương tự như điện di và quang phổ NMR, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y học, đặc biệt là trong việc xác định và phân tích các chuỗi axit amin trong protein Phương pháp này có thể được áp dụng để phân tích toàn bộ phân tử protein hoặc các peptid còn lại sau khi protein bị phân hủy bởi enzyme Hình 4.17 minh họa phổ khối lượng của một pentapeptide, trong đó hợp chất tích điện được hình thành bằng cách kết hợp một proton, tạo ra đỉnh MH+.
Hình 4.17 Phổ khối lượng của leucine enkephalin (C 28 H 37 N 5 O 7 ), một pentapeptide
Peptit đã được tích điện thông qua việc thêm một proton, thay vì ion hóa các electron năng lượng cao hơn, điều này giúp tránh phân mảnh phân tử Phương pháp này được gọi là "ion hóa mềm".
Một số thông tin cần quan tâm khi nghiên cứu về phổ khối lượng của peptit và protein bên dưới
Bảng 4.2 Một số amino axit, ký hiệu, khối lượng của “nhóm” khi tham gia liên kết peptit
Tên Ký hiệu Khối lượng còn lại khi hình thành peptit
Bảng 4.3 trình bày sự khác biệt về khối lượng do các đồng vị trong peptide gây ra, bao gồm điện tích trên peptide, khối lượng biểu kiến và chênh lệch khối lượng giữa các đỉnh đồng vị.
4.11 MỘT SỐ BÀI TẬP CƠ BẢN
Pentane, 1-pentene và 1-pentyne là những hydrocacbon có nhiệt độ sôi thấp, mỗi loại có các ion phân tử đặc trưng khác nhau trong quang phổ khối lượng Việc liên kết từng hydrocacbon với phổ khối lượng tương ứng của chúng giúp phân tích và nhận diện chính xác các hợp chất này.
Câu 2 Đề xuất các công thức phân tử có thể có cho một hợp chất có ion phân tử ở m/z = 86
- Phép chia: 86/12 chọn số nguyên gần nhất là 7, suy ra dạng C7H12
- Thay thế O bằng nhóm CH4 thì được các công thức phù hợp
Vậy công thức có thể là: C5H10O; C4H6O2
Câu 3 Những ion phân tử nào sẽ có mặt trong phổ khối lượng 2-chloropropane, (CH3)2CHCl?
Tính trọng lượng phân tử bằng cách sử dụng từng đồng vị phổ biến của Cl
Công thức phân tử Khối lượng ion phân tử
Có hai đỉnh theo tỉ lệ 3:1, tại m/z = 78 và 80
Phổ khối lượng của 2,3-dimethylpentane [(CH3)2CHCH(CH3)CH2CH3] xuất hiện các đỉnh mảnh vỡ tại m/z = 85 và 71 Các cấu trúc có thể cho các ion tương ứng với các đỉnh này có thể bao gồm các ion gốc carbon và các ion mảnh vỡ do sự phân cắt của chuỗi carbon trong phân tử.
Để giải quyết vấn đề liên quan đến ion phân tử, trước tiên bạn cần tính toán khối lượng của ion Tiếp theo, hãy vẽ cấu trúc của hợp chất và phá vỡ các liên kết C - C để tính toán khối lượng của các mảnh kết quả Quá trình này cần được lặp lại trên các liên kết C - C khác nhau cho đến khi đạt được các mảnh vỡ có tỷ lệ khối lượng phù hợp với điện tích mong muốn.
Trong bài viết này, 2,3-dimethylpentane có ion phân tử ở m/z = 100 Sự phân tách liên kết tạo ra một carbocation bậc 2 với m/z = 85 và CH3 •, cũng như một carbocation bậc 2 khác với m/z = 71 và CH3CH2 • Do đó, các mảnh vỡ ở m/z = 85 và 71 có thể được giải thích là do sự hình thành của hai carbocations này.
Câu 5 Những mảnh phổ khối lượng nào được hình thành từ sự phân tách α của 2-pentanone,
Sự phân tách alpha (α) xảy ra khi liên kết giữa carbonyl carbon và carbon liền kề bị phá vỡ, tạo ra một gốc trung tính và một ion acylium ổn định thông qua cộng hưởng Ví dụ, ketone 2-pentanone, với hai nhóm alkyl khác nhau gắn liền với carbonyl carbon, có hai con đường khác nhau để thực hiện quá trình phân tách α.
Kết quả là, hai mảnh vỡ được hình thành bởi sự phân tách α của 2-pentanone, tạo ra các đỉnh ở m / z = 71 và 43
Câu 6 Sử dụng phổ khối lượng của ethylbenzene được cung cấp, xác định đỉnh M + và đỉnh cơ sở Công thức của ion gắn cho đỉnh cơ sở là gì?
- Ion phân tử nằm ở peak 106
Sử dụng phổ khối lượng của propanone, chúng ta có thể xác định đỉnh M+ và đỉnh cơ sở Công thức ion quy kết cho đỉnh cơ sở của propanone là gì?
Trong trường hợp propanone, CH3COCH3 , ion phân tử có khối lượng tương đối là 58,0 Điều này tương ứng với CH3COCH3 +, với khối lượng (3 × 12,0) + (1 × 16,0) + (6 × 1,0)
Sự phân mảnh của propanone: + CH3 gây ra đỉnh ở mức 15 và CH3C + O gây ra đỉnh ở mức 43
Câu 8 Hợp chất tạo ra quang phổ được hiển thị ở đây có chứa Cl, Br hoặc S không? Giải thích
Có hai đỉnh khối lượng đáng kể cách nhau 2 u ở phần khối lượng cao của quang phổ: một ở m/z
Đỉnh ở m/z = 112 tương ứng với M +, trong khi đỉnh ở m/z = 114 là M + 2 Cường độ của hai đỉnh này có tỷ lệ khoảng 3:1, phản ánh sự phong phú tương đối của các đồng vị 35Cl và 37Cl Điều này cho thấy hợp chất tạo ra phổ khối lượng này có khả năng chứa Cl nhiều hơn là Br.
Hợp chất chưa biết có đỉnh ion phân tử M+ với sự phong phú tương đối là 54,5% và đỉnh [M+1]+ với độ phong phú là 3,6% Để xác định số nguyên tử carbon trong hợp chất này, ta có thể sử dụng tỷ lệ giữa các đỉnh ion Từ dữ liệu này, ta có thể tính toán và suy ra rằng hợp chất chứa 6 nguyên tử carbon.
Thay thế các giá trị của sự phong phú tương đối vào phương trình: n = 100 /1,1 ×[ sự phong phú của [M+1] + ion/Sự phong phú M + ion]
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC TỪ CÁC LOẠI PHỔ
TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC PHÂN TÍCH CÁC LOẠI PHỔ
+ Cần biết khối lượng phân tử M của hợp chất: Tìm mảnh ion phân tử , là mảnh m/z lớn nhất trên phổ đồ, để từ đó biết được M
+ Cần biết công thức phân tử của hợp chất CxHyOzNtXu
+ Cần biết độ bất bão hoà của phân tử
+ Cần biết một số mảnh đặc trưng của phân tử
5.1.2 Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS)
Các loại liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ có thể được xác định thông qua cực đại hấp thụ λmax trong phổ UV-VIS.
5.1.3 Phổ hồng ngoại (IR) Để xác định các nhóm định chức của hợp chất cần khảo sát thường sử dụng phương pháp 5 vùng (Xem lại chương 2)
Khi phân tích phổ 1 H-NMR để có thể xác định được cấu trúc hóa học của một hợp chất hữu cơ, cần lưu ý:
Biết công thức phân tử giúp tính độ bất bão hòa của hợp chất, từ đó dự đoán số lượng vòng, nối đôi hoặc nối ba có thể có Để phân biệt sự bất bão hòa do vòng hay do nối đôi, nối ba, cần khảo sát độ dịch chuyển hóa học δ.
+ Dựa vào độ dịch chuyển hóa học và sự tách spin-spin (sự chẻ mũi) để dự đoán loại proton
5.1.5 Phổ 13 C-NMR kết hợp với DEPT-NMR
+ Dựa vào phổ 13 C-NMR đếm biết được tổng số cacbon trong phân tử, ví dụ p số cacbon
+ Dựa vào phổ DEPT-NMR xác định được tổng số các loại cacbon
+ So sánh số cacbon p ghi nhận được trên phổ đồ với công thức phân tử CxHyOzNt
Số p = x: Phân tử không có yếu tố đối xứng
Số p < x: Phân tử có yếu tố đối xứng
+ Dựa vào độ dịch chuyển hóa học đặc trưng trong phổ 13 C-NMR để giải đoán các loại cacbon trong phân tử
+ Dựa vào các dữ kiện ở trên, đề nghị các mảnh cấu trúc có thể có của hợp chất đang khảo sát
+ Sắp xếp các mảnh lại với nhau để được một công thức hoàn chỉnh sao cho thỏa hết các loại phổ đã đo được.
CÁCH TRÌNH BÀY KẾT QUẢ PHỔ
Cách trình bày kết quả phổ như sau:
+ Hợp chất A ở dạng , (không) màu (Nếu là chất rắn thì dạng gì? Màu sắc? Nhiệt độ nóng chảy?)
+ Phổ UV-VIS: λmax (CH3OH) nm (logε): 212 (4.39), 260 (4.05),
+ Phổ 1 H-NMR (CDCl3, 300 MHz): δ ppm 4,20 (2H, q, -O-CH2CH3);
+ Phổ 13 C-NMR kết hợp DEPT-NMR (CDCl3, 75 MHz): δ ppm 171,0 (C=O); 60,0 (-CH2-O-);
BÀI TẬP
Hợp chất B có thành phần 62,1% carbon, 10,3% hydro và 27,6% oxy Để xác định công thức thực nghiệm của B, cần tính toán tỷ lệ mol của các nguyên tố trong hợp chất Dựa vào phổ khối lượng, khối lượng phân tử của B có thể được tìm ra, từ đó xác định công thức phân tử Tiếp theo, vẽ công thức cho các đồng phân có chứa nhóm carbonyl và sử dụng phổ NMR 1H để xác định đồng phân nào là B, kèm theo lý do giải thích Đỉnh tại δ = 1,1 ppm trong phổ NMR 1H của B cần được giải thích, cùng với nguyên nhân gây ra sự phân chia thành một bộ ba Cuối cùng, dự đoán số lượng tín hiệu trên phổ carbon-13 NMR của hợp chất B và các đồng phân đã xác định, đồng thời nêu rõ nguồn gốc của mỗi vân.
Tỉ lệ số mol 5,18/1,73=3 10,3/1,73=6 1,73/1,73=1 a Công thức thực nghiệm = C3H6O
Khối lượng phân tử của hợp chất là 58, dẫn đến công thức phân tử C3H6O, xác định đây là propanal Trong phổ 1H NMR, propanal có ba đỉnh, trong khi propanone chỉ có một đỉnh do chỉ có một loại proton Đỉnh này đại diện cho các proton –CH3 và được chia thành một bộ ba nhờ vào sự khác biệt hóa học của hai proton trên carbon liền kề, theo quy tắc n + 1 (với n = 2) Có ba dòng trong phổ NMR do sự hiện diện của ba nguyên tử carbon không tương đương trong propanal, bao gồm carbon methyl.
Trong propanone, có hai loại nguyên tử carbon không tương đương: hai nguyên tử carbon methyl (–CH3) và một nguyên tử carbon trung tâm (carbonyl) (–C=O) Sự khác biệt này tạo nên cấu trúc hóa học đặc trưng của propanone.
Câu 2 Arene C có thành phần 90,6% carbon và 9,4% hydro Khối lượng và quang phổ NMR
Để xác định công thức phân tử của hợp chất C, đầu tiên cần tính toán công thức thực nghiệm của nó Tiếp theo, từ phổ khối lượng, xác định khối lượng phân tử và công thức phân tử của C Đồng thời, vẽ các công thức của các đồng phân thơm có thể có của C Khi C phản ứng với clo trong sự có mặt của AlCl3, nó sẽ trải qua phản ứng thế electrophin, tạo ra một sản phẩm thơm duy nhất.
187 dụng dữ kiện này và phổ NMR của C để quyết định đồng phân nào là C e Giải thích các tín hiệu chính của phổ NMR 1 H của C
Tỉ lệ số mol được tính toán là 7,55/7,55=1 và 9,4/7,55=1,25, dẫn đến công thức thực nghiệm là C4H5 Giá trị m/e cho đỉnh áp chót trên phổ khối lượng là 106, gấp đôi khối lượng công thức thực nghiệm, do đó công thức phân tử là C8H10 Điều này xảy ra khi quá trình clo hóa thông qua phản ứng thế electrophin chỉ tạo thành hợp chất sau.
Các đồng phân có thể khác tạo thành một số hợp chất khác nhau
Phổ 1 H NMR cho thấy hai đỉnh vì C chỉ có hai loại proton khác nhau; các đồng phân có thể khác có số lượng lớn hơn các loại proton khác nhau d Đỉnh ở δ = 7 ppm là đỉnh từ các proton vòng benzen; đỉnh ở δ = 2,3 ppm tương ứng với các proton –CH3
Câu 3 Hợp chất D có thành phần 77,8% carbon, 7,41% hydro và 14,8% oxy Khối lượng
Bài viết đề cập đến việc phân tích hợp chất D thông qua quang phổ NMR 1H và phổ khối lượng Đầu tiên, cần tính toán công thức thực nghiệm của D Tiếp theo, từ phổ khối lượng, xác định khối lượng phân tử của D, bỏ qua đỉnh 13C, và tìm công thức phân tử tương ứng Sau đó, vẽ công thức cho năm đồng phân có thể có của D chứa một vòng benzen Sử dụng phổ NMR 1H để xác định đồng phân nào là D và giải thích lý do cho sự lựa chọn này Cuối cùng, phân tích các tín hiệu chính trong phổ NMR của D để hiểu rõ hơn về cấu trúc của hợp chất.
Tỉ lệ số mol được tính toán như sau: 4,48/0,925=3, 7,41/0,925=8 và 0,925/0,925=1 Từ đó, công thức thực nghiệm được xác định là C7H8O Giá trị m/e cho đỉnh ion phân tử là 108, điều này tương ứng với khối lượng của công thức thực nghiệm, vì vậy công thức phân tử cũng là C7H8O.
Diện tích đỉnh ở δ = 7,3 ppm là 5, cho thấy có năm proton trên vòng benzen, điều này chứng tỏ D không phải là một hợp chất hai thay thế Hợp chất một lần thế khác chỉ có hai loại proton, tuy nhiên, phổ 1H NMR của D lại có ba đỉnh, tương ứng với ba loại proton khác nhau.
D d Có ba đỉnh do ba loại proton khác nhau về mặt hóa học trong D: đỉnh của năm proton ở δ
Đỉnh 7,3 ppm trong phổ NMR xuất hiện do sự hiện diện của năm proton benzen Đỉnh tại δ = 4,6 ppm được tạo ra bởi hai proton –CH2–, trong khi đỉnh ở δ = 2,4 ppm là do proton –OH.
Hợp chất E có thành phần hóa học gồm 69,8% carbon, 11,6% hydro và 18,6% oxy Để xác định công thức thực nghiệm của E, cần tính toán dựa trên tỷ lệ phần trăm các nguyên tố Đồng thời, từ quang phổ khối lượng, ta có thể xác định khối lượng phân tử của E (bỏ qua đỉnh 13C) và từ đó tìm ra công thức phân tử của hợp chất này.
Hợp chất E phản ứng với 2,4-dinitrophenylhydrazine tạo ra kết tủa màu vàng cam, cho thấy sự hiện diện của nhóm carbonyl Các đồng phân có thể có của E cần được vẽ ra để xác định cấu trúc cụ thể Khi E phản ứng với thuốc thử Tollens, nhóm chức trong E có thể được xác định, cho thấy tính chất của hợp chất này Cuối cùng, việc sử dụng phổ NMR 1H sẽ giúp xác định cấu trúc của E, nhờ vào khả năng phân tích các tín hiệu hóa học đặc trưng trong phổ.
Tỉ lệ số mol giữa các nguyên tố trong hợp chất là 5,82/1,16=5 và 11,6/1,16=1, từ đó xác định công thức thực nghiệm là C5H10O Giá trị m/e cho đỉnh ion phân tử là 86, cho thấy khối lượng phân tử tương đối cũng là 86, khẳng định rằng công thức phân tử trùng với công thức thực nghiệm.
C5H10O là một aldehyd, xác định bởi sự hiện diện của nhóm carbonyl, được chứng minh qua kết quả dương tính với 2,4-DNPH và thử nghiệm gương bạc Phổ NMR cho thấy sự hấp thụ ở δ = 9,5 ppm, đặc trưng cho proton aldehyd –CHO.
Trên phổ NMR 1H, sự hấp thụ ở δ = 9,5 ppm cho thấy sự hiện diện của proton aldehyd –CHO Phổ này chỉ có hai đỉnh riêng biệt, cho thấy có hai loại proton khác nhau Do đó, E phải là:
Không có sự phân tách của các đỉnh vì không có carbon liền kề với các proton khác nhau về mặt hóa học trên chúng