Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ 1. Đặt vấn đề Con đờng tối u nhất để xác định cấu trúc một chất thờng không định trớc đợc. Thông thờng phải kết hợp 4 phơng pháp : UV, IR, MS, NMR, đôi khi có sự trợ giúp của phơng pháp nhị sắc tròn (CD) hoặc tán sắc quay cực (ORD). 2. Phơng pháp chung Từ MS xác định ion phân tử và suy ra công thức tổng. Trong trờng hợp MS không cho ion phân tử thì dùng phân tích nguyên tố. Xác định số liên kết đôi và vòng để có hình dung về khung phân tử. Nếu một phân tử chỉ chứa C, H, O thì số tơng đơng nối đôi và vòng đợc tính theo công thức: C a H b O c : DBE = (2a 2) b 2 + (1) DBE = số tơng đơng nối đôi (2a + 2) là số nguyên tử H trong hydrocacbon no có a nguyên tử C. Vì nối đôi hoặc vòng sẽ làm giảm đi 2H nên khi trừ đi b ta có số H thực có của (2a + 2), chia 2 ta có số nối đôi và vòng. + Ví dụ : Benzen có 4 tơng đơng nối đôi (3 nối đôi và 1 vòng). Những nguyên tử có 1 hoặc 2 hoá trị nh Cl, Br, O, S, không ảnh hởng đến phơng trình (1). Cl, Br đợc coi nh H và cộng vào b. + Khi có nguyên tử hoá trị 3 nh | | N hoặc | | P thì phải sử dụng phơng trình (2) : C a H b O c N d : DBE = (2a 2) (b d) 2 + (2) Ví dụ : C 5 H 11 N : chứa 1 tơng đơng nối đôi. Đây có thể là chất isopropylimin của acetaldehyt (1 nối đôi) hoặc cyclopentylamin (1vòng). Ngoài ra còn có thể là nhiều chất khác nữa. Nhng khi 1 trong 4 phơng pháp phổ đã xác định có 1 nối đôi (C=C, C= N, C=O) thì khả năng vòng đã bị loại. Ngợc lại nếu không xác định đợc nối đôi tức là phải có 1 vòng. Điều đầu tiên nghĩ tới là phổ UV. Nếu nghi ngờ có hai hoặc nhiều tơng đơng nối đôi trong phân tử thì sẽ thấy hấp thụ mạnh trong phổ UV. Song, khi bắt đầu công việc xác định cấu trúc của một chất thì cha nên lấy quá nhiều thông tin từ phổ UV. Thay vào đó là xác định các nhóm chức trong phân tử thông qua phổ IR. Phổ NMR ( 1 H và 13 C) sẽ giúp ta dựng nên khung cacbon của chất cần tìm và khả năng về vị trí của các nhóm chức trong phân tử. Phổ khối (MS) cũng giúp ta xác định sơ bộ khung C, H của phan tử dựa vào phân mảnh. ở giai đoạn này cha cố định đợc thứ tự các thông tin thu đợc từ các phơng pháp phổ. 1 Một số ví dụ : Ví dụ 1 : Phân tích nguyên tố và MS cho biết công thức C 4 H 8 O chứa 1 tơng đơng nối đôi. UV : max = 295 nm Tính hằng số hấp thụ : = Hấp thụ . TLPT (trọng l ợng phân tử) L ợng cân trong 100 ml . độ dày cuvet bằng cm Trờng hợp này : 0,28.72.100 19 106.1 = = Nh vậy là yếu n * của keton hoặc andehyt no (cũng có thể tạp chất có hấp thụ mạnh ?) IR : * = 1715 cm 1 (mạnh) carbonyl không có vạch ở 2700 2900 cm 1 trong IR ( * C H andehyt) không có andehyt. không có tín hiệu = 9 10 ppm trong 1 HNMR (H andehyt) Vì chỉ có 1 tơng đơng nối đôi và 1 dị nguyên tố nên đó là keton carbonyl. Xác định khung cacbon 13 C-NMR cho biết 4C là khác nhau, một trong số đó là C=O vì : = 208,79 ppm và cờng độ yếu (cacbon bậc 4) 1 H-NMR : = 2,4 q CH 2 2,09 s CH 3 đính với C bậc 4 1,04 t CH 3 3 || CH C O Tích phân (Intergral) : 2 : 3 : 3 C O CH 2 CH 3 H 3 C 29,37 36,80 7,86 ppm 2 C CH 3 C O MS : O 43 57 29 m/z : 72, 57, 43, 29 Ví dụ 2 : Công thức cộng : C 11 H 20 O 4 tính đợc hai tơng đơng nối đôi. UV : không cho hấp thụ của hai nối đôi liên hợp. IR : + đỉnh C=O mạnh tại 1740 cm 1 ( keton vòng 5 hoặc ester no) + đỉnh >C=C< không thấy trong IR hai tơng đơng nối đôi phải là hai nhóm carbonyl hoặc 1C=O và 1 vòng. + không có OH 4 O là của keton, ester hay ete. 13 C-NMR : chỉ có 8C khác nhau, nh vậy có một số C xuất hiện ở cùng vị trí do cấu trúc đối xứng trong phân tử. 1 H-NMR : + Tín hiệu thấp nhất ở = 4,12 ppm (q) OCH 2 CH 3 . = 1,3 ppm (t) thấy rõ, tuy tỷ lệ cờng độ 1 : 2 : 1 không rõ do trùng lặp. + Cờng độ của OCH 2 quartet tơng đơng 4 H có thể có hai nhóm OCH 2 CH 3 giống nhau. + Kết luận : OCH 2 CH 3 thuộc nhóm ester (COOCH 2 CH 3 ) + = 3,2 ppm (t) tích phân cho biết là 1 H, vì đã hết O (ở 2 ì COOEt), 2 tơng đơng nối đôi Triplett ở 3,2 ppm là của nhóm CH 2 CH(COOC 2 H 5 ) 2 + Quartet của 2 H ở : = 1,88 là của : CH 2 CH(CO 2 C 2 H 5 ) 2 có 1 nhóm CH 2 nữa ở cạnh ta có CH 2 CH 2 CH(CO 2 C 2 H 5 ) 2 + Triplett ở = 1,00 là của CH 3 CH 2 . + Tín hiệu của CH 3 CH 2 có lẽ bị trùng với triplett ở = 1,3 ppm. OO O O 171 173 3 C O O - 13 C-NMR : + Hai CH 3 : 13,81 và 14,10. 14,10 tín hiệu gấp 2 về cờng độ. + H 2 CCH 2 CH 2 : 22,38 ; 28,49 ; 29.53. HC COOH COOH : 52,03 + 61,12 ppm: + 169,32 ppm: - MS : O CH 2 COOEt O H COOEt OEt C 2 H 5 CH CH 2 OH OEt COOEt OC 2 H 5 + + C 2 H 3 m* = 83 m* = 110,5 m/z = 13 m/z = 115 m/z = 160 (pic cơ sở) Phân cắt và chuyển dịch H Ví dụ 3 : Lọ hoá chất trong kho có ghi nhãn là methylpropylketon. Kiểm tra xem có đúng chất ấy không ? Phổ số 5 -7 *) IR : + 1720 cm 1 + 1380, 1360 khung CH 2 , CH 3 IR phù hợp với cấu trúc ghi trên nhãn. *) MS : m/z = 86 M +. ion phân tử m/z = 71 [ M- CH 3 ] + m/z = 43 mạnh nhất [H 3 CCO] + ( base peak, pic cơ sở) m/z = 57 mạnh [MC 2 H 5 ] + khó giải thích m/z = 58 [MC 2 H 4 ] + *) 1 H-NMR : CH 3 C O : ~ 2,11; ~ C O CH 2 : ~ 2,4; ~ C O CH 2 CH 2 : ~ 1,6; ~ H 2 C CH 3 : ~ 1,0ppm ~ Độ bội, vaf tỷ lệ đờng tích phân : không thật phù hợp . 4 C R O R' CH 3 C CH 2 CH 2 CH 3 O 71 43 Ví dụ : Tỷ lệ 2,4/2,11/1,6/1,0 có tích phân : 3,04/3,00/2,01/4,65 H trong khi đáng lẽ phải là 3/2/2/3 H. Triplett ở 1,00 ppm là 2 triplett trùng nhau. Triplett thứ nhất là : tín hiệu 1,11 ; 1,03 và 0,95 ; triplett thứ hai là 0,98 ; 0,90 ; 0,81. Hai triplett có J = 7 H z . Triplett ở 2,4 ppm : 2,49 ; 2,41 ; 2,32 ppm kèm theo quartet ở 2,55 ; 2,46 ; 2,38 ; 2,30. Tín hiệu 6 vạch ở 1,6 ppm (tỷ lệ cờng độ 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1) và singulet ở 2,11 ppm là sạch. Chất ghi trên nhãn là metylpropylketon có lẫn một đồng phân. Đồng phân này chứa nhóm carbonyl ( > C= O) và nhóm 2 CH gắn trực tiếp với CH 3 (2,4 ppm) các khả năng nh sau có thể xem xét: O O O H O 2 3 4 5 6 Ta có thể loại cấu trúc 4, 5 và 6 ra vì không phù hợp dữ kiện phổ. Trong phổ IR và 1 H- NMR không có nhóm aldehyt (IR: * 2600-2830cm -1 . 1 H- NMR: 8-10 ppm) không phải 4. Còn 5 không chứa nhóm - CH 2 -; 6 không chứa nhóm xeton. *) 1 H-NMR : cho thông tin về tỷ lệ hai đồng phân : Ta trừ giá trị tích phân : 3,04 H (chuẩn ở 2,11 ppm = 3H) của tín hiệu ở 2,4 ppm có 2H thì còn 1,04H. Giá trị này tơng đơng (là của) 4H ở vị trí - của đồng phân Tỷ lệ 2/3 = 1 : 0,26 (1.04 4H, vậy 1H tơng đơng 0,26) 1,26 = 100% 79% (2) 1,00 = X 21% (3) 0,26 = Y Ví dụ 4 : MS : không có ion phân tử. Từ phân tích nguyên tố ta có công thức C 5 H 11 NO 4 . Có một tơng đơng nối đôi nhng không phải C=O, vì IR : 1600 1900 cm 1 không có đỉnh nào. 1545 cm 1 : đỉnh mạnh, có thể của NO 2 ; 3350 cm 1 : OH. UV : = 275 nm ( = 24) có thể n * (không có pic ion phân tử trong MS, thờng thấy với các hợp chất NO 2 , mạch thẳng, no). 13 C-NMR : Có 4 nhóm C : 2C trong cùng một môi trờng từ vì chúng trùng nhau (c- ờng độ lớn). Nh vậy rất có thể có hai nhóm giống nhau, đối xứng trong phân tử. 5 1 H-NMR : 4H ở = 4,12 ppm 2H ở = 3,32 (t) 2H ở = 2,00 (q) 3H ở = 1,00 (t) Có nhóm C 2 H 5 (CH 2 CH 3 ) và nhóm CH 2 đính với cacbon bậc 4 | | C 13 C-NMR (không khử tơng tác proton) : Nhóm CH 2 CH 3 cho 1 quartet ở 7.66 ppm và một trong hai triplett ở 25,77 hoặc 63,51. Nguyên tử C bậc 4 cho một tín hiệu yếu ở 94,23 ppm. Hai C giống nhau nh vậy phải là một trong hai triplett. Triplett ở 63,51 có cờng độ gần gấp 2 triplett kia, nh vậy nó thuộc về 2C giống nhau. Nó ở trờng thấp nên phải gắn với dị nguyên tố. 1 H-NMR sau khi lắc với D 2 O (nhìn phổ trên) thì triplet của 2H ở 3,32 biến mất tín hiệu này do hai nhóm OH gây ra và 2 ì OH này gắn với CH 2 . Nh vậy hai nhóm giống nhau này là CH 2 OH. Ta có các phần nh sau HO OH NO 2 NO 2 ( CH 2 OH) 2 , , Sau khi lắc với D 2 O, CH 2 OH cho một quartet của hệ AB : A = 4,00 ppm, B = 4,24, J AB = 12 H z Nhóm CH 2 OH đợc gắn vào một trung tâm "giả bất đối" (prochiral): HO H A H B NO 2 CH 2 H B H A OH CH 3 CH A H B OH Ví dụ 5 : *) Từ MS và phân tích nguyên tố thu đợc C 8 H 8 O 2 5 tơng đơng nối đôi. *) UV : hệ thống không no mạnh : max = 316 nm ( max = 22000). 4 hoặc 5 nối đôi. *) IR : Chỉ có ít liên kết CH no ở 2880 2980 cm 1 Aryl, C=CH ở 3100. 6 Hai đỉnh 1695 và 1675 cm 1 hoặc , -keton không no, alđehyt hoặc COOH, loại COOH vì không có đỉnh ở 2500 3000 (OH). Loại cả aldehyt, vì 1 H-NMR vùng 9 10 ppm không có tín hiệu có thể là một keton. 1615 cm 1 : C=C liên hợp hoặc aryl liên hợp. 1555 và 1480 : nhân thơm. *) 13 C-NMR : 8 tín hiệu, trừ một metyl ở 27,83 (q) còn lại 7 tín hiệu ở vùng không no ( > 100 ppm), 1 carbonyl ở 193,36 ppm. *) 1 H-NMR : 2,29 s sắc CH 3 CO, mảnh [M15] + m/z = 121 (pic cơ sở) ủng hộ điều đó. + C 6 H 5 O C CH 3 O - CH 3 + C 6 H 5 O C O C 6 H 5 O - CO + C 6 H 5 O + + H 3 C C O H 2 C C O (Keten) m/z = 121 m/z = 93 m/z = 94 m/z = 43 *) 13 C-NMR (off resonance) : H phân chia ra các C *) 1 H-NMR trong dung môi CCl 4 không phân giải tốt. Khi cho thêm 10% benzen vào thì phổ phân giải tốt hơn. - Có dublet với J = 16 H z Hệ AB nối đôi trans hai lần thế (IR : 970 mạnh). Chắc có các phần : H 3 C C O C C Y H X H , , X và Y không có proton Phần còn lại là C 4 H 3 O, không chứa carbonyl và OH, 3 H đính với C khác nhau. Vấn đề còn lại : thế ở hay 3 H còn lại có các tín hiệu ở : 6,46 ; 6,62 ; 7,48[rpm là một O R 7 furan thế ở . H : J = 1,5 H z (d) ; H = d, J , ' = 3,5 H z (vạch 2, 3) H = (q) (vạch 5 8) J ' = 3,5 H z , J = 1,5 H z . O O H 'H H Ví dụ về kết hợp các phơng pháp phổ 1. Ví dụ 1 : Phổ 1 4 Bài toán : Xác định cấu trúc của chất 1. MS : + m/z = 215 và 217 cờng độ bằng nhau có Br trong phân tử (79 và 81). m/z = 169 và 171 m/z = 136 pic cơ sở (base peak) không còn Br- do cắt mảnh + còn chứa 1 N trong phân tử (số lẻ trong TLPT) [M16] + . : m/z = 199, [M46] + m/z = 169 [MBr16] + : m/z = 120, [MBr 30] + : m/z = 106 IR : + hai đỉnh mạnh ở : * = 1530 và 1345 cm 1 - đặc trng cho nhóm NO 2 và liên hợp (vì NO 2 no ở : 1560 cm 1 ) + 1610 : nhân thơm liên hợp với NO 2 . Vạch 1600, 1450, 1400 cm 1 của nhân thơm không thấy, có thể do yếu quá. + * C H : 3100 3300 của nhân thơm (dao động lên, xuống với mặt phẳng vòng thơm ). + 855 cm 1 : mạnh thế para ở nhân thơm có thể có khả năng cấu trúc A: Nh vậy gốc R phải chứa Br : dự đoán R = CH 2 Br (m/z = 215). Cần chứng minh là p-aromat : UV : giống UV của p-nitrotoluen [ max = 272 nm, log = 3,99 trong EtOH] 1 H-NMR : phù hợp với cấu trúc B vì có 3 nhóm tín hiệu nh sau : + Singulet ở = 4,52 ppm + Dublet ở 7,62 và 8,25 8 NO 2 R NO 2 Br A B C NO 2 + Đờng tích phân cho tỷ lệ cờng độ : 1 : 1 : 1 + CH 2 cho singulet (tính toán là 4,45 ppm, thực nghiệm : 4,52 ppm). + H ở vị trí ortho với NO 2 : tính toán : 8,21, tìm thấy 8,25 H ở m-NO 2 : tính toán 7,52, tìm thấy 7,62 m/z = 106 NO 2 Br N OO O - CO - NO - Br m/z = 136 + + Xác định cấu trúc bằng phơng pháp NMR hiện đại 1. Từ trờng cao Nam châm siêu dẫn đợc làm lạnh bằng He lỏng (cryomagnet) Hiện có đến thiết bị có nam châm 700 MH z hoặc cao hơn. Nam châm điện tử thông thờng có cờng độ từ trờng tối đa là 100 MH z . *) Ưu thế của từ trờng cao : Độ nhạy tăng do tăng hiệu số phân bố trạng thái hạt nhân Ghi phổ nhanh hơn Độ phân giải tốt hơn 2. 13 C-NMR một chiều (DEPT) DEPT : Distortionles Enhancement by Polarization Transfer) cho thông tin về số proton gắn với ( ), và cacbon bậc 4 ( ) APT : Attached Proton Test: Thấy các tín hiệu của cacbon gắn với proton (CH 3 , CH 2 , CH), cacbon bậc 4 9 CH 2 CH 3 CH , , C . Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ 1. Đặt vấn đề Con đờng tối u nhất để xác định cấu trúc một chất thờng không định trớc đợc. Thông thờng phải kết hợp 4 phơng pháp : UV,. ion phân tử và suy ra công thức tổng. Trong trờng hợp MS không cho ion phân tử thì dùng phân tích nguyên tố. Xác định số liên kết đôi và vòng để có hình dung về khung phân tử. Nếu một phân. khung CH 2 , CH 3 IR phù hợp với cấu trúc ghi trên nhãn. *) MS : m/z = 86 M +. ion phân tử m/z = 71 [ M- CH 3 ] + m/z = 43 mạnh nhất [H 3 CCO] + ( base peak, pic cơ sở) m/z = 57 mạnh [MC 2 H 5 ] +