các phơng pháp phân tích vật lý trong hoá học Chơng I Phổ tử ngoại, khả kiến (UV/Vis-spectrum) 1. Nguyên lý 1.1. Các bớc chuyển điện tử Sóng điện từ đợc biểu diễn bằng phơng trình . = c = bớc sóng = tần số sóng c = tốc độ ánh sáng (c 2,998.10 10 cm/giây trong chân không) Một lợng tử của ánh sáng có tần số sẽ có năng lợng l E = h h 6,63.10 34 Jgiây (Js) (Planck-Wirkungsquantum) Quan hệ qua lại giữa sóng điện từ v phân tử chất khi có hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại v khả kiến sẽ dẫn đến kích thích các điện tử của liên kết hoá trị 10 200 400 750 (nm) Rơnghen Tử ngoại xa Tử ngoại gần Vùng khả kiến (nhìn thấy) Hồng ngoại * (cm 1 ) 10 6 5.10 4 2,5.10 4 1,3.10 4 Trớc đây bớc sóng thờng dùng (Angstrửm), ngy nay : nm (1 nm = 10 7 cm, 10 9 m) Thay vì : s 1 ta hay dùng số sóng * : cm 1 c v v == 1 * 1 Năng lợng : 1 eV = 23 kcal.mol 1 = 96,5 kJ.mol 1 = 8066 cm 1 1000 cm 1 = 12 kJ.mol 1 1kJ.mol 1 = 84 cm 1 Khi một ánh sáng có tần số phù hợp gặp một phân tử ở trạng thái gốc o thì ánh sáng có thể bị hấp thụ v phân tử đợc nâng lên trạng thái kích thích điện tử 1 . Thông qua tự phát xạ, phân tử có thể trở về vị trí gốc cũ. E = E( 1 ) E( o ) = h 1 0 h h Hấp thụ Phát xạ Hình 1: Sự hấp thụ v phát xạ ánh sáng điện từ 1.2. Sự hấp thụ ánh sáng v phổ Một ánh sáng có cờng độ I o khi đi qua một chất đồng nhất đẳng hớng có độ dy d thì sẽ bị hấp thụ (absorption). ánh sáng sau khi đi qua lớp chất (truyền qua transmission) có cờng độ : I = I o I abs dI = .Idx dI : sự giảm cờng độ dx : số gia (increment) của độ dy Tích phân : o Id I0 dI dx I = Giải : I = I o .e d I 0 I d đx Hình 2: Định luật Lambert-Beer = hằng số hấp thụ (đặc trng cho môi trờng đi qua) Trong dung dịch loãng có nồng độ c ta thay : = 2,303. . c = hằng số hấp thụ phân tử A = o I lo g .c.d I = 2 Độ hấp thụ A (Absorption, absorbance, extinction) không có thứ nguyên (đơn vị). d tính bằng cm, c : mol.l 1 ; : 1000 cm 2 .mol 1 = cm 2 .mmol 1 ) Thờng ngời ta cũng không ghi thứ nguyên của . *) Đây l nội dung cơ bản của định luật Bouguer (1728) Lambert (1760) Beer (1852) áp dụng cho ánh sáng đơn sắc v dung dịch loãng (c 10 2 mol.l 1 ). Sự hấp thụ có tính cộng hợp (trừ trờng hợp ngoại lệ) : A tổng = n o ii i1 I lo g dc I = = *) Khi xác định độ hấp thụ cho tất cả các bớc sóng () hoặc * v theo định luật Lambert-Beer ta sẽ đợc đồ thị hấp thụ ( *)hoặc () v đó l phổ UV/Vis. Ta có thể giải thích các vùng phổ (tức các bớc chuyển điện tử dựa vo quỹ đạo phân tử hay còn gọi l orbital phân tử (MO). Từ các orbital không liên kết n (đôi điện tử tự do) một điện tử có thể đợc chuyển lên orbital trống phản liên kết (anti - bind) * hoặc *. Bớc chuyển điện tử ny (tơng đơng vùng phổ) đợc ký hiệu l: n n * * * n n n * E Hình 3: Orbital phân tử v các bớc chuyển điện tử Bảng 1 l các vùng hấp thụ của những nhóm mang mu (chromophore) biệt lập. Khi có ảnh hởng lập thể, hiệu ứng khác thì thay đổi vị trí hấp thụ. 200 400 750 nm n * n * n * (Hệ đặc biệt) * (Hệ liên hợp) Tử ngoại trong Tử ngoại Khả kiến chân không 50.10 3 cm - 1 25.10 3 cm - 1 13,3.10 3 cm - 1 Hình 4: Vùng hấp thụ của các bớc chuyển điện tử 3 OO O2 0 S 0 r E 0 1 2 3 4 ' a) b) Phổ Phổ 0 r E 0 1 2 3 4 ' S 0 Hình 5: Dải hấp thụ cấu tạo từ dải dao động của phân tử gồm 2 nguyên tử r = khoảng cách 2 nguyên tử, E = năng lợng a) Dải không đối xứng với bớc chuyển mạnh o o b) Dải đối xứng với bớc chuyển mạnh 2 o Đối với một số nhóm mang mu, dung môi cũng có ảnh hởng đặc trng. 1.3. Một số định nghĩa *) Chuyển dịch đỏ hoặc hiệu ứng bathochrom (bathochrom effect) : Chuyển dịch đỉnh hấp thụ sang vùng sóng di do thay đổi môi trờng hoặc trong phân tử có nhóm auxochrom. *) Nhóm auxochrom l nhóm thế gây ra chuyển dịch đỏ. Ví dụ : nối đôi trong enamin chuyển từ 190 nm 230 nm do liên hợp với đôi điện tử tự do trong nitơ. Nhóm thế nitơ l auxochrom: R 2 N R ' *) Chuyển dịch xanh hoặc hiệu ứng hypsochrom : chuyển dịch về sóng ngắn. Do thay đổi môi trờng hoặc không còn liên hợp. Ví dụ : NH 2 H + NH 3 + = 230 nm ( = 8600) = 203 nm ( = 7500) (môi trờng axít) *) Hiệu ứng hypsochrom : Hiệu ứng gây giảm cờng độ hấp thụ *) Hiệu ứng hyperchrom : Hiệu ứng lm tăng cờng độ hấp thụ 4 1.4. Dung môi Dung môi có hấp thụ trong vùng đo thì không phù hợp. Dung môi tốt nhất l các perfluor ankan nh perfluorooctan. Các hydrocarbon no nh: pentan, hexan, heptan, cyclohexan, kể cả nớc, acetonitril có độ truyền qua đủ đến 195 nm (khi d = 1 cm) hoặc 180 nm (khi d = 1mm). Metanol, ethanol, dietyl ete có thể sử dụng đến 210 nm ; dichlometan : đến 220 nm, chloroform : đến 240 nm, CCl 4 : 250 nm. Benzen, toluen, tetrahydrofuran chỉ sử dụng đợc ở trên 280 nm. Sự tơng tác giữa dung môi chất đo sẽ lm phổ không nét, vì vậy cố gắng tránh sử dụng dung môi phân cực. 2. Chuẩn bị mẫu v đo phổ - Thông thờng phổ tử ngoại đợc đo trong dung môi , với nồng độ 10 -4 mol/l. Với độ dy cuvet l 1cm theo định luật Lambert - Beer tacó: c. 1 nếu đặt độ hấp thụ A 1 A MK VK Z M l 0 Q l D S Hình 6: Sơ đồ máy UV hai tia Q = nguồn sáng (UV: đèn hydro hoặc đèn deuteri, Vis: đèn wolfram-halogel) M = lăng kính để tán sắc ánh sáng (monochromator)/ hoặc mạng tán sắc Z = để chia hai tia (l 1 gơng quay) MK = cuvet chứa chất đo trong dung môi VK = cuvet so sánh chứa dung môi tinh khiết D = detectơ S = máy ghi, mn hình 5 3. Nhóm mang mu (chromophore) 3.1. Nhóm mang mu biệt lập v tơng tác lẫn nhau giữa chúng: CO H H Formaldehyt C C OH OH Glyoxal max = 178 nm max = 17.000 max = 205 nm max = 2100 max = 303 nm max = 18 n * max = 450 nm max = 5 n * 2 nối đôi tơng tác với nhau mạnh Hệ liên hợp cng di thì bớc chuyển của * cng về sóng di v cờng độ cng mạnh. Bảng 1: Các nhóm mang mu (Chromophor) 3.2. Olefin, polyene * của etylen nằm ở vùng UV chân không với một đỉnh mạnh ở max = 165 nm ( max = 16000) 6 Bảng 2: Hệ lợng gia (increment) để tính cực đại hấp thụ của dien v trien Ưu tiên s - trans (ví dụ acyclic) 217 nm Mỗi gốc cacbon mỗi nhóm auxochrom Bảng 3: Hấp thụ UV sóng di của 1,3 - dien Hợp chất max (nm) max Bảng 5: Hấp thụ của annulen Hợp chất max lg max Dung môi Mu dung dịch Tính chất Bảng 4: Ví dụ về tính max của dien v trien liên hợp Hợp chất Quan sát Tính toán Hexan Chlorophorm Metanol Isooctan Cyclohexan Benzen Benzen Không mu Vng Vng Nâu đỏ Đỏ Xanh vng Tím anti- thơm thơm không thơm không thơm thơm không thơm thơm không thơm Lợng gia Mỗi liên kết đôi thêm Mỗi vị trí nối đôi exocyclic 7 3.3. Benzen vμ c¸c hîp chÊt th¬m cã vßng benzen: B¶ng 6: HÊp thô tö ngo¹i cña benzen mét lÇn thÕ Nhãm thÕ B−íc chuyÓn sãng dμi (m¹nh) B−íc chuyÓn sãng dμi (cÊm) Dung m«i N−íc Cyclohexan Etanol Etanol Hexan Etanol N−íc N−íc N−íc N−íc N−íc N−íc N−íc N−íc N−íc Etanol N−íc Etanol Hexan N−íc Hexan Etanol N−íc N−íc Etanol 8 Hình 7: Phổ tử ngoại của benzen Bảng 7: Hấp thụ sóng của một số benzen thế para X 1 -C 6 H 4 -X 2 trong nớc Hình 8: Phổ UV/Vis của o-, m-, p-, nitrophenol: a/ trong 10 -2 M HCl b/ trong 5x10 -3 M NaOH 3.4. Các hợp chất cacbonyl : keton, aldehyt no: Bảng 8: Bớc chuyển n * ở hợp chất cacbonyl no Hợp chất max (nm) max Dung môi acetaldehyd 293 12 Hexan Aceton 279 15 Hexan Acetylclorid 235 53 Hexan Acetalhydrid 225 50 Isooctan Acetamit 205 160 Metanol Etyl acetat 207 70 Eter dầu mỏ Axit acetic 204 41 Etanol Hình 9: Sơ đồ năng lợngcủa các bớc chuyển điện tử trong enon liên hợp, so sánh với alken v cacbonyl no 9 Hình 10: Phổ của benzophenon ____ Trong cyclohexan Trong etanol Dung môi kém Dung môi phân cực phân cực Chuyển dịch Chuyển dịch bathochrom hypochrom 1 * 1 2 2 * Hình 11: Dịch chuyển bathochrom v hypochrom của bớc chuyển * v n * của xeton khi tăng độ phân cực dung môi (solvatochromy) 4. ứng dụng phổ tử ngoại / khả kiến Phân tích định lợng, định tính v cấu trúc Xác định hm lợng cồn trong máu : EtOH enzim NAD CH 3 CHO (nicotinamit adenin dinucleotid) Quá trình ny đợc theo dõi bằng UV (tử ngoại ). Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): detectơ UV l phổ biến, Nghiên cứu động học : Đo các bớc trung gian. Ngy nay có thể dùng laser để xác định đợc những chất trung gian có thời gian tồn tại nôna giây, picô giây, thậm chí femto giây (1 fs = 10 15 s). 10 . Các hợp chất cacbonyl : keton, aldehyt no: Bảng 8: Bớc chuyển n * ở hợp chất cacbonyl no Hợp chất max (nm) max Dung môi acetaldehyd 29 3 12 Hexan Aceton 27 9 15 Hexan Acetylclorid 23 5. - dien Hợp chất max (nm) max Bảng 5: Hấp thụ của annulen Hợp chất max lg max Dung môi Mu dung dịch Tính chất Bảng 4: Ví dụ về tính max của dien v trien liên hợp Hợp chất Quan. sử dụng đến 21 0 nm ; dichlometan : đến 22 0 nm, chloroform : đến 24 0 nm, CCl 4 : 25 0 nm. Benzen, toluen, tetrahydrofuran chỉ sử dụng đợc ở trên 28 0 nm. Sự tơng tác giữa dung môi chất đo sẽ