bài giảng PHÂN TÍCH HÓA LÝ

Đặc điểm phương pháp phân tích khối phổ mass spectroscopy - Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó.. Nguyễn Xuân Trườn

Trang 1

PHÂN TÍCH HÓA LÝ

Trang 2

Nguyễn Xuân Trường Phân tích hóa lý HKII/2012

6.1 Đặc điểm phương pháp phân tích khối phổ (mass

spectroscopy)

- Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng

cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó

- Chất nghiên cứu trước tiên được chuyển thành trạng thái hơi sau đó được chuyển thành ion (ion source)

- Các ion được tạo thành được tách theo tỉ số m/z (mass analyzer) và được phát hiện (detector)

- Ứng dụng với các hợp chất vô cơ: nghiên cứu thành phần đồng vị

hoặc xác định vết các nguyên tố, chất nghiên cứu

- Ứng dụng với các hchc: đồng nhất chất, phân tích định lượng, phân tích cấu trúc

Trang 3

6.2 Sự hình thành khối phổ

a Sự ion hóa

• Phương pháp va chạm electron (Electron bomb Ionization – Electron

impact - EI)

• Phương pháp ion hóa trường (Field ionization - FI)

• Phương pháp ion hóa hóa học (Chemical Ionization - CI)

• Phương pháp bắn pháp nguyên tử nhanh (Fast atom bombardment

-FAB)

• Phương pháp ion hóa phun điện tử (Electro Spray Ionization - ESI)

• Phương pháp ion hóa hóa học ở áp suất khí quyển (Atmospheric pressure chemical ionization - APCI)

• Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)

Trang 4

• Dòng phân tử khí của mẫu đi vào buồng ion hóa, va

chạm với một dòng electron sinh ra từ một sợi đốt (catot)

• Áp suất trong buồng ion hóa ~0,005 torr và nhiệt độ

~200°C.

• Các electron va chạm với phân tử trung hòa làm bật ra các electron và phá vỡ phân tử thành các mảnh ion,

mảnh gốc hay phân tử trung hòa

Electron Bomb Ionization ( EI )

Trang 5

Electron Bomb Ionization ( EI )

Trang 6

• Sử dụng một điện trường mạnh (107-108 V/cm) trong

môi trường chân không cao (10-6 torr) để làm bật ra

Trang 7

Field ionization (FI)

Field ionization (FI) is a method that uses very strong electric fields to produce ions from gas-phase molecules

Anot

+ +

+

+ + +

Khe ra

d<1mm

Trang 8

Fast atom bombardment ( FAB)

Softer than EI and CI Ions are produced by bombardment with heavy atoms Gives (M+H)+ ions and litle fragmentation

Good for more polar compounds.

Ar + e Ar + acceleration (5-15 KeV)

Ar+ + Ar Ar + Ar +

fast slow + 8 KeV

fast slow

Trang 9

Ample is sprayed out of a narrow nozzle in a high potential field

Generates positive (M+nH)n+ and negative (M - nH)n- ions and

almost no fragmentation Generates multiple charged ions.

Electron spray ionization

Trang 10

2 Principle

Trang 11

Atmospheric pressure chemical

ionization - APCI

Trang 12

Matrix Assisted Laser Desorption

Ionization (MALDI)

Trang 13

MALDI mass spectrometry has become a powerful analytical tool for both synthetic polymers and biopolymers.

Principle of MALDI

Trang 14

b Bộ phận phân tích khối lượng

- Bộ phân tích từ (Bộ phân tích từ hội tụ đơn - Magnetic sector

analyzer)

- Bộ phân tích tứ cực (Quadrupole analyzers)

- Bộ phân tích bẫy tứ cực (Quadrupole Ion Trap Mass Analyzer)

- Bộ phân tích thời gian bay (Time of Flight analyzer - TOF)

- Fourier Transform Ion-Cyclotron

Trang 15

Magnetic Sector Analyzer

• Chùm ion được phân ly thành các phần có tỉ số m/z khác nhau nhờ vào từ trường.

• m/z = B2r2/2V Trong đó, B: từ trường

r: bán kính của bộ phân tích từ V: điện áp cao tần

Trang 16

Quadrupole Analyzers

Trang 17

-Tứ cực được cấu tạo bởi 4 thanh điện cực song song tạo thành

một khoảng trống để các ion bay qua

- Một trường điện từ được tạo ra bằng sự kết hợp giữa dòng

một chiều (DC) và điện thế tần số radio (RF)

- Các tứ cực được đóng vai trò như một bộ lọc khối

- Khi một trường điện từ được áp vào, các ion chuyển động

trong nó sẽ dao động phụ thuộc vào tỉ số giữa m/z và trường RF Chỉ những ion có tỉ số m/z phù hợp mới có thể đi qua được bộ

lọc này.

Trang 18

Time of Flight Analyzer

Thời gian bay t của chùm ion ở khoảng cách L phụ thuộc vào số khối và có

giá trị:

t = L / v = L ( m/2z )½

Trang 19

- Phân tích thời gian bay dựa trên cơ sở gia tốc các ion tới

detector với cùng một năng lượng

- Do các ion có cùng năng lượng nhưng lại khác nhau về

khối lượng nên thời gian đi tới detector sẽ khác nhau

- Các ion nhỏ hơn sẽ đi tới detector nhanh hơn do có vận

tốc lớn hơn còn các ion lớn hơn sẽ đi chậm hơn, do vậy,

thiết bị này được gọi là thiết bị phân tích thời gian bay do

tỉ số m/z được xác định bởi thời gian bay của các ion

- Thời gian bay của một ion tới detector phụ thuộc vào

khối lượng, điện tích và năng lượng động học của các

ion

Trang 20

a Quá trình xảy ra trong buồng ion hóa

- Để có thể giải phóng một điện tử ra khỏi phân tử, điện tử

va chạm phải có động năng tối thiểu bằng năng lượng ion hóa của phân tử (8-15eV).

- Nếu năng lượng của các điện tử va chạm đủ lớn thì sẽ xảy ra hiện tượng phân mảnh của ion phân tử (tại một liên kết nào đó của mạch bị yếu đi do sự phân cực hay

do hiệu ứng liên hợp,…) được hình thành trong quá trình ion hóa.

- Xác suất tạo các mảnh ion phụ thuộc vào độ bền của

liên kết, giá trị năng lượng kích thích, độ ổn định của các ion tạo thành do tương tác cảm ứng hay đồng phân

trong chúng

Trang 21

b Ion phân tử

• Khi phân tử bị mất một điện tử sẽ trở thành ion phân tử (M+).

• Vị trí của pic phân tử cho biết trực tiếp phân tử khối

khối phổ của phân tử cần xét.

• Pic phân tử có cường độ lớn so với các pic đồng vị.

• Trong các hợp chất sau đây thì cường độ của pic phân

tử giảm dần theo thứ tự từ trái sang phải:

• Hợp chất thơm, olefin, n-ankan, xeton, ancol, axit.

Trang 22

-Đa số các nguyên tố trong thiên nhiên gồm hỗn hợp nhiều đồng vị:

(M+1)+, (M+2)+,…

- Hàm lượng tương đối của các đồng vị của một nguyên tố trong các

hợp chất hóa học cũng giống như bản thân trong nguyên tố đó (thành phần tự nhiên)

- Nếu hợp chất có chứa nhiều nguyên tố đồng vị người ta có thể tính

toán cường độ các pic khá đơn giản

+ Giả sử cho phân tử có 2 nguyên tố A và B

+ Mỗi nguyên tố có một số đồng vị A1, A2,…,Ai và B1,B2,…, Bj

+ Thành phần tương ứng của chúng trong tự nhiên là a1, a2,…,ai và

b1,b2,…,bj

+ Hệ số hóa học của A và B trong hợp chất tương ứng là n và m

+ Cường độ tương đối của các pic có thể tính được dựa vào hệ thức

(quy tắc chung xác định cường độ tương đối của các đồng vị):

(a1+a2+…+ai)n.(b1+b2+…+bj)m

+ Ví dụ: SGK/102

Trang 23

Thành phần của một số đồng vị bền của một số nguyên tố

thường gặp

Trang 24

+ Cacbon có 2 đồng vị 12C (a1=1) và 13C (a2=0,011)

+ Phân tử kí hiệu là RCn, trong đó n là số nguyên tử C có trong phân tử

+ IM : IM+1 = 1: nx0,011 (Các pic M+2, M+3 có cường độ rất yếu)

* Trường hợp hợp chất có nguyên tố S (ngoài C, H, O, N hợp chất

Trang 25

* Quy tắc Nitơ

- Các nguyên tố hidro, nitơ, oxi chỉ có phần đóng góp rất

nhỏ vào cường độ các pic đồng vị M+1, M+2 Vì vậy sự có mặt của chúng trong hợp chất rất khó được suy ra từ tỉ số

về cường độ các pic.

- Nếu số khối của phân tử là lẻ thì phân tử luôn luôn chứa một số lẻ nguyên tử N.

Trang 26

- Trong trường hợp đơn giản, có thể biển diễn quá trình ion hóa bằng sơ đồ:

Trang 27

* Cơ chế tách Retro Diels-Alder (F4)

R

+

Trang 28

C D

E H

E

H A

B

C D

E H

Ki ể u II

Trang 29

VD: Con đường cắt đoạn của hydrocacbon thơm

Phổ khối của 1-phenylhexan

Trang 30

HC CH

HC CH m/z = 162 I.

H2C

CH2CH H

CH2H H

m/z=92 m/z = 162

Trang 31

6.4 Ứng dụng phương pháp khối phổ

a Năng suất phân giải R của máy khối phổ và ý nghĩa

của R

- Năng suất phân giải R của một máy khối phổ đo khả năng có thể

phân biệt hai pic ứng với khối lượng gần nhau nhất M và M+∆M trên khối phổ đồ

R = M/∆M

- Nếu R càng lớn thì hai khối lượng M và M+∆M càng gần nhau, nghĩa

là máy có R lớn thì có thể phân biệt các hạt có khối lượng càng gần

nhau

- VD: SGK/106

Trang 32

* Ứng dụng vào quá trình đồng nhất chất

- VD: SGK/106

* Ứng dụng vào xác định công thức cấu tạo

- Các bước tiến hành:

1 Xác định khối lượng ion phân tử M+

2 Xác định khối lượng các mảnh ion

3 Xác định hiệu số khối lượng của ion phân tử và các mảnh ion

4 Tìm các pic (M+1)+ và (M+2)+, … và xác định tỉ lệ cường độ của

các pic này với pic M+

5 Giải thích sự xuất hiện các mảnh ion bằng con đường cắt đoạn

- Bảng 6-3/108

- VD: SGK/109

Trang 33

71

45 59

73 87

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C OH

57 43

29

Trang 34

51 77

79

107

118 136

CTPT tương ứng là C 9 H 12 O, hãy xác định cấu trúc của A.

Trang 35

m/z: 118 = M-18 M-H2O

Trang 36

94

77 65 51

Trang 37

H O

Trang 38

- Khi kết hợp với phương pháp sắc ký (GC-MS, HPLC-MS, CE-MS),

phát xạ nguyên tử (ICP-MS) có thể nâng cao độ nhạy và độ chính xáccủa kết quả phân tích lên nhiều lần (cỡ ppb)

Trang 39

7.1 Nguyên tắc chung của phương pháp giải phổ

- Để nhận được các thông tin tương đối toàn diện về một hợp chấtnghiên cứu, thông thường người ta sử dụng số liệu thực nghiệmcủa 3 phương pháp phổ nghiệm cơ bản: phổ điện tử (UV-VIS), phổhồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ khốilượng (MS)

+ Phổ UV-VIS ít đặc trưng cho phương pháp nghiên cứu nhưng có ý nghĩa để khẳng định hiệu ứng liên hợp, để phát hiện các hợp chất

họ dien, polyen, nối đôi liên hợp của các vòng thơm

+ Phổ IR cho phép xác định một số nhóm chức như: OH, C=O, CH=CH, CCH, và xác định vị trí nhóm thế trong vòng thơm

+ Phổ NMR cho phép phán đoán đặc trưng của nhóm có chứa hydro (số nguyên tử hydro)

+ Phổ khối cho thông tin về phân tử khối của phân tử, con đường cắtđoạn hình thành các mảnh ion đưa ra dự đoán chính xác về cấu

Chương 7: Nguyên t ắ c gi ả i ph ổ trong k ỹ

Trang 40

7.2 Phân tích cấu trúc phân tử

a.Tính số nối đôi và các bộ phận có chứa nối đôi (đơn vị không no) trong phân tử

* Phân tử chỉ có thành phần phân tử gồm các nguyên tử C, H, O, và S:

+ Công thức tổng quát: CnH2nOaSb

+ Số đơn vị không no N trong phân tử

N=(2n+2-số nguyên tử hidro)/2+ Mỗi nối đôi hoặc vòng tương đương với một đv không no, một nối ba tương đương với hai đơn vị không no

Trang 41

* Hợp chất trong phân tử có chứa C, H và các nguyên tử halogen

+ Công thức tổng quát: CnH2n+2-xXx

+ Số đơn vị không no N trong phân tử

N=(2n+2-x-số nguyên tử hidro)/2+ VD: SGK/113

* Tìm công thức phân tử hợp chất nghiên cứu dựa vào số liệu

NMR

+ Nhận dạng sự có mặt các nhóm chức chứa proton trong phân tử

+ Giả thiết về công thức phân tử của hợp chất khi biết: khối lượng

phân tử của hợp chất (M), thành phần các nguyên tố khác có thể có

trong phân tử

+ Số nguyên tử C trong phân tử

N=(M-số nguyên tử hidro-khối lượng các nguyên tố

khác)/12+ VD: SGK/114

Trang 42

- Bước 1: Xác định sự có mặt của các nhóm đặc trưng

+ Từ số liệu phổ NMR có thể nhân dạng các nhóm chức chứa hydro

trong phân tử như -CH3, -CH2-, -OH, -NH2, nhân thơm…

+ Từ số liệu IR có thể nhận dạng các nhóm chức điển hình như

cacbonyl, -OH, nhân thơm, nối đôi, nối ba,…

+ Phổ UV-VIS cho phép khẳng định hiệu ứng liên hợp của các nối đôi trong phân tử, …

- Bước 2: Xác định các phần không chứa nhóm đặc trưng từ dữ liệu

khối phổ

- Bước 3: Ghép nối các phần với nhau, vạch ra công thức cấu tạo

phân tử và con đường cắt đoạn

‚‚Việc xác định cấu trúc phân tử của một hợp chất từ các dữ liệu phổ nghiệm phụ thuộc nhiều vào sự nhạy bén của người phân

tích‘‘

- VD: SGK/115

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	711,92 KB