LÝ THUYẾT cơ bản về PHỔ CỘNG HƯỞNG từ hạt NHÂN PHỔ 1h NMR

SỰ CHẮN TẠI CHỖ: Các proton trong hợp chất hữu cơ không trơ trụi một mình mà chúng được bao xung quanh bởi các điện tử, các điện tử này đã che chắn một phần ảnh hưởng của từ trường bên n

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN PHỔ 1H-NMR

PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN:

Có nhiều loại hạt nhân hoạt động bằng cách tự xoay chung

quanh trục của nó Do các hạt nhân mang điện tích dương nên khi chúng xoay chuyển như thế sẽ giống như những thanh nam châm nhỏ và vì vậy chúng sẽ tương tác với từ trường ở bên ngoài (gọi là từ trường Ho) Không phải tất cả các hạt nhân mà chỉ có một vài hạt nhân có đặc trưng này, trong đó có hạt nhân proton 1H và hạt nhân 13C

[Hình 1/12]

Nếu không có sự tác động của từ trường bên ngoài thì các spin hạt nhân của những hạt nhân có từ tính sẽ định hướng theo vô số phương Khi mẫu chất khảo sát có chứa những hạt nhân này được đặt vào giữa hai cực của một nam châm mạnh, các hạt nhân sẽ bị định hướng theo hướng của nam châm: hạt nhân proton 1H hoặc hạt nhân 13C định hướng hoặc song song cùng chiều hoặc song song ngược chiều với từ trường của nam châm Hai định hướng này không có cùng mức năng lượng và vì thế chúng sẽ khác nhau: định hướng song song cùng chiều có mức năng lượng thấp hơn định hướng song song ngược chiều

Nếu hạt nhân này (đã có định hướng) được chiếu bởi một bức xạ điện từ có tần số thích hợp, sẽ có sự hấp thu năng lượng sẽ xảy

ra và lúc đó spin trạng thái năng lượng thấp sẽ nhảy chuyển lên spin trạng thái năng lượng cao hơn Khi có hiện tượng nhảy chuyển spin như thế, người ta nói là hạt nhân đã cộng hưởng với

bức xạ chiếu vào, từ đó có tên gọi là cộng hưởng từ hạt nhân.

Khả năng đáp ứng với sự cộng hưởng từ hạt nhân của hai loại hạt nhân 1H và 13C không giống nhau Tất cả các hạt nhân có

số proton lẻ, thí dụ như: 1H; 2H; 14N; 19F; 31P cũng như các hạt nhân có số nơtron lẻ, thí dụ như 13C, đều có từ tính nên sẽ có hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Các hạt nhân có số proton

và nơtron chẵn, thí dụ như 12C; 16O, sẽ không có hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

SƠ ĐỒ MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN:

Một mẫu hợp chất hữu cơ (khoảng 5 mg) được hòa tan trong một dung môi phù hợp (thí dụ CDCl3, khoảng 0.5 mL), dung dịch này được đặt trong một ống thủy tinh có đường kính 5mm, dài khoảng 20cm Ống này được đặt thẳng đứng trong máy NMR, ở khoảng giữa hai cực nam châm, sao cho từ trường đi ngang qua ống Để tăng tính đồng nhất của từ trường, ống thủy tinh đựng mẫu được cho xoay quanh trục thẳng đứng với vận tốc khoảng 30 vòng/ giây bởi một tuabin khí

Từ trường của nam châm của máy NMR sẽ khiến cho các hạt nhân 1H hoặc 13C định hướng song song cùng chiều hoặc song song ngược chiều với hướng từ trường của nam châm, tiếp đó mẫu chất này được chiếu xạ bởi năng lượng của sóng radio Nếu tần số của bức xạ sóng radio được giữ không thay đổi, còn lực của từ trường áp dụng được thay đổi, thì mỗi hạt nhân sẽ có sự cộng hưởng tại một lực từ trường khác nhau (một ít) Một máy rất nhạy ghi nhận sự hấp thu năng lượng sóng radio của mẫu chất khảo sát và chuyển thành đồ thị (phổ NMR)

Phổ NMR là đồ thị cho thấy lực từ trường (áp dụng lên mẫu chất khảo sát) tăng dần từ trái sang phải: phần bên trái của đồ thị là vùng từ trường thấp (low-field, downfield); phần bên phải của

đồ thị là vùng từ trường cao (high-field, upfield) Để xác định vị trí của một hấp thu thì đồ thị NMR được chia thành thang độ và

sử dụng một chất chuẩn Trên thực tế, người ta cho thêm vào mẫu chất khảo sát một lượng nhỏ chất tetrametilsilan (CH3)4Si (viết tắt là TMS) để khi ghi phổ, trên phổ đồ xuất hiện vạch hấp thu của chất chuẩn TMS được sử dụng làm chất chuẩn cho cả hai loại phổ 1H và phổ 13C

ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC

Trên phổ đồ, tại vị trí mà một hạt nhân hấp thu năng lượng để có hiện tượng cộng hưởng được gọi là độ dịch chuyển hóa học Theo quy ước, độ dịch chuyển hóa học của TMS được chỉnh tại

mức 0 trên phổ đồ và những hấp thu khác sẽ xuất hiện tại vùng

từ trường thấp hơn

Phổ đồ NMR được chia độ theo thang delta (δ) Một đơn vị delta bằng 1 phần một triệu (ppm: part per million) của tần số hoạt động của máy NMR Thí dụ phổ 1H-NMR của hợp chất được đo bằng máy hoạt động ở tần số 60 MHz, như vậy, 1 δ sẽ bằng 1 ppm của 60.000.000 Hz, tức là 60 Hz; tương tự với một phổ đồ đo bằng máy 300 MHz thì 1 δ = 300 Hz

Như thế, độ dịch chuyển hóa học của một hấp thu NMR sẽ là hằng số, không phụ thuộc vào lực từ trường và tần số hoạt động của máy Một hạt nhân 1H hấp thu tại δ = 2 trên máy 60 MHz (2.0 ppm x 60 MHz = 120 Hz trong vùng từ trường thấp so với TMS) thì hạt nhân này cũng hấp thu tại δ = 2 trên máy 300 MHz (2.0 ppm x 300 MHz = 600 Hz trong vùng từ trường thấp so với TMS)

Lợi ích của việc đo phổ bằng máy có tần số lớn là các hấp thu được trải ra trong một khoảng từ trường lớn, vì thế nếu có các tín hiệu ở gần nhau sẽ dễ dàng phân biệt được chúng, trong khi nếu đo bằng máy có tần số thấp thì các tín hiệu gần nhau có thể trùng lắp lên nhau, khó khảo sát

Đa số các proton của các hợp chất hữu cơ đều có hấp thu trong khoảng 0-10 δ trong vùng từ trường thấp so với TMS và đa số các 13C của hợp chất hữu cơ đều có hấp thu trong khoảng 1 –

220 δ trong vùng từ trường thấp so với TMS

SỰ CHẮN TẠI CHỖ:

Các proton trong hợp chất hữu cơ không trơ trụi một mình mà chúng được bao xung quanh bởi các điện tử, các điện tử này đã che chắn một phần ảnh hưởng của từ trường bên ngoài lên trên proton Người ta nói rằng hạt nhân đã bị chắn bởi các điện tử bao chung quanh nó Do mỗi loại hạt nhân trong phân tử hữu cơ khảo sát được bao quanh bởi những đám mây điện tử khác nhau, nên mỗi loại hạt nhân bị chắn khác nhau, từ đó từ trường hiệu dụng áp đặt lên hạt nhân đó cũng khác nhau Máy NMR đủ nhạy

để nhận biết được từng sự khác biệt nhỏ này, ghi thành những tín hiệu NMR

a ẢNH HƯỞNG BỞI HIỆU ỨNG CẢM ÂM CỦA CÁC NHÓM KỀ BÊN:

Các loại hạt nhân khác nhau trong một phân tử có độ dịch

chuyển hóa học khác nhau là do mỗi loại hạt nhân được che chắn khác nhau bởi các đám mây điện tử chung quanh Hạt nhân nào được các điện tử che chắn càng nhiều thì càng cần từ trường mạnh hơn để có thể có sự cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân này hấp thu ở vùng từ trường cao (vùng bên phải của phổ đồ) Hạt nhân nào được các điện tử che chắn ít thì chỉ cần tác dụng bởi một từ trường yếu là có thể có sự cộng hưởng, hệ quả là các hạt nhân này hấp thu ở vùng từ trường thấp (vùng bên trái của phổ đồ)

Khi proton gắn vào carbon nối với nguyên tử có độ âm điện mạnh (O; N; halogen), các nguyên tử này sẽ rút đôi điện tử nối hóa trị về phía nó, làm giảm sự chắn của từ trường bên ngoài áp đặt lên proton khảo sát; vì thế -CH-X với X là nguyên tử có độ

âm điện mạnh (cũng như càng có nhiều nguyên tử loại này) thì

proton –CH-X càng được giảm chắn, nên có độ dịch chuyển hóa

học ở vùng từ trường thấp Tuy vậy, sự che chắn giảm dần theo khoảng cách, sau 4 nối hóa trị, sự giảm chắn hết tác dụng (bảng 2)

Bảng 1 và 2 cho thấy các proton –CH-X có độ dịch chuyển hóa

học khác nhau khi carbon này gắn vào các nguyên tử có độ âm điện khác nhau Độ dịch chuyển hóa học của proton càng ở vùng

từ trường thấp khi CH gắn vào nguyên tử có độ âm điện càng mạnh, cũng như khi CH gắn với nhiều nguyên tử có độ âm điện mạnh

Phần lớn độ dịch chuyển hóa học của các loại proton của các hợp chất hữu cơ ở trong khoảng 0 - 12 δ với vùng đặc trưng như trình bày trong hình 5 và bảng 3

Bảng 1: Sự thay đổi độ dịch chuyển hóa học của hợp chất CH3X tùy theo độ âm điện của nguyên tử X

Độ âm điện của X 4.0 3.5 3.1 2.8 2.5 2.1

Độ dịch chuyển

hóa học (δ)

4.26 3.40 3.05 2.68 2.16 0.23

[Hình 5/21]

Bảng 2: Sự thay đổi độ dịch chuyển hóa học của hợp chất CH3X tùy theo X

CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl

-CH2Br -CH2-CH2-Br -CH2-CH2-CH2-Br

[Bảng 3/21]

b ẢNH HƯỞNG BỞI SỰ LAI HÓA VÀ SỰ CHẮN

KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG

Bảng 3 cho thấy thứ tự về độ dịch chuyển hóa học của các

proton không phải luôn luôn tương ứng với độ âm điện, thí dụ proton của benzene có mũi cộng hưởng ở vùng từ trường thấp hơn proton của ethylene và acetylene mặc dù độ âm điện của Csp2 nhỏ hơn Csp Sự kiện này được giải thích là do ảnh hưởng của một hiệu ứng gọi là tính không đẳng hướng Sự chắn không đẳng hướng thường xảy ra trên hợp chất thơm; trên các liên kết đôi, liên kết ba như: C≡C, C=C, C=O, C=N…

Lấy thí dụ của benzene, khi benzene được đặt vào vùng từ

trường áp đặt Ho, các điện tử π của nhân thơm sẽ bị tác dụng của từ trường nên di chuyển chung quanh vòng, sư di chuyển này tạo thành một dòng điện dòng Các điện tử di chuyển này sẽ tạo nên một từ trường, từ trường này bao phủ một không gian đủ lớn để che chắn các hydrogen của benzene Các proton của

benzene được nói là đã được giảm chắn bởi sự không đẳng

hướng của vòng benzene

c ẢNH HƯỞNG BỞI TÍNH ACID VÀ TÍNH LINH ĐỘNG CỦA PROTON, BỞI NỐI HYDROGEN:

Hydrogen có tính acid: các proton gắn vào acid carboxylic là proton được giảm chắn mạnh nhất, chúng có mũi cộng hưởng tại vùng δ 10 – 12 ppm, điều này là do hiệu ứng cộng hưởng làm rút điện tử của proton acid

[Hình]

Nối hydrogen và hydrogen linh động (trao đổi được): các proton

có khả năng tạo nối hydrogen, thí dụ như: alcol-OH, thiol-SH, amin-NH-, phenol Ph-OH, amid, enol… sẽ có vị trí cộng hưởng thay đổi trong một khoảng rất rộng (bảng 3)

Nối hydrogen tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đo và nhiệt độ Dung dịch càng đậm đặc, phân tử càng dễ tiếp xúc với các phân

tử khác và tạo nối hydrogen Trong dung dịch rất loãng (không

có nối hydrogen) các proton –OH có mũi cộng hưởng tại 0.5 - 1 ppm nhưng trong dung dịch đậm đặc thì proton –OH có mũi cộng hưởng tại 4.0 - 5.0 ppm

CÁC PROTON TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC

a CÁC PROTON TƯƠNG ĐƯƠNG

Do độ dịch chuyển hóa học của mỗi hạt nhân phụ thuộc vào cấu tạo hóa học và vào vị trí không gian của nó trong phân tử nên mỗi hạt nhân có hiệu ứng chắn khác nhau Muốn biết một hợp chất có thể cho bao nhiêu tín hiệu trong phổ proton - NMR, cần phải biết trong phân tử đó có bao nhiêu loại proton giống nhau

về cấu tạo hóa học và về vị trí không gian Các proton giống

nhau này được gọi là proton tương đương về độ dịch chuyển

hóa học, chúng chỉ cho 1 tín hiệu trên phổ 1H-NMR Còn các

hạt nhân có độ dịch chuyển khác nhau, được gọi là proton

không tương đương về độ dịch chuyển hóa học, chúng cho các

tín hiệu khác nhau trên phổ 1H-NMR

Số lượng các hấp thu khác nhau sẽ cho biết có bao nhiêu loại proton trong phân tử

Lượng chắn của các hấp thu nói trên sẽ cho biết cấu trúc điện tử của từng loại proton (proton đó gắn vào nguyên tử nào: C; O; N; Cl…)

Cường độ của các tín hiệu cho biết mỗi kiểu loại proton sẽ gồm bao nhiêu proton

Sự tách mũi của các tín hiệu cho biết có bao nhiêu proton hiện diện ở kề bên proton đang khảo sát

b CÁC PROTON KHÔNG TƯƠNG ĐƯƠNG:

Các proton khác biệt nhau do hóa lập thể sẽ có độ dịch chuyển hóa học khác nhau

Có cách thử để biết xem hai proton không tương đương nhau: thay thế 1 H của phân tử bằng một nhóm Z để xét xem sản phẩm tạo thành Thí dụ sau cho thấy hai sản phẩm tạo thành là 2 xuyên lập thể phân nên hai proton Ha và Hb không tương đương nhau, nên chúng có độ dịch chuyển hóa học khác nhau

CƯỜNG ĐỘ TÍCH PHÂN CỦA MŨI CỘNG HƯỞNG

TRONG PHỔ 1H-NMR:

Phổ đồ 1H-NMR cho biết có bao nhiêu loại proton trong phân tử

và cũng cho biết mỗi loại proton đó có bao nhiêu H Trong phổ

1H-NMR, phần diện tích vẽ ra bởi mũi cộng hưởng tỉ lệ thuận với số lượng proton gây ra tín hiệu cộng hưởng của mũi đó và được gọi là cường độ tích phân của mũi cộng hưởng

Các giá trị tích phân chỉ là con số tương đối, có thể có sai số khoảng 10% và cần phải tính toán lại

TƯƠNG TÁC SPIN – SPIN TRONG PHỔ 1H-NMR

a LÝ THUYẾT VỀ SỰ TÁCH SPIN – SPIN:

Trong những phổ 1H-NMR trong những phần trên, mỗi một loại proton trong phân tử cho một mũi cộng hưởng (phổ cho thấy một mũi đơn) Tuy nhiên có rất nhiều trường hợp, mũi cộng hưởng của proton không xuất hiện là một mũi đơn, mà bị chẻ tách ra thành nhiều mũi Sự kiện này được gọi là sự tách spin - spin hoặc sự ghép; đây là hiện tượng có nhiều mũi hấp thu khác nhau, do các proton ở kề bên đã tương tác lên trên proton đang khảo sát

Bất cứ một proton đang khảo sát đều bị chịu một từ trường lớn của máy NMR áp đặt lên nó; nó còn bị ảnh hưởng bởi từ trường tại chỗ gây ra do sự che chắn của các điện tử bao chung quanh; ngoài ra nếu có những proton khác ở kề bên, từ trường nhỏ của các proton kề bên này cũng gây một ảnh hưởng nhỏ lên proton khảo sát; hệ quả là proton khảo sát sẽ cho mũi cộng hưởng

nhưng không phải là mũi đơn mà là nhiều mũi khác nhau tùy vào số lượng các proton hiện diện ở kề bên nó; số lượng mũi theo quy luật n+1

[HÌNH 11/33]

Hiện tượng ghép spin – spin được giải thích bằng cách giả sử rằng máy NMR đang quét tín hiệu tại δ 4.1 cho proton Hb của hợp chất 1,1,2-tribromoethane Những proton này đang chịu ảnh hưởng của một từ trường nhỏ gây ra bởi proton Ha ở kề bên Từ trường tạo ra bởi Ha thì không đồng nhất cho mỗi phân tử khảo sát Trong một số phân tử, Ha có spin song song cùng chiều với

từ trường bên ngoài và trong một số phân tử khác, Ha có spin song song ngược chiều với từ trường bên ngoài

Khi proton Ha song song cùng chiều với từ trường bên ngoài, proton Hb có tổng từ trường hơi mạnh một chút: proton sẽ được giảm chắn một ít và hệ quả là nó sẽ hấp thu tại vùng từ trường thấp Khi proton Ha song song ngược chiều với từ trường bên ngoài thì proton Hb bị che chắn và hệ quả là nó sẽ hấp thu tại vùng từ trường cao hơn một ít

Vậy proton Hb có tất cả 2 loại hấp thu: khoảng 50% các phân tử

có Ha song song cùng chiều với từ trường bên ngoài và khoảng 50% các phân tử có Ha song song ngược chiều với từ trường bên ngoài , vì thế 2 hấp thu này có diện tích tích phân gần bằng nhau

Sự tách spin - spin có tính chất hỗ tương (tác động qua lại): nếu

1 proton này tách proton kia thì proton kia cũng sẽ chẻ tách lại proton này Proton Ha xuất hiện là một mũi ba tại δ 5.7 bởi vì có

4 sự hoán vị của các spin của hai proton Hb mà 2 trong số này có cùng từ trường Khi cả hai spin Hb song song cùng chiều với từ trường bên ngoài thì proton Ha bị giảm chắn; khi cả hai spin Hb song song ngược chiều với từ trường bên ngoài thì proton Ha bị chắn; khi hai spin Hb ngược chiều nhau (có hai khả năng kết hợp), chúng triệt tiêu lẫn nhau Hệ quả là có 3 tín hiệu mà tín hiệu ở giữa to gấp đôi hai tín hiệu ở hai bên Tín hiệu to vì tương ứng với 2 kiểu kết hợp spin

[HÌNH 13/35]

QUY TẮC n+1:

Quy tắc n+1: nếu một proton khảo sát có n số proton tương

đương kề bên nó thì proton khảo sát này sẽ cộng hưởng cho tín

hiệu là n+1 mũi trên phổ 1H-NMR Các mũi này có diện tích tương đối theo tỉ lệ của tam giác Pascal như trong bảng 4

Bảng 4: Cường độ tương đối của các mũi đa do sự tách mũi bởi các proton kề bên

Số các

proton Số mũiđa Diện tích tương đối giữa các mũi đa(Tam giác Pascal)

đương

gây

nên sự

tách

bốn)

năm)

sáu)

bảy)

tám)

Sự tách spin - spin có thể tóm tắt trong các quy tắc sau:

* Các proton tương đương về mặt hóa học không tách spin -

spin với nhau Các proton tương đương có thể ở trên cùng một

carbon hoặc trên hai carbon khác nhau, nhưng các tín hiệu của

chúng không tách spin - spin với nhau

Ba proton C-H tương đượng về

mặt hóa học, không có sự tách

spin - spin

Bốn proton C-H tươn đượng về mặt hóa học, không có sự tách spin - spin

* Tuy nhiên, proton gắn trên cùng một carbon cũng có thể ghép

từ với điều kiện 2 proton này không tương đương nhau