Phân tích hữu cơ là một phương pháp của hoá học hữu cơ. Hiện nay hoá học hữu cơ thuần khiết được chia làm hai lĩnh vực chủ yếu: lý thuyết hoá học hữu cơ và phương pháp nghiên cứu hoá học hữu cơ. Phân tích hữu cơ được coi là một phương pháp nghiên cứu của hoá học hữu cơ thì không nên hiểu nó một cách đơn thuần là “kỹ thuật phân tích” mà phải coi nó như là một phương tiện nghiên cứu giúp đi sâu tìm hiểu bản chất cấu tạo của các hợp chất hữu cơ, nắm được những quy luật chi phối những đặc tính lý, hoá, sinh của chúng. Phân tích hữu cơ bản thân nó lại được chia thành hai lĩnh vực khác nhau: phân tích hữu cơ cơ bản và phân tích hữu cơ ứng dụng: Phân tích hữu cơ cơ bản có nhiệm vụ chủ yếu là xác định công thức cấu tạo của một hợp chất hữu cơ. Phân tích hữu cơ ứng dụng rất rộng lớn gắn liền với nhiệm vụ của từng lĩnh vực khoa học và sản xuất tương ứng. Thí dụ: phân tích dầu mỏ, nhựa than đá, hợp chất cao phân tử tự nhiên và tổng hợp, phân tích tinh dầu, phân tích các chất dinh dưỡng (đạm, đường, bột, ...); xác định kiểm tra sản xuất (xác đinh mức độ phản ứng, sản phẩm trung gian, bán thành phẩm và thành phẩm); kiển tra phân tích các khí, nước thải, độ tinh khiết của các hoá chất, ... cũng như điều tra thành phần, trữ lượng các nguồn tài nguyên và phân tích môi trường. Ở đây để giới hạn tính chất, yêu cầu của giáo trình và chuyên đề chúng ta chỉ tập trung vào phân tích hữu cơ cơ bản với những nội dung sau đây: Chuẩn bị chất cho phân tích. Phương pháp xác định công thức cấu tạo một hợp chất hữu cơ. Phân tích nguyên tố trong hợp chất hữu cơ. Phân tích nhóm chức hữu cơ. Phân tích một chất chưa biết. Phân tích một hỗn hợp chất hữu cơ. Tuy vậy, nắm chắc được các hiểu biết và nguyên tắc của phân tích hữu cơ cơ bản kết hợp với sự vận dụng năng động sẽ là cơ sở cho phân tích hữu cơ ứng dụng để giải quyết những vấn đề thực tế đặt ra.
đại học quốc gia hà nội trờng đại học khoa học tự nhiên Nguyễn đức huệ Các phơng pháp phân tích hữu hà nôị 2001 mở đầu Phân tích hữu phơng pháp hoá học hữu Hiện hoá học hữu khiết đợc chia làm hai lĩnh vực chủ yếu: lý thuyết hoá học hữu phơng pháp nghiên cứu hoá học hữu Phân tích hữu đợc coi phơng pháp nghiên cứu hoá học hữu không nên hiểu cách đơn kỹ thuật phân tích mà phải coi nh phơng tiện nghiên cứu giúp sâu tìm hiểu chất cấu tạo hợp chất hữu cơ, nắm đợc quy luật chi phối đặc tính lý, hoá, sinh chúng Phân tích hữu thân lại đợc chia thành hai lĩnh vực khác nhau: phân tích hữu cơ phân tích hữu ứng dụng: - Phân tích hữu cơ có nhiệm vụ chủ yếu xác định công thức cấu tạo hợp chất hữu - Phân tích hữu ứng dụng rộng lớn gắn liền với nhiệm vụ lĩnh vực khoa học sản xuất tơng ứng Thí dụ: phân tích dầu mỏ, nhựa than đá, hợp chất cao phân tử tự nhiên tổng hợp, phân tích tinh dầu, phân tích chất dinh dỡng (đạm, đờng, bột, ); xác định kiểm tra sản xuất (xác đinh mức độ phản ứng, sản phẩm trung gian, bán thành phẩm thành phẩm); kiển tra phân tích khí, nớc thải, độ tinh khiết hoá chất, nh điều tra thành phần, trữ lợng nguồn tài nguyên phân tích môi trờng để giới hạn tính chất, yêu cầu giáo trình chuyên đề tập trung vào phân tích hữu cơ với nội dung sau đây: - Chuẩn bị chất cho phân tích - Phơng pháp xác định công thức cấu tạo hợp chất hữu - Phân tích nguyên tố hợp chất hữu - Phân tích nhóm chức hữu - Phân tích chất cha biết - Phân tích hỗn hợp chất hữu Tuy vậy, nắm đợc hiểu biết nguyên tắc phân tích hữu cơ kết hợp với vận dụng động sở cho phân tích hữu ứng dụng để giải vấn đề thực tế đặt Phân tích hữu có mầm mống từ lâu đời Tuy nhiên, từ hoá học hữu đời kéo theo phát triển phân tích hữu trở thành môn khoa học thực Cách gần hai kỷ (đầu kỷ 19) công trình phân tích định lợng có tính chất khoa học hợp chất hữu lần đợc thực hai nhà bác học Pháp Gay-Lussac (1778 - 1850) Thenard (1777 - 1857) Các ông trộn lợng cân chất phân tích với KClO3 nớc, đóng viên, sấy khô đốt ống đồng kín Hỗn hợp khí O2 + CO2 tạo đốt mẫu đợc thu vào chuông nhúng thuỷ ngân Từ lợng KClO3 lấy lợng khí thu đợc tính đợc hàm lợng C, H chất khảo sát Phơng pháp thô sơ không xác, có ý nghĩa lịch sử Vào năm 1814-1817 Bergielius (1779 - 1848) đề phơng pháp trọng lợng để xác định C, H Chất khảo sát đợc đốt với KClO3 + KCl (KCl có tác dụng làm giảm bớt mãnh liệt phản ứng), nớc sinh đợc hấp thu CaCl2, CO2 đợc thu vào chuông thuỷ tinh có lọ nhỏ đựng KOH để hấp thu CO Dựa vào gia trọng ống CaCl2 lọ chứa KOH tính hàm lợng C, H chất khảo sát Phơng pháp tơng đối hoàn thiện, xác coi Bergielius ngời sáng lập phơng pháp xác định C, H Tiếp theo công trình công trình Liebig (học trò Gay-Lussac) Ông dùng chất oxi hoá CuO dùng KOH dung dịch để hấp thu CO Liebig sáng chế dụng cụ để xác định C, H đợc xác rút ngắn thời gian phân tích Sau Liebig, Dewnstedt dùng chất oxi hoá O2 khí xúc tác Pt Phơng pháp dụng cụ Dewnstedt cho phép xác định đồng thời C, H, S halogen Ngời xác định N Dumas (1800 - 1884) vào năm 1831 Phơng pháp dựa vào việc đốt chất với CuO bầu khí CO dùng Cu kim loại để khử nitơ oxit tạo đến nitơ ngyên tố Thu đo thể tích nitơ nhận đợc tính đợc hàm lợng nitơ chất khảo sát Kjekdahl (1849 - 1900) vào năm 1883 đề phơng pháp xác định N amin cách phân huỷ chất với H2SO4 đặc, N chuyển thành amoni sunfat đới tác dụng kiềm NH3 giải phóng đợc chuẩn độ axit biết đợc lợng nitơ chất khảo sát Carius vào năm 60 kỷ 19 tìm phơng pháp xác định halogen, S, P dựa vào ion hoá chúng dới tác dụng HNO3 đặc dới áp suất cao Các ion vô tạo thành (X-, SO4- -, PO4- - -) đợc xác định phơng pháp phân tích vô biết Lịch sử phát triển phân tích định chức hữu có chậm Sau tìm biết đợc thành phần nguyên tố phân tử khối ta xây dựng đợc công thức phân tử, công thức cấu tạo cha thể biết đợc Chính vào thời điểm việc phân tích nhóm chức liên kết trở nên bách, thiếu đợc phân tích hữu Tác giả xác định nhóm OCH nhà bác học áo Zeisel (1854 - 1933) vào năm 1885 nghiên cứu cấu tạo ancaloit, dựa vào phân hủy hợp chất chứa nhóm OCH với HI tạo CH3I xác định dới dạng AgI nhờ dòng CO2 đuổi CH3I vào dung dịch AgNO3 Hbl (1853 - 1932) ngời xác định nối đôi olefin dựa vào cộng hợp ICl (tạo từ dung dịch rợu HgCl + I2 ICl + HgClI) vào nối đôi Lợng ICl d sau đợc xác định phơng pháp tiosunfat xét mặt quy mô phân tích phơng pháp phân tích hữu ban đầu thờng đòi hỏi lợng cân lớn khoảng từ - 5gam, vừa tốn hoá chất vừa đòi hỏi nhiều thời gian, độ xác Sự kiện kéo dài hàng trăm năm đầu kỷ XX xuất phơng pháp vi lợng cho phép rút nhỏ lợng cân hàng nghìn lần Nhà bác học áo Pregl (1869 - 1930) sáng chế đợc cân vi phân tích lần dùng lợng cân nhỏ từ - 4mg để xác định C, H (1912 - 1916) ông thu đợc kết xác 0,3 % Phơng pháp vi phân tích Pregl đời có ý nghĩa lịch sử lớn lao phân tích hữu cơ, cho phép thực hàng loạt công trình nghiên cứu xuất sắc, đặc biệt lĩnh vực hợp chất tự nhiên (ở nhiều từ hàng nguyên liệu ngời ta điều chế đợc vài chục miligam chất nghiên cứu) ông xứng đáng để nhận giải thởng Nobel vào năm 1923 Khuynh hớng rút nhỏ lợng cân chất phân tích đợc tiếp tục ngày Các danh từ quy mô lợng cân chất phân tích nh phân tích lợng lớn (từ 100 - 200mg đến - 2g), phân tích bán vi lợng (từ 10 15mg đến 100mg), phân tích vi lợng (từ - 10mg), phân tích bán siêu vi lợng (từ 20 30àg đến 1mg), phân tích siêu vi lợng (từ 1àg đến 10 - 20àg),và dới 1ng, 1pg chí 1fg (10-15g) đợc gọi chung phân tích lợng vết, lần lợt xuất Ngày việc định lợng nguyên tố nhóm chức hữu mức độ hoàn thiện cao với nhiều cải tiến phơng pháp đợc tìm ra, đặc biệt ứng dụng phơng pháp vật lý, hoá lý vào phân tích hữu cho khả nhận đợc kết thời gian ngắn nh xác mở nhiều khả cho tự động hoá trình kỹ thuật phân tích mà xét đến giáo trình Chơng Chuẩn bị chất cho phân tích Nh biết để tiến hành nghiên cứu tính chất (lý học, hoá học, sinh học), khảo sát cấu trúc phân tử cần phải có chất tinh khiết Từ nguồn thiên nhiên (động vật, thực vật, khoáng vật) đờng tổng hợp thờng ta hợp chất hữu tinh khiết, mà trớc hết nhận đợc hỗn hợp chất Do đó, cần phải có phơng pháp để phân lập chúng khỏi đối tợng khảo sát, tách chúng thành chất riêng biệt tinh khiết tinh chế loại bỏ tạp chất lẫn theo để thu đợc chất tinh khiết Những phơng pháp đợc trình bày lần lợt dới Để hiểu rõ chất tinh khiết ta cần phải phân biệt hai khái niệm tính đồng chất tinh khiết, chúng có liên quan mật thiết với Nh biết, tiêu chuẩn để đánh giá độ chất rắn dựa vào điểm chảy không đổi, chất lỏng dựa vào điểm sôi không đổi dới điều kiện nh Tuy nhiên ta gặp không trờng hợp hai chất rắn khác tạo đợc tinh thể hỗn hợp có điểm chảy rõ ràng, không đổi kết tinh lại, hai chất lỏng khác tạo đợc hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi không đổi dù cất lại Nh hai chất rắn hai chất lỏng coi chất đồng liên quan tới chất tinh khiết Do vậy, chất tinh khiết phải chất đồng nhất, hay nói cách khác: chất tinh khiết chất đợc cấu thành nên từ loại phân tử Điều thờng thực đợc chất đợc làm đến mức độ có ý nghĩa nhờ biện pháp hay mà ta gọi độ tinh khiết Trong thực hành hoá hữu việc chọn phơng pháp tách tuỳ thuộc vào tính chất hoá học vật lý sản phẩm (chất phân tích) Một hớng dẫn chung, có ích đợc giới thiệu dựa vào trạng thái vật lý nhiệt độ môi trờng mẫu phân tích Đó hệ thống pha (hoặc rắn lỏng, khí thờng gặp) hai pha (rắn/lỏng lỏng/lỏng) - Trong trờng hợp hệ pha rắn: Nếu sản phẩm (chất phân tích) trung tính, không tan nớc, ta sử dụng rửa nớc để loại tạp chất tan nh muối vô Trờng hợp tạp chất rắn không tan, mẫu đợc chiết dung môi thích hợp, lọc, dịch chiết đợc đem rửa nớc (hoặc rửa dung dịch axit loãng kiềm loãng để loại tạp chất bazơ axit), làm khô, đuổi dung môi để thu sản phẩm Chiết liên tục chất rắn (thí dụ, máy Soclet) cần thiết chất phân tích tan nhẹ dung môi hữu thuận tiện dùng Nếu mẫu rắn chứa chất phân tích dạng muối tan nớc (thí dụ muối kim loại kiềm phenol, muối amin) ta axit hoá kiềm hoá dung dịch nớc để giải phóng hợp chất axit hợp chất bazơ dạng tự thu hồi chúng lọc chiết dung môi thích hợp - Trong trờng hợp hệ pha lỏng (chất phân tích lỏng rắn tan dung môi) Bằng cách cất phân đoạn trực tiếp tách đợc sản phẩm (chất phân tích) lỏng, cô đặc làm lạnh sản phẩm rắn Tuy nhiên, phơng pháp thích hợp cả, dù sản phẩm lỏng rắn, phơng pháp chiết axit bazơ Phơng pháp chiết axit bazơ đợc thực trực tiếp sản phẩm dung dịch mà dung môi không trộn lẫn với nớc Khi ta cần biết chất axit bazơ tính tan nớc sản phẩm (chất phân tích) để đảm bảo chắn phân đoạn tơng ứng cần giữ lại để thu hồi sản phẩm Trong trờng hợp sản phẩm dung dịch mà dung môi trộn lẫn đợc với nớc cần phải cất loại hết gần hết dung môi hoà tan lại sản phẩm vào lợng d dung môi không trộn lẫn trớc tiến hành chiết Việc loại dung môi phân đoạn nhận đợc phơng pháp chiết tốt đợc thực máy cất quay - Trờng hợp hệ hai pha rắn/lỏng: Trong trờng hợp ta cần biết sản phẩm quan tâm nằm pha Nếu pha rắn, ta làm lạnh lọc thu sản phẩm Dịch lọc đem cô phơng pháp chiết để đợc hiệu suất sản phẩm cao Nếu sản phẩm quan tâm nằm pha lỏng sau lọc pha rắn, dịch lọc đợc đem xử lí nh hệ pha lỏng Sự lọc trực tiếp pha rắn tạp chất không mong muốn dịch lọc đợc đem xử lí để thu sản phẩm Trờng hợp sản phẩm thu đợc kết tinh có lẫn tạp chất rắn hỗn hợp đợc đun nóng cho chảy lọc nóng - Trờng hợp hệ hai pha lỏng: Đó trờng hợp hai pha lỏng không trộn lẫn vào nhau, ta dễ dàng tách riêng xử lí nh hệ pha lỏng để thu sản phẩm Tất phơng pháp tách sơ cho ta sản phẩm rắn lỏng có độ tinh khiết cao Sự tinh chế chúng thờng thực kết tinh lại thăng hoa chất rắn, cất phân đoạn dới áp suất thờng áp suất thấp chất lỏng chất rắn có điểm chảy thấp dới chân không cao (chng cất phân tử) chất lỏng sôi cao Nếu phơng pháp làm không cho đợc sản phẩm có độ tinh khiết đủ phải dùng đến phơng pháp sắc ký điều chế Sự đánh giá cuối độ tinh khiết chất biết dựa vào việc đo số vật lý đem so sánh với kiện có tài liệu Trong trờng hợp chất độ 10 phải đợc đánh giá xác định cấu trúc phơng pháp sắc ký phổ thích hợp 1.1 Các phơng pháp tách làm chất 1.1.1 Chiết 1.1.1.1 chiết lỏng lỏng Chiết lỏng lỏng kỹ thuật tách đơn giản trung thực Nó thờng đợc sử dụng để làm để tách cấu tử riêng loại cấu tử khỏi mẫu mẹ Mẫu rắn lỏng đợc chiết dung môi hữu thích hợp mẫu nớc dung môi chiết phải không tan nớc Độ phân cực dung môi nằm khoảng rộng từ ankan nh pentan, hexan xiclohexan đến nitrobenzen nbutanol, nh dung môi clo (đặc biệt điclometan, clorofom) thuận lợi cho việc tách Sự lựa chọn dung môi chiết phụ thuộc vào tính tan chất phân tích dung môi vào dễ dàng tách đợc chất cần tách khỏi mẫu Sự làm giàu chất hiệu phơng pháp chiết phụ thuộc vào tỉ số thể tích mẫu dung môi chiết vào hệ số phân bố Tỉ lệ thể tích mẫu/dung môi lấy rộng có ảnh hởng đến độ xác định lợng Hệ số phân bố đợc cải thiện nhờ thay đổi pH mẫu, khử muối sử dụng ion đối v.v Có hai trình chiết lỏng lỏng khác nhau: chiết không liên tục (chiết đoạn) chiết liên tục a- Chiết đoạn: Chiết đoạn đợc thực cách lắc mẫu với dung môi chiết phễu chiết đợc sử dụng trờng hợp có hệ số phân bố lớn bỏ qua mát chất MẫU NƯớC Vnc, mnc Chất phân tích phân bố hai pha lỏng theo hệ số phân bố (xem sơ đồ hình 1.1): Dung môi chiết Vch, mch K= C ch m ch Vnc = ì C nc m nc Vch (1.1) Một phơng trình khác cân khối trớc sau chiết: m ch + m nc = m nc,o (1.2) 11 Hình 1.1- Sơ đồ biểu diễn chiết lỏng lỏng đoạn (chiết đơn) (mnc, o = lợng chất ban đầu có mẫu nớc) Kết hợp phơng trình (1.1) (1.2) cho ta phơng trình biểu thị độ thu hồi trình chiết lỏng lỏng đoạn (đơn): R ch,l l = (V = m ch K V = = m nc,o K + V K+ V Vnc v ch (1.3) tỉ số thể tích) Đối với chiết đoạn lặp mẫu với n thể tích (= V ch) dung môi chiết ta có độ thu hồi là: V R ch = K + V n (1.4) Sự chiết đoạn lặp cho độ thu hồi cao (đại lợng dấu ngoặc vuông nhỏ 1, n lớn Rch tiến gần đến 1), độ làm giàu giảm Từ (1.3) (1.4) ta suy chiết gộp dung môi lần cho hiệu suất chiết thấp so với chia nhỏ lợng dung môi chiết làm nhiều lần Thí dụ: ta lấy K = 3, V = (thể tích mẫu nớc dung môi chiết nhau) theo (1.3) chiết đoạn đơn ta đợc Rch = 0,75 (75%), ta chia nhỏ lợng dung môi làm lần chiết (V = 1/3, n = 3) theo (1.4) chiết đoạn lặp ta đợc Rch = 0,984 (98,4 %) b- Chiết liên tục Quá trình chiết liên tục đợc áp dụng cho trờng hợp có hệ Hình1.2- Sơ đồ biểu diễn chiết liên tục sử dụng thiết bị chiết lỏng lỏng lôi nước số phân bố nhỏ, buộc phải chiết cải tiến (hình 1.3 A) đoạn lặp nhiều lần, nên tốt ta tiến hành chiết liên tục, nh trờng hợp bỏ qua đợc mát chất (chiết phân tích) 12 Trong trình chiết liên tục dòng dung môi chiết chiết liên tục dòng mẫu (xem sơ đồ hình 1.2) thiết bị riêng (hình 1.3): A' H b a H A B K E C E D B a: Dung môi cất từ bình cầu (lắp dư ới) ngưng ống sinh hàn hồi lưu (lắp phía trên) rơi xuống phễu có đầu hở thắt lại vào dung dịch nước (mẫu) chứa ống đựng, sau lên bề mặt quay lại bình cất qua lỗ nhỏ gần miệng ống đựng, trình qua dung môi phần chất tan chiết khỏi mẫu b: Dung môi ngưng từ ống sinh hàn hồi lưu nhỏ giọt xuống phễu qua dung dịch thoát lỗ nhỏ bên đáy ống đựng gắn đoạn ống ngắn quay lại bình cất dung môi K F F C A D B A: Dung dịch mẫu nước đưa vào từ đỉnh ống sịnh hàn từ bình chứa A có khoá vặn để điều chỉnh cấp lượng nhỏ mẫu Hơi dung môi cấp từ bình cất B theo ống F vào ống sinh hàn Dung dịch mẫu sau chiết thải theo ống E Chất chiết nằm lại bầu chứa C B: Trong thiết bị nước ngưng mang chất phân tích chiết dung môi ngưng phần K ống làm lạnh Chất chiết nằm bầu chứa C Trường hợp dùng dung môi nhẹ nước ta đổi vị trí bình chứa mẫu A cho bình chứa dung môi B (thời gian chiết thường phải kéo dài) Hình 1.3: a- Bộ chiết liên tục chất từ dung dịch nước dung môi nhẹ nước b- Bộ chiết liên tục chất từ dung dịch nước dung môi nặng nước A- Bộ chiết liên tục cải tiến từ chiết lỏng lỏng lôi nước B- Bộ chiết lỏng lỏng lôi nước Để đơn giản hoá cho việc xử lí toán học, chiết đợc giả thiết trình trạng thái tĩnh, nồng độ mẫu (= Cnc) vào buồng chiết không đổi nồng độ dung môi chiết (Chch) vào buồng ngng không đáng kể (có thể xem Chch = 0) 13 Quá trình chiết lỏng lỏng liên tục đợc mô tả phơng trình sau: - Cân khối buồng chiết/tách: Fnc C nc = Fch C *ch + Fnc C *nc (1.5) - Hằng số phân bố lỏng lỏng: K= C *ch C*nc (1.6) - Cân khối bình hứng dung môi chiết chảy ra: dC ch F = ch C *ch dt Vch (1.7) với giả thiết cân nhiệt động, trộn toàn pha, l u lợng dòng thể tích không đổi Kết hợp phơng trình (1.5) (1.6) ta có biểu thức để tính C *ch Sau thay vào (1.7) lấy tích phân, lợng chất đợc chiết đợc biểu thị phơng trình sau: C ch Vch = Fch C nc (F = KF t K+F (1.8) Fnc tỉ số lu lợng dòng) Fch Quá trình kéo dài mẫu đợc chuyển toàn vào buồng chiết, nên thời gian: t= Vnc,o (1.9) Fnc trình chiết dừng Độ thu hồi (đợc xác định nh tỉ số lợng cấu tử dịch chiết sau hoàn thành chiết lợng có lúc đầu mẫu nớc) nhận đợc sau kết hợp phơng trình (1.8) (1.9): R ch = C ch Vch K = C nc Vnc,o K + F (1.10) Từ ta thấy giá trị độ thu hồi lí thuyết đợc xác định số phân bố K tỉ số lu lợng dòng F Trong trờng hợp chiết lỏng lỏng thông thờng ta có quan hệ tơng tự (phơng trình 1.3) Rõ ràng giá trị độ thu hồi nhận đợc 14 Khi chất lỏng bốc chất đơn, tốc độ bốc /S gam cm2 giây ( tỉ trọng bão hoà nhiệt độ cho, tốc độ phân tử trung bình S đoạn đờng tự trung bình phân tử cất) Nếu chất lỏng hỗn hợp tốc độ bốc cấu tử thứ i ii/S gam cm2 giây Nh tách cất phân tử phụ thuộc vào đại lợng ii, không giống nh tách nhận đợc cất thông thờng, cân với chất lỏng phụ thuộc vào i Vì tỉ lệ nghịch với bậc hai phân tử khối, độ lớn i nói chung lớn cấu tử có phân tử khối nhỏ nhất, ii lớn thành phần có phân tử khối nhỏ Theo Langmuir tốc độ lí thuyết cất lợng chất cất đợc miêu tả phơng trình: W = 2MRT (1.13) W lợng chất bốc cm2 bề mặt chất lỏng giây, M phân tử khối chất lỏng, R số khí T nhiệt độ tuyệt đối Trong thực tế giá trị W nhận đợc thấp phản hồi lại phần tử bề mặt ngng lạnh Sơ đồ hệ thống cất phân tử đợc trình bày hình 1.9 Hệ thống gồm đơn vị cất A (chẳng hạn nh thuỷ tinh thăng hoa chân không), Hình 1.9- Sơ đồ hệ thống máy cất phân tử ngng lạnh B, áp kế thuỷ ngân thờng C, bơm khuếch tán D, áp kế McLeod G (đo áp suất dới 1mmHg), bẫy ẩm phôtpho oxit E bơm dầu ngợc F Tất chúng đợc nối với ống thuỷ tinh lỗ rộng lắp khít với ống thuỷ tinh tròn bôi sáp Apiezon M Các khoá chân không lỗ rộng H-M đợc đặt vị trí để nối thông tách riêng phần hệ để làm thuận tiện cho việc đo kiểm soát chân không Bình thờng hệ thống (trừ bình cất A) đợc lắp cố định giàn phần hệ thống khoá K M thờng xuyên trì chân không Khi sử dụng, tất khoá vị trí đóng, nối bình cất vào hệ thống; đa bình Đoa đựng Nitơ lỏng hỗn hợp đá khô - axeton vào bao quanh bình bẫy B, nớc làm lạnh vào bơm khuếch tán bao áo lạnh A Mở bơm ng- 34 ợc F khoá M, L, K, H đợc mở để hệ thống đợc hút chân không đến áp suất đạt đợc bơm Dùng áp kế C để theo dõi áp suất nh để kiểm tra độ kín hệ thống khoá M để ý mức thuỷ ngân có giao động lên xuống không Khi bơm ngợc đợc tách khỏi hệ thống cách xoay khoá M, cấp nhiệt cho bơm khuếch tán để đa vào chế độ hoạt động hệ thống đạt đợc áp suất tối thiểu nh áp kế McLeod Khi ta tiến hành đun bếp cách dầu từ từ để cấp nhiệt cho bình cất A thấy mù, đồng thời theo giõi nhiệt độ bếp cách dầu trì mức Trong trình cất xảy ta cần định kì theo giõi số đọc áp kế McLeod Khi kết thúc cất ta ngng cấp nhiệt cho bơm khuếch tán ngăn cách bình cất A đóng khoá H Khi nhiệt độ chất lỏng bơm khuếch tán (dầu Apiezon) bình cất A giảm xuống đáng kể đóng khoá K tắt máy bơm (ngợc) sau nối thông với không khí qua khoá thông ba M Cẩn thận mở khoá thông ba I không khí vào bẫy B, mở khoá H đóng hệ thống cấp nớc Phơng pháp cất lôi nớc tách làm chất hữu dựa vào bốc chất phân tích nhờ sục nớc vào hỗn hợp chất nớc Các chất hữu lỏng rắn tan không tan nớc có áp suất phù hợp (ít - 10mmHg 100 oC) đợc cất với nớc Sự cất lôi nớc xảy nhiệt độ thấp nhiệt độ sôi nớc Điều cho khả tách làm nhiều chất có điểm sôi cao cất nhiệt độ thấp, đặc biệt có giá trị chất bị phân huỷ cất dới áp suất khí Phơng pháp chiết lỏng - lỏng lôi nớc nh đợc đề cập đến phơng pháp kết hợp cất chiết đợc tiến hành thiết bị riêng (hình 1.3 B) thừa hởng u điểm phơng pháp cất lôi nớc phơng pháp chiết dung môi đợc phát triển ứng dụng mạnh mẽ năm gần Các phơng pháp cất giới thiệu đợc trình bày đầy đủ chi tiết sách hớng dẫn thực tập hữu cơ, ngời đọc tham khảo cần thiết 1.1.3 Kết tinh, thăng hoa nóng chảy vùng Các phơng pháp chủ yếu đợc sử dụng để làm chất rắn 1.1.3.1 Kết tinh Việc làm chất rắn kết tinh dựa vào khác tính tan chất quan tâm tạp chất dung môi hệ dung môi chọn Ta gặp hai trờng hợp sau: 1) Chất quan tâm tan tốt dung môi nóng, tan tồi nhiệt độ thờng, tạp chất ngợc lại 35 Trờng hợp ta sử dụng kết tinh nóng để làm chất Lu ý dung môi chọn cho tạo đợc dung dịch bão hoà chất kết tinh nhiệt độ thấp nhiệt độ sôi dung môi (khoảng 10 oC) để thuận tiện cho việc lọc nóng cần thiết 2) Chất quan tâm tan tốt dung môi nhiệt độ thờng, tan tồi nhiệt độ nóng, tạp chất ngợc lại Trờng hợp ta sử dụng kết tinh lạnh nhiệt độ thấp (-10 đến 40 0C) để làm chất Kết tinh lạnh tinh chế chất lỏng Trờng hợp ta kết tinh nóng để làm chất cách thêm dung môi thứ hai tan đợc với dung môi đầu, nhng hầu nh không hoà tan chất kết tinh nhiệt độ thờng, theo tỉ lệ thích hợp (đến vẩn đục) để chuyển hệ tơng tự nh trờng hợp đầu Việc sử dụng hỗn hợp dung môi để kết tinh đợc áp dụng để làm chất bền nhiệt (chuẩn bị dung dịch bão hoà lạnh chất kết tinh thêm chậm hỗn hợp dung môi vào xuất vẩn đục) Trong số trờng hợp đặc biệt, chẳng hạn chất bị phân huỷ bị biến đổi cấu trúc tiếp xúc với không khí, việc kết tinh chúng đợc tiến hành bầu khí trơ (nitơ, heli, ) Trong phơng pháp làm chất kết tinh việc lựa chọn hệ dung môi (đơn hỗn hợp) thích hợp, tạp chất thờng có mặt với lợng nhỏ, đuổi khỏi dung dịch kết tinh xử lí với chất hấp phụ nh than hoạt tính, đất chịu lửa, silicagen Cần lu ý tốc độ kết tinh (phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian kết tinh) có ý nghĩa lớn Kết tinh nhanh tinh thể bé khó lọc hấp phụ nhiều chất bẩn, kết tinh chậm tinh thể to dễ lọc Để thu đợc chất tinh khiết trình kết tinh thờng phải lặp lại nhiều lần, tốt dung môi khác Phơng pháp làm chất phơng pháp kết tinh không áp dụng đợc chất quan tâm tạo đợc tinh thể trỗn lẫn với tạp chất 1.1.3.2 Thăng hoa Trong thăng hoa chất đợc chuyển hoá từ pha rắn sang pha rắn khác trực tiếp bốc mà không đòi hỏi phải qua pha lỏng theo sơ đồ chung: Rắn -> -> rắn Về lí thuyết hợp chất hữu rắn cất áp suất thờng chân không mà không bị phân huỷ thăng hoa đợc Điều kiện để chất rắn 36 thăng hoa áp suất phải đạt tới áp suất môi trờng nhiệt độ thấp nhiệt độ nóng chảy Do chất có áp suất đủ cao nhiệt độ nóng chảy chúng thăng hoa xảy dới áp suất khí quyển, chất có áp suất thấp nhiệt độ nóng chảy chúng thăng hoa xảy d ới áp suất giảm(10-3 đến 10-6mmHg) Trong trình thăng hoa chất rắn đợc đun nóng cho bốc đợc ngng trở lại thành chất rắn bề mặt lạnh Các tạp chất phải chất có áp suất khác với chất quan tâm để chúng đợc loại lúc thăng hoa ban đầu nằm lại phần cặn Nhiệt độ cần thiết để tiến hành thăng hoa chất có điểm chảy 40 - 100 0C 100C thấp điểm chảy, chẩt có điểm chảy 100 - 200 0C 50 - 800C thấp điểm chảy, chất nóng chảy cao 2000C từ 100 - 1500C thấp điểm chảy Phơng pháp thăng hoa đợc sử dụng để tách chất số trờng hợp, đặc biệt thăng hoa chân không Phơng pháp thăng hoa thờng cho sản phẩm tinh khiết thuận lợi công việc điều chế vi lợng 1.1.3.3 Nóng chảy vùng Kĩ thuật nóng chảy vùng cung cấp phơng pháp tách làm chất bị mát, sử dụng kết tinh nóng chảy xen Chất cần làm đợc đa lên thỏi đợc đặt vào ống, có vùng đợc đốt nóng làm lạnh luân phiên Những vùng nhỏ nóng chảy phân cách với vùng khác theo khoảng cách định Các vùng nóng chảy đợc dịch chuyển dọc theo thanh, mang theo tạp chất có điểm chảy thấp điểm chảy sản phẩm chính, sản phẩm kết tinh tạp chất lỏng chảy khỏi vùng kết tinh đặc lại đạt tới đầu Những tạp chất có điểm chảy cao điểm chảy sản phẩm đợc tập trung đầu (đầu xuất phát) Kết sản phẩm đợc làm tìm thấy phần Trong thực hành phơng pháp đợc xem nh kết tinh lặp lại nhiều lần liên tục Phơng pháp nóng chảy vùng không sử dụng đợc với chất có khuynh hớng tạo hỗn hợp nóng chảy chậm đông chất không bền nhiệt độ nóng chảy 1.1.4 Các phơng pháp sắc kí Trong số phơng pháp tách làm chất, phơng pháp sắc kí coi hiệu lực cả, cho phép tách đợc hỗn hợp phức tạp gồm hàng chục, chí hàng trăm cấu tử 37 Sắc kí trình tách phụ thuộc vào phân bố khác cấu tử hỗn hợp pha động thể tích pha tĩnh phim mỏng Pha tĩnh dạng cột nhồi (sắc kí cột) qua pha động qua, dạng lớp mỏng bám dính vật liệu đế phẳng (sắc kí lớp mỏng), pha động chuyển dịch nhờ lực mao dẫn Pha tĩnh phim mỏng lỏng rắn, pha động lỏng khí Tuỳ chất kết hợp pha tạo kĩ thuật sắc kí chủ yếu có ứng dụng chung Trong sắc kí hấp phụ pha động thờng lỏng pha tĩnh thờng chất hấp phụ rắn nghiền mịn (sắc kí lỏng rắn) Sự tách phụ thuộc vào hấp phụ chọn lọc cấu tử hỗn hợp bề mặt chất rắn Sự tách dựa vào trình sắc kí khí-rắn có ứng dụng hạn chế hỗn hợp hữu Trong sắc kí phân bố pha tĩnh màng mỏng chất lỏng phủ bề mặt chất mang rắn trơ pha động lỏng (sắc kí phân bố lỏng) khí (sắc kí phân bố khí-lỏng) Sự tách phụ thuộc chủ yếu vào phân bố chất hai pha Trong sắc kí trao đổi ion pha tĩnh rắn nhựa trao đổi ion pha động dung dịch nớc chứa muối, chất đệm, axit, bazơ, dung môi hữu cơ, v.v Sự tách trao đổi ion hỗn hợp mẫu ion đối (ion trao đổi) pha tĩnh, lực tĩnh điện giữ vai trò chủ yếu Ngoài trình hấp phụ, phân bố, trao đổi ion trên, tách sắc kí dựa vào khác kích thớc phân tử (sắc kí thẩm thấu qua gel, sắc kí rây) Trong kĩ thuật vật liệu gel với kích thớc lỗ khác đợc sử dụng làm pha tĩnh tách đạt đợc qua khuyếch tán khác vào lỗ gel, phân tử có kích thớc không đủ lớn (nhỏ kích thớc lỗ gel) đợc loại trừ hoàn toàn Các phơng pháp sắc kí đợc sử dụng để tách làm chất, nh để kiểm tra bổ sung độ tinh khiết chất, bên cạnh việc so sánh số vật lí kiện phổ trích dẫn từ tài liệu Với mục đích tách làm chất (sắc kí điều chế) có ý nghĩa phơng pháp sắc kí cột (sắc kí khí, sắc kí lỏng - rắn, sắc kí phân bố lỏng - lỏng dới điều kiện áp suất thờng áp suất cao) Đối với phơng pháp sắc kí khí điều chế để thu phân đoạn chất từ cột sắc kí khí ngời ta đặt đâù cột detectơ thiết bị chia dòng, thiết bị chia phần lớn dòng rửa giải cho vào bẫy lạnh, cấu tử riêng biệt ngng lại Đối với sắc kí cột lỏng rắn sắc kí cột phân bố lỏng lỏng, ta sử dụng thiết bị máy sắc kí việc thu phân đoạn chất từ cột sắc kí đợc tiến hành thiết bị chia dòng tựa nh Trờng hợp sử dụng cột thông thờng ta thu đợc phân đoạn cấu tử riêng biệt vào bình hứng khác cô đuổi dung môi để thu hồi chất tinh khiết Nếu chất quan tâm có màu bị huỳnh quang mạnh dới tia tử ngoại vị trí cột phân đoạn rửa 38 giải thu đợc dễ dàng quan sát mắt Nếu chất màu thờng đợc xác định số phơng pháp sau: Với điều kiện pha động dung môi hữu tơng đối dễ dàng bay hơi, phơng pháp đơn giản để đánh giá tách sắc kí thu dịch rửa giải thành dãy phân đoạn tích cho bốc phân đoạn tới khô (trong máy cất quay dới áp suất giảm) cân cặn nhận đợc Sau xây dựng đồ thị khối lợng số phân đoạn cho pic sắc kí; toàn khối lợng đợc rửa giải từ cột thời gian luôn phải đợc đem so sánh với lợng hỗn hợp đa vào cột để cung cấp dẫn độ thu hồi chất đa vào Tính đồng cặn đợc kiểm tra sắc kí lớp mỏng Mỗi phân đoạn riêng biệt thu đợc kiểm tra trực tiếp sắc kí lớp mỏng (sử dụng số thuốc thử phát không chọn lọc, nh iôt) Ngoài ta sử dụng phơng pháp đo phổ tử ngoại, đo độ hoạt động quang học, v.v dùng thuốc thử tạo màu để phát phân đoạn rửa giải Về sở lí thuyết mô tả đầy đủ phơng pháp sắc kí xem chơng cuối giáo trình (phân tích hỗn hợp chất hữu cơ) 1.2 Xác định độ chất Để xác định độ đồng (độ sạch) chất ngời ta dựa vào tiêu chuẩn vật lý: điểm chảy điểm chảy hỗn hợp, điểm sôi, tỉ trọng, chiết xuất, khúc xạ phân tử, phân tử khối, độ quay cực; phổ hồng ngoại phổ tử ngoại, phổ CHTHN, phổ khối, phổ rengen với kết sắc kí Tuy nhiên thực tế ngời ta xác định độ chất cách đo vài thông số thích hợp (chất rắn điểm chảy, chất lỏng điểm sôi chiết xuất), vài kiện phổ (thờng phổ hồng ngoại) trờng hợp hạn hữu (có nghi vấn) sử dụng phơng pháp sắc kí (sắc kí lớp mỏng thuận lợi cho kiểm tra chất rắn, sắc kí khí cho chất lỏng rắn bay hơi) 1.2.1 Xác định số vật lí 1.2.1.1 Xác định điểm chảy điểm chảy hỗn hợp Phơng pháp đo điểm chảy đợc ứng dụng để kiểm tra độ chất rắn Nói chung chất hữu tinh khiết có điểm chảy xác định rõ ràng (sự khác nhiệt độ sụt tinh thể đợc quan sát thấy nhiệt độ mẫu chảy hoàn toàn không vợt khoảng 0,5oC) Nếu có lẫn lợng nhỏ tạp chất trộn lẫn trộn lẫn phần làm tăng khoảng cách bắt đầu chảy xảy nhiệt độ thấp 39 nhiệt độ chảy chất tinh khiết Các hỗn hợp ơtecti có điểm chảy rõ, nét, nhng điểm chảy bị thay đổi kết tinh phân đoạn dung môi thích hợp Trờng hợp đơn giản để xác định điểm chảy ngời ta sử dụng phơng pháp mao quản với bình đốt nóng lỏng (dầu parafin, dầu silicon, axit sunfuric hỗn hợp với muối khác đợc dùng) Điều cần ý để đảm bảo độ xác phải đảm bảo toàn khối chất lỏng đợc nóng lên (khuấy) gần điểm nóng chảy phải đun nóng chậm (một phút nhiệt độ tăng lên - 2oC) Phơng pháp mao quản cho phép xác định điểm chảy với độ xác 0,5 - 1oC Cần ý chất nóng chảy khoảng >150 oC phần nhiệt kế lạnh so với phần dới cần phải đa vào đại lợng bổ đợc tính gần theo công thức sau: o C = 0.000154N(t t ) (1.14) đây: 0, 000154 khác hệ số giãn nở thuỷ tinh thuỷ ngân t1- nhiệt độ đọc đợc nhiệt kế thứ (đo nhiệt độ nóng chảy) t2- nhiệt độ trung bình đọc đợc nhiệt kế thứ hai (đo nhiệt độ bổ chính) Bầu thuỷ ngân nhiệt kế nằm cột thuỷ ngân nhiệt kế thứ kể từ mức chất lỏng bình đến mức thủy ngân nhiệt kế thứ tơng ứng với nhiệt độ t1 đọc đợc N- chiều cao cột thủy ngân nhiệt kế thứ kể từ mức chất lỏng bình đến mức thủy ngân nhiệt kế ứng với nhiệt độ t1; chiều cao N đo độ Phơng pháp mao quản với việc sử dụng hỗn hợp làm lạnh (axeton metanol với đá khô) nhiệt kế rợu toluen đợc dùng để xác đinh điểm chảy chất có điểm chảy thấp nhiệt độ phòng (tới 50oC) Ngoài dụng cụ đơn giản ngời ta dùng dụng cụ đốt điện block Marken, máy xác định điểm chảy dới kính hiển vi Kofler v.v để đo điểm chảy đợc nhanh xác Phơng pháp xác định điểm chảy hỗn hợp nhằm để kiểm tra độ chất phân tích Nếu điểm chảy hỗn hợp thấp cao (chất thêm vào tạo đợc dung dịch rắn với chất phân tích) điểm chảy chất tinh khiết thành phần chất phân tích xem nh bẩn, trùng chất phân tích đợc xem 1.2.1.2 Xác định điểm sôi Để xác định điểm sôi ngời ta dùng cất vi lợng đọc nhiệt độ nhiệt kế đạt đến nhiệt độ không đổi Trờng hợp chất nhiều sử dụng 40 phơng pháp mao quản nh xác định điểm chảy Chất đợc cho vào ống thuỷ tinh nhỏ đầu hàn kín có đờng kính 2-3mm Để tránh tợng sôi trào ngời ta dùng lợng chất (độ vài giọt chất lỏng) thêm viên đá bọt nhỏ Kẹp ống chất vào nhiệt kế nhúng vào bình đốt nóng lỏng Đốt bình bọt khí từ chất lỏng liên tục lên đọc lấy nhiệt độ Phơng pháp cho phép xác định với độ xác 1-2oC Lu ý việc xác định điểm sôi phơng pháp cất phòng thí nghiệm áp suất khí bị dao động (không phải áp suất chuẩn 760mmHg), nên sau cất chất phân tích cần cất chất chuẩn kiểm tra có cấu tạo điểm sôi gần với chất phân tích Trên sở khác điểm sôi chất chuẩn điều kiện chuẩn điều kiện thí nghiệm ta hiệu chỉnh điểm sôi chất phân tích (thí dụ, điểm sôi chất phân tích hidrocacbon thơm xác định đợc 84,5oC; điểm sôi benzen đợc chọn làm chất chuẩn điều kiện 79,5 oC; điểm sôi benzen 760mmHg 80, 1oC, điểm sôi chất phân tích điều kiện cho 84,5 o + 0,6o = 85,1oC) Với phơng pháp xác định điểm sôi xác đến 0,1 - 0,5oC Nói chung để xác định xác điểm sôi chất nghiên cứu phải xác định áp suất xác định điểm sôi chất chuẩn biết với độ xác đến 0,01 oC nhỏ Hiện ta xác định đợc nhiệt độ cân lỏng với độ xác đến 0,001oC 1.2.1.3 Xác định tỉ trọng Thông thờng khối lợng riêng đợc biểu thị theo gam mL (cm3): m d = V (g/mL) (1.15) a- Dùng tỉ trọng kế cân (picnomét) Nếu khối lợng tỉ trọng kế rỗng P, đổ đầy nớc P1 đổ đầy chất lỏng nghiên cứu P2, tỉ trọng chất lỏng nhiệt độ đợc tính theo công thức sau: o d tt o = P2 P P1 P (1.16) Thờng việc xác định đợc tiến hành 20o/20o (hoặc 25o/25o) Để xác định tỉ o o trọngcủa chất lỏng 4oC không gian không khí ta chuyển d tt d 420 , o tính theo công thức sau: o d 20 = 4o m ( Q ) + W 41 (1.17) o m khối lợng chất lỏng w khối lợng nớc không khí 20oC Q khối lợng riêng nớc 20oC = 0,99827 g/cm3 khối lợng riêng trung bình không khí 20oC = 0,00120 g/cm3 Do đó: o d 20 = 4o m ( 0.99707 ) + 0.00120 W (1.18) Nh tất lần xác định tỉ trọng ta cần biết khối lợng chất lỏng đổ đầy tỉ trọng kế b- Dùng tỉ trọng kế đo trực tiếp (aeromet) Tỉ trọng kế loại gồm dãy aeromet có chia độ phần ống thuỷ tinh bầu dới có chứa bi chì Mỗi aeromet nh có khoảng trọng lợng xác định Trờng hợp chất hoàn toàn cha biết tỉ trọng ta thả lần lợt aeromet có trọng lợng tăng dần vào chất lỏng Phơng pháp xác định nhanh nhng không xác cách cân đòi hỏi phải có lợng lớn chất lỏng c- Dùng tỉ trọng kế so sánh (gravitomet) Nguyên tắc làm việc phơng pháp dựa vào tỉ trọng hai chất lỏng tỉ lệ nghịch với chiều cao cột chất lỏng điều kiện thực nh nhau: d1 h = d2 h1 (1.19) o d1 tỉ trọng chất biết dùng để so sánh (để đo tỉ trọng khoảng d 420 = o 0,6 - 2,0 thờng dùng etylbenzen làm chất chuẩn) d2 tỉ trọng chất lỏng cần phải đo h1 h2 chiều cao đo đợc thực nghiệm d- Xác định tỉ trọng chất rắn Đôi ta cần xác định tỉ trọng chất hữu rắn, chẳng hạn cần nghiên cứu cấu trúc tinh thể chúng Tỉ trọng chất rắn đợc xác định phơng pháp cân Phơng pháp dựa vào tạo cân huyền phù chất rắn chất lỏng, nghĩa chất rắn không hẳn lên bề mặt không chìm hẳn xuống đáy, nh tỉ trọng tỉ trọng chất lỏng 42 Trong thực hành ngời ta chuẩn bị hỗn hợp chất lỏng hai cấu tử từ chất sau: bromofom, cacbon tetraclorua, benzen, nitrobenzen, nh dung dịch nớc bari iođua thuỷ ngân iođua (trong trờng hợp sau nhận đợc tỉ trọng cao tới 3,6 g/mL) Cho tinh thể mịn chất rắn hỗn hợp lỏng hai cấu tử vào ống nghiệm quay li tâm (2000 - 4000 vòng/phút) phút Nếu tinh thể chìm xuống đáy thêm thành phần lỏng nặng hơn; tinh thể lên mặt thêm thành phần lỏng nhẹ Sự điều chỉnh đợc lặp lại ngừng hoàn toàn trộn hạt li tâm (thiết lập đợc cân huyền phù), sau tiến hành xác định tỉ trọng chất lỏng biết đợc tỉ trọng chất rắn 1.2.1.4 Xác định số khúc xạ khúc xạ phân tử Chỉ số khúc xạ thờng tiêu chuẩn tốt để kiểm tra độ chất lỏng nhiệt độ sôi Chỉ số khúc xạ đợc sử dụng để nghiên cứu cấu trúc phân tử moment lỡng cực Để đo số khúc xạ ngời ta thờng dùng khúc xạ kế Abbe với ánh sáng o đơn sắc vạch D natri (5893 ), số khúc xạ đợc kí hiệu n Dt , nhiệt độ chất lỏng đo, thờng đo 20oC Để tính biến đổi số khúc xạ với nhiệt độ chất lỏng hữu sử dụng giá trị trung bình dn/dt = -4,5.10 -4 vùng từ 15 25oC Để thật bảo đảm sau đo số vật lí d, n, M ngời ta xác định đại lợng khúc xạ phân tử để kiểm tra độ chất: n M M D = n + d (1.20) 1.2.1.5 Xác định độ quay cực Đối với chất quang hoạt ngời ta kiểm tra độ cách đo độ quay cực a) Đối với chất nguyên, độ quay cực đợc tính theo công thức: [ ] Dt o = ld (1.21) - độ quay cực quan sát đợc l chiều dài cột chất lỏng tính theo dm d Khối lợng riêng chất lỏng nhiệt độ t b) Đối với dung dịch: 43 [ ] Dt o = 100 100 = lc lpd (1.22) c số gam chất tan 100 mL dung dịch p số gam chất tan 100 g dung dịch d) Độ quay cực phân tử: [ M] to D = [ ] [ ] Dt ì M o to D = 100 = lc(mol/100mL) (1.23) M phân tử khối chất Để đo độ quay cực thuận tiện xác ngời ta sử dụng thiết bị đo quang đại (thí dụ Perkin Elmer Model 141) đo độ quay cực vài miligam mẫu với độ xác 0,001o Ngời ta đo độ dài sóng tia D natri số hai mơi bớc sóng thuỷ ngân 1.2.1.6 Xác định phân tử khối a- Xác định phơng pháp hoá học: Phơng pháp hoá học đợc ứng dụng chủ yếu để xác định phân tử khối axit bazơ dựa vào phản ứng trung hoà Thí dụ, xác định M axit trung hoà với kiềm: M ax = S 1000 x aN (1.24) S lợng cân chất (g); a số mL kiềm tiêu tốn, N nồng độ kiềm; x số basic axit = 1, 2, 3, v.v Ngoài axit bazơ, chất lại tốt sử dụng phơng pháp hoá lí vật lí b- Các phơng pháp hoá lí vật lí - Phơng pháp nghiệm sôi: Cơ sở phơng pháp đo khác nhiệt độ sôi dung môi dung dịch chất nghiên cứu dung môi Nếu S gam chất nghiên cứu có phân tử khối M hoà tan vào R gam dung môi đo đợc tăng nhiệt độ t thì: M = K 1000S R t (1.25) K số nghiệm sôi dung môi tính theo phơng trình: 44 K= 0,02T q (1.26) T nhiệt độ sôi tuyệt đối dung môi, q nhiệt bốc dung môi Phơng pháp có u điểm so với phơng pháp nghiệm lạnh dễ chọn dung môi thích hợp - Phơng pháp nghiệm lạnh: Cơ sở sủa phơng pháp đo hạ nhiệt độ nóng chảy dung môi gây hoà tan chất nghiên cứu Để tính M dùng công thức (1.25), nhng với khác t độ hạ nhiệt độ nóng chảy, K số nghiệm lạnh dung môi Ưu điểm phơng pháp so với phơng pháp nghiệm sôi biến đổi áp suất ảnh hởng đến kết xác định Đặc biệt phơng pháp thuận lợi chất mà dung dịch đun nóng đợc có phân huỷ phân tử Độ xác phơng pháp khoảng từ - 5% - Xác định theo phơng pháp thể tích khí: Theo định luật Avogadro điều kiện áp suất nhiệt độ thể tích khí khác có chứa số phân tử Từ ta thấy tỉ trọng có tỉ lệ với khối lợng thể tích khí khí nh với phân tử khối chúng: d M = Mo (1.27) Nếu tỉ trọng phân tử khối chất tính tỉ trọng phân tử khối hidro, công thức có dạng: dH = M M = 2d H (1.28) dH tỉ trọng chất so với H Để biểu thị tỉ trọng chất nghiên cứu không khí (d kk) tỉ trọng dH phải nhân với 14, 47 nhận đợc: M = 14.47 d KK = 28.94d KK (1.29) Vì có khả chuyển chất nghiên cứu thành trạng thái mà phân huỷ tìm M theo phơng pháp cho bốc lợng chất biết trớc xác định thể tích tạo thành - Phơng pháp phổ khối: 45 Phân tích phổ khối hợp chất hữu dựa vào ion hoá chất áp suất 10-6 mmHg (chẳng hạn va đập electron có lợng 50 - 100eV) Khi phân tử bị phá vỡ thành ion tích điện Dựa vào khối phổ đồ xác định đợc phân tử khối ion phân tử (ion nặng nhận đợc electron bị bật khỏi phân tử ban đầu) ion phân tử proton hoá (nhận đợc proton phân tử trung hoà tách sát nhập vào ion phân tử) Trong trờng hợp sau phần tử tích điện có khối lợng lớn khối lợng phân tử thực đơn vị (M+1) từ dễ dàng xác định đợc phân tử khối chất nghiên cứu, sau trừ đơn vị Phơng pháp phổ khối cho phép xác định phân tử khối hợp chất có áp suất cao 0,1mmHg 350oC với độ xác cao Tuỳ thuộc vào độ phân giải thiết bị xác định phân tử khối với độ xác phần triệu Trong số trờng hợp sử dụng phân tử khối xác kết hợp với cờng độ vạch phổ dể dự đoán công thức phân tử chất khảo sát Đối với hợp chất cao phân tử (polyme) phơng pháp xác định phân tử khối nêu không ứng dụng đợc ngời ta phải sử dụng phơng pháp riêng: - Phơng pháp thẩm thấu: áp suất thẩm thấu dung dịch cao phân tử loãng đợc xác định theo phơng trình sau: c = Hình 1.10- Sơ đồ biểu thị phụ thuộc vào C RT + bc M (1.30) c nồng độ chất tan; M phân tử khối; R số khí; T nhiệt độ tuyệt đối; b số phụ thuộc vào chất dung môi Ngời ta đo áp suất thẩm thấu nồng độ khác xây dựng đồ thị /c c, nội suy đờng thẳng biểu diễn cho cắt trục tung Đoạn cắt trục tung tơng ứng với RT , b = tg (hình 1.10) Từ ta tính đợc phân tử khối hợp chất cao M phân tử - Phơng pháp sa lắng siêu li tâm: 46 Khi tạo trờng lực hấp dẫn dọc theo ống nghiệm chứa dung dịch (hoặc nhũ) cao phân tử gây sa lắng phân tử theo hớng trờng Qua thời gian sa lắng đạt tới cân ta có phơng trình liên hệ phân tử khối M chất tan khoảng cách x1 x2 trục quay nồng độ c1, c2 chúng nh sau: M = 2RTln c2 c1 (1 V ) x 22 x12 ( ) (1.31) V- thể tích riêng phần chất tan, - tỉ trọng dung môi, - tốc độ góc Tốc độ sa lắng đợc xác định cách đo khoảng cách vùng chuyển động chất tan trục quay qua thời gian khác nhau, phân tử khối đợc xác định theo phơng trình sau: M= RTS D (1 V ) (1.32) S số sa lắng = dx ; D số khuấch dt x tán, tìm đợc dựa vào biến đổi nồng độ chất tan khuếch tán ống để yên, quan sát thấy đợc giới hạn phân chia dung dịch dung môi Tóm lại xác định Hình 1.11- Sơ đồ biểu thị phụ thuộc vào C phân tử khối dựa vào cân sa lắng, tốc độ sa lắng sau thực nghiệm xác định đợc giá trị S, D, v.v - Phơng pháp khuếch tán ánh sáng Độ khuếch tán ánh sáng sau qua dung dịch () liên hệ với phân tử khối (M) chất tan nh sau: H B= c = + 2Bc M (1.33) b ; b số tính độ lệch so với dung dịch lí tởng; c nồng độ chất tan; RT H- đại lợng tính phụ thuộcbiến đổi nồng độ vào số khúc xạ dung dịch Khối lợng phân tử đợc tìm theo phơng pháp đồ thị (hình 1.11) 47 - Phơng pháp đo độ nhớt Phơng pháp ứng dụng cho cao phân tử thẳng Độ nhớt dung dịch cao phân tử phân tử khối đợc liên hệ phơng trình thực nghiệm sau: = K m Mc - độ nhớt riêng = (1.34) o (- độ nhớt dung dịch, o- độ nhớt dung môi); Km o số phụ thuộc vào chất chất tan, dung môi nhiệt độ; c nồng độ chất tan 1.2.2 Kiểm tra độ phơng pháp phổ Các phơng pháp phổ sóng điện từ (tử ngoại, hồng ngoại, khuếch tán ánh sáng tổ hợp, cộng hởng từ hạt nhân) phổ khối, tất chúng mức độ khác đợc sử dụng nh phơng pháp so dấu vân tay để xác định độ đồng (độ sạch) chất Đặc biệt sử dụng rộng rãi cho mục đích quang phổ hồng ngoại Để vận dụng phơng pháp phổ vào việc nhận biết giải thích cấu trúc hợp chất hữu ngời đọc phải nắm đợc nguyên tắc tất phơng pháp phổ thông qua giáo trình sở chuyên đề bậc đại học Trong chơng sau đề cập ngắn gọn nguyên tắc giải thích phổ nhằm mục đích ứng dụng cho phân tích hữu 48 [...]... 3) Các chất hấp lu pha ngợc là pha tĩnh không phân cực, khi cho mẫu phân tích phân cực chảy qua sẽ giữ lại các chất phân tích không phân cực và cho các chất phân tích phân cực chảy qua cột Nhờ vậy, các chất hấp lu pha ngợc đợc dùng để chiết các chất phân tích không phân cực và phân cực vừa từ các mẫu nớc Các chất hấp lu pha thờng (silicagen không biến tính) là pha tĩnh phâncực, khi cho mẫu phân tích. .. cho mẫu phân tích không phân cực chảy qua sẽ giữ lại các chất phân tích phân cực và cho các chất phân tích không phân cực chảy qua cột Nhờ vậy các chất hấp lu pha thờng đợc dùng để chiết các chất phân tích phân cực vừa và phân cực từ các mẫu không nớc Các chất hấp lu là những chất hấp phụ nhờ sự có mặt các nhóm chức trên chính chất hấp phụ nên đợc sử dụng trong những điều kiện nh các chất hấp lu pha thờng... trao đổi ion cho phép tách các chất phân tích ion từ các mẫu nớc và không nớc (phân cực và không phân cực) Cũng cần nói thêm về chất hấp lu ion cặp đôi Đó là pha tĩnh không phân cực Mẫu phân tích phân cực chứa các chất phân tích ion hoá đợc, khi thêm ion đối vào dung dịch mẫu sẽ tạo ra ion cặp đôi với ion phân tích và chất phân tích bây giờ trở thành trung hoà điện tích (không phân cực) đợc giữ lại trên... phép chiết các chất phân tích phân cực từ các mẫu không phân cực Các chất hấp lu là nhựa trao đổi ion đợc sử dụng hoặc là hệ pha thờng hoặc là hệ pha ngợc (trộn lẫn), các chất phân tích là ion tích điện ngợc dấu với ion trên nhựa trao đổi đợc giữ lại trong cột Các dung môi hữu cơ hoặc dung dịch chứa các ion đối có ái lực ion mạnh hơn đợc sử dụng để rửa giải chất phân tích quan tâm ra khỏi cột Các chất... trung chất phân tích từ những dung dịch rất loãng (lợng vết) Sự làm giàu lợng vết đặc biệt có lợi khi nồng độ chất phân tích nằm dới giới hạn xác định của phơng pháp Phân đoạn các cấu tử: Khi này ngời ta sử dụng kĩ thuật chơng trình từng bớc các dung môi rửa giải có lực khác nhau để rửa giải các hợp chất có độ phân cực khác nhau ra thành các phân đoạn Sự phân đoạn có lợi khi ta muốn phân tích những... rửa giải chất phân tích đóng một vai trò quan trọng, dựa trên nguyên tắc dung môi rửa giải phải làm yếu phản ứng giữa chất phân tích và chất hấp lu và sự phân bố của chất phân tích trong khắp dung môi rửa giải đợc xảy ra Để lựa chọn 19 đợc một dung môi nh thế cần phải biết đầy đủ cả về chất phân tích và những thông tin liên quan đến cấu trúc, tính tan, độ phân cực và các tính chất phân bố Các dung môi... (tan trong nước) HCl R NH3+Cl- bazơ hữu cơ (không tan trong nước) + H 2O axit liên hợp (tan trong nước) OOCtâm tạo R liên kết điệnChất ở giai đoạn đầu, chất phân tích quan ho phân với b tích mặt chất nhồi (axit cacboxylic phân li, pH bazơ) + (chất phân Bề tích mặt tích điện thayNthế ion đối tích điện cùng dấu trên chất nhồi) - ởLC giai SAX đoan tiếp theo,Clchất phân tích đợc rửa giải khỏi cột nhờ thêm... phiến mỏng cacbon; những chất phân tích thơm có thể bị giữ chặt trên cacbon bởi tơng tác này (chỉ sử dụng hỗn hợp điclometan: metanol (80:20) mới rửa giải đợc tốt) Các công trình nghiên cứu chỉ ra rằng việc phân tích các hợp chất môi trờng quan trọng nh là các phenol, các thuốc bảo vệ thực vật phân cực và không phân cực đạt kết quả phù hợp với các chất hấp lu Carboxen có diện tích bề mặt trên 1000m 2/g... (hoạt hoá các phối tử), rửa các chất cản trở và pha mẫu phân tích cũng có ý nghĩa nhất định - Đối với sắc kí pha ngợc (LC-18, LC-8, LC-2, LC-Ph, LC-NC) ứng dụng để chiết các chất không phân cực đến phân cực vừa, nguyên tắc chung lựa chọn dung môi rửa giải là sử dụng dãy dung môi có độ phân cực giảm dần (xem bảng 1.2): các cấu tử quan tâm bị lu giữ yếu rửa giải bằng dung môi ítChất phân cực, các cấu tử... trộn lẫn vào 15 nhau (gần với sắc kí phân bố lỏng lỏng trên cột) Trong phân tích các chất a dầu (kị nớc) ở trong các mẫu phức tạp nh các dịch cơ thể, các mẫu môi trờng, phân tích tồn lợng việc chuẩn bị mẫu bằng phơng pháp chiết thông thờng (dùng phễu chiết) thờng gặp những điều bất lợi: sự hình thành nhũ, sự tách pha tồi, tiêu tốn nhiều dung môi và thời gian Phơng pháp chiết lỏng lỏng trên cột trong