PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHỔ KHỐI LƯỢNG MS

LỜI NÓI ĐẦU3CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ41, Phương pháp quang phổ42, Phương pháp chung4PHỔ KHỐI LƯỢNG61, Đặt vấn đề62, Nguyên tắc phương pháp MS63, Máy khối phổ7a, Nguyên lý chung7b, Thiết bị9c, Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động16PHỔ KHỐI LƯỢNG CỦA MỘT SỐ CHẤT201, Hidrocacbon bão hòa202, Anken213, Ankin224, Ankylbenzen235, Hệ vòng thơm ngưng tụ246, Phổ khối của ancol247, Phổ khối của ete24a, Ete mạch thẳng24b, Ete thơm25KẾT LUẬN26TÀI LIỆU THAM KHẢO:28

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ 4

1, Phương pháp quang phổ 4

2, Phương pháp chung 4

PHỔ KHỐI LƯỢNG 6

1, Đặt vấn đề 6

2, Nguyên tắc phương pháp MS 6

3, Máy khối phổ 7

a, Nguyên lý chung 7

b, Thiết bị 9

c, Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 16

PHỔ KHỐI LƯỢNG CỦA MỘT SỐ CHẤT 20

1, Hidrocacbon bão hòa 20

2, Anken 21

3, Ankin 22

4, Ankylbenzen 23

5, Hệ vòng thơm ngưng tụ 24

6, Phổ khối của ancol 24

7, Phổ khối của ete 24

a, Ete mạch thẳng 24

b, Ete thơm 25

KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 28

LỜI NÓI ĐẦU

Hóa phân tích là bộ môn của ngành hóa học nghiên cứu về các phương phápxác định thành phần cấu tạo và hàm lượng các thành phần của những mẫu khảo sát

Hóa phân tích thường được chia thành Hóa phân tích định tính và Hóa phântích định lượng nhưng cũng hay được chia thành Hóa phân tích vô cơ và Hóa phântích hữu cơ

Phương pháp khối phổ hay phổ khối lượng viết tắt là MS (Mass Spectrometry),

là một phương pháp phân tích công cụ quan trọng để phân tích thành phần và cấu trúccủa các hợp chất vô cơ và hữu cơ Lịch sử phát triển của phương pháp được bắt đầu từthế kỷ XX Thompson là người sử dụng máy phổ khối lượng trong phân tích hóa học,xác định khối lượng nguyên tử và phân tử Conrad (1930) đã đưa thông báo đầu tiên

về nghiên cứu phổ khối lượng của các hợp chất hữu cơ Tiếp theo là sự phát triểnnhanh chóng trong lĩnh vực này

CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ

1, Phương pháp quang phổ

Phương pháp phân tích quang phổ là phương pháp được sử dụng rất phổ biếntrong việc phân tích các khoáng vật, nó xem xét màu nào đậm nhất trong vạch quangphổ để xác định ra thành phần hóa học của khoáng vật đó tạo điều kiện thuận lợi choviệc tinh chế đơn chất từ khoáng vật

2, Phương pháp chung

Dựa trên bức xạ điện từ được phát ra hay bị hấp thụ từ mẫu Dựa vào đặc tínhcủa bức xạ phát ra hay hấp thụ và cường độ của chúng mà người ta có thể định tínhhay định lượng thành phần các chất có trong mẫu

* Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ có bản chất là sóng điện từ Theo Maxwell thì mỗi biến thiên của điện trường đều làm phát sinh ra một từ trường và ngược lại, mỗi biến thiên của từtrường đều làm xuất hiện một điện trường trong không gian xung quanh + Khi một điện tích dao động với tần số sẽ làm xuất hiện một điện trường và một từ trường biến thiên cùng tần số Trường tổng hợp của điện trường và từ trường gọi là trường điện

từ Trường điện từ truyền trong không gian gọi là sóng điện từ Bản chất của bức xạ điện từ

* Trong sóng điện từ, điện trường E và từ trường H luôn luôn có phương vuônggóc với nhau và góc với phương truyền của sóng điện từ ( tại mỗi điểm cường độ điệntrường và cường độ từ trường tăng rồi giảm đối chiếu

* • Trong phổ sóng điện từ có một vùng hẹp từ 390nm < < 770nm có thể thu nhận được bằng mắt gọi là bức xạ khả kiến • Miền khả kiến chia làm 7 vùng hẹp với màu sắc khác nhau Nếu đi từ vùng bước sóng dài tới vùng bước sóng ngắn ta có các

* Nối tiếp với miền tím về phía bước sóng ngắn là vùng tử ngoại (UV) Tia γ vàtia rơngen (X) là những bức xạ điện từ có bước sóng ngắn Nối tiếp với với miền đỏ vùng bước sóng dài là miền bức xạ hồng ngoại( IR) , tiếp theo là miền vi sóng và sóngradio ( đài truyền thanh).

PHỔ KHỐI LƯỢNG

1, Đặt vấn đề

- Mặc dù phương pháp khối phổ đã tương đối cũ (1910 Thomson đã tách đượcđồng vị Neon 20 và 22) Song, bước ngoặt để phương pháp khối phổ trở thànhphương pháp phân tích quan trọng trong Hóa hữu cơ chỉ từ năm 1960

- Hai thế mạnh đã đóng góp vào sự phát triển của phương pháp khối phổ là:

* Với lượng mẫu nhỏ nhất có thể xác định được khối lượng tương đối của phân

- Có thể xác định khối lượng tương đối đến 1200 và cao hơn nữa

2, Nguyên tắc phương pháp MS

- Đo khối lượng, không phải đo năng lượng

- Phân tử được bắn bằng nguồn năng lượng lớn tạo thành ion phân tử hay mảnhion

- Tỉ lệ khối lượng/điện tích (m/z) của tất cả các ion được ghi nhận bằng cáchthay đổi từ trường

- Độ giàu tương đối của mỗi ion tương ứng với mỗi m/z được thể hiện trong

Ví dụ: Phổ khối lượng

- Khối lượng của ion phân tử cho biết khối lượng phân tử của hợp chất

- Khối lượng của các phân mảnh ion cho biết thông tin về cấu trúc của hợpchất

3, Máy khối phổ

a, Nguyên lý chung

Khối phổ là kỹ thuật phân tích đo phổ về khối lượng của các phân tử tích điệnkhi chúng di chuyển trong điện trường Mẫu được ion hóa trở thành các phân tử tíchđiện khác nhau và được phân tách dựa vào sự sai khác về giá trị m/z Dữ liệu phổ khốiđược tự động ghi lại và sử dụng để nhận dạng protein bằng các công cụ tin sinh học

* Quá trình ion hóa và quá trình phân mảnh:

- Quá trình ion hóa:

Là quá trình bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tửmang điện tích dương bằng các phần tử mang năng lượng cao:

Sự bắn phá này sẽ làm tách một điện tử ra khỏi phân tử khỏa sát làm cho phân

tử biến thành ion dương, được gọi là ion phân tử Ion phân tử là ion dương và cũng làgốc tự do vì nó chứa số lẻ điện tử, nên ion phân tử còn gọi là cation gốc hay iongốc.Quá trình ion hóa có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau:

+ Phương pháp ion hóa bằng va chạm điện tử: Đây là phương pháp ion hóa phổbiến nhất Trong buồng ion hóa, các điện tử phát ra từ cathode làm bằng vonfram hoặcreni, sẽ bay về anode với vận tốc lớn Các phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái hơi sẽ

va chạm với điện tử trong buồng ion hóa, có thể nhận năng lượng điện tử và bị ionhóa

+ Dùng khá phổ biến Tại buồng ion hóa, người ta đặt các bộ phận phát ra từtrường, đó là các “mũi nhọn” đặc biệt dưới dạng dây dẫn mảnh (2.5 µm) hay các lưỡimảnh Người ta đặt điện cực vào các “mũi nhọn” Ở tại các “mũi nhọn” sẽ cho mộttrường điện từ có gradien từ 107 - 1010 V/cm Dưới ảnh hưởng của trường điện từmạnh này, các điện tử bứt khỏi phân tử chất nghiên cứu do hiệu ứng đường hầm và ởđây không gây ra sự kích thích Vậy trong phương pháp ion hóa này, các ion phân tửđược tạo thành vẫn giữ nguyên ở trạng thái cơ bản, do đó các vạch phổ sẽ rất mảnh

Ngoài hai phương pháp ion hóa kể trên, người ta còn dùng các phương phápkhác như: ion hóa hóa học, chiếu xạ bằng các photon, bắn phá nguyên tử nhanh…Tuy nhiên, các phương pháp ion hóa này ít phổ biến hơn so với hai phương pháp vừa

mô tả trên đây

- Quá trình phân mảnh:

Với năng lượng bắn phá rất cao thì ion phân tử vừa tạo thành có thể biến thànhcác mảnh ion dương nhỏ hơn, hoặc các ion gốc, hoặc các gốc tự do, hoặc các phân tửtrung hòa nhỏ hơn Quá trình này gọi là quá trình phân mảnh.

Sự bắn phá này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và nănglượng bắn phá

Ion phân tử và các ion mảnh là các phần tử có khối lượng Nếu gọi khối lượngcủa một ion là m và điện tích của nó là e thì tỷ số z= m/e được gọi là số khối Vì sốđiện tích trên mỗi ion thường bằng +1 nên giá trị m/e của mỗi ion sẽ đơn giản là khốilượng của nó Các mảnh ion mang điện tích dương sẽ được bộ phận ghi nhận tín hiệucủa máy khối phổ chuyển thành những mũi phổ tùy theo tỷ lệ m/e này

Ngoài ra trong quá trình phân mảnh còn có sự tạo thành các ion mà thời giantồn tại của nó rất nhỏ (< 10-5 giây) gọi là ion giả bền, ký hiệu m* Khi đó máy khôngthể ghi lại sự xuất hiện của nó đầy đủ được Tuy nhiên, người ta có thể đánh dấu sựxuất hiện của nó trên phổ và ghi nhận được các ion ban đầu cúng như các ion cuối

b, Thiết bị

Máy khối phổ có 3 bộ phận chính:

* Buồng ion hóa: để hóa hơi và ion hóa các phân tử thành dòng các hạt tích điện

* Từ trường: làm chệch hướng dòng ion và tách chúng theo giá trị m/z

* Detector: phát hiện và đếm các ion đã tách, tín hiệu điện thu được tỉ lệ với lượng ionghi nhận.

* Một số cơ chế phân mảnh điển hình

Sự phân hóa các hợp chất hữu cơ qua sự va chạm với electron thường xảy ratheo những quy luật nhất định, dựa vào những quy luật đó người ta có thể giải thíchđược cấu tạo của các hợp chất hữu cơ Các quy luật này được gọi là cơ chế phân mảnhphân tử Dưới đây xin giới thiệu một số cơ chế phân mảnh điển hình:

- Cơ chế tách ankyl

Những ankan và những hợp chất chứa nhóm ankyl bị phá vỡ dưới sự hìnhthành của một ion ankyl và một gốc:

Những ankyl gắn với các nhóm chức X= OH, SH, OR… thì sẽ tách nhóm chức

X cho một ion dương và một gốc:

- Cơ chế tách olefin

Những ion ankyl mạch dài có thể tách loại phân tử olefin như sau:

- Cơ chế tách anlyl

Những phân tử olefin mạch dài do bị mất đi một electron tạo thành một ion gốcnên có sự chuyển dịch electron tiếp theo trong phân tử dẫn đến việc tách ra một gốcankyl và một ion dương anlyl bền, tồn tại dưới hai dạng cộng hưởng (1) và (2):

- Cơ chế tách Retro-Diels-Alder

Các hợp chất vòng chứa nối đôi thường được tách ra để cho các olefin theo phản ứngRetro-Diels-Alder:

- Chuyển vị McLafferty

Các nguyên tử hidro ở vị trí γ đối với các nối đôi C=C hoặc C=O thường có sự chuyển

vị đến nguyên tử cacbon của nối đôi này:

- Chuyển vị gốc

Ion (I) xuất hiện qua sự tách oni của một xicloankyl có chứa trung tâm tích điệndương và một gốc Qua sự chuyển vị của nguyên tử H trong phân tử dẫn đến sự tách

ra thành ion dương và một gốc riêng:

- Chuyển bị ancol

Các phân tử ancol hay amin dễ dàng tách H2O hay nhóm NHR2 qua chuyển vị ancolnhư sau:

- Cộng hợp Retro

Sự tách phân tử HX tương tự sự cộng hợp 1,4 hình thành một ion dien liên hợp

và một phân tử bền Ví dụ: sự tách phân tử metanol từ metyl este của axit salixilic nhưsau:

Đối với vòng thơm phản ứng cộng hợp Retro có thể tranh chấp với phản ứngtách ion tropyli:

Và còn một vài nguyên lý khác

Hình 2: Máy khối phổ

c, Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

* Nguyên tắc máy đo khối phổ:

Nếu như trong các phương pháp phổ hồng ngoại, phổ tử ngoại, phổ cộng hưởng

từ hạt nhân người ta giữ nguyên phân tử để nghiên cứu thì ở phương pháp phổ khốilượng người ta lại “phá hủy” phân tử để nghiên cứu chúng Như vậy, nói một cáchđơn giản, máy phổ khối lượng được chế tạo để thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản là:chuyển chất nghiên cứu thành thể khí (làm bay hơi mẫu nghiên cứu ở áp suất thấp và

ở nhiệt độ thích hợp); tạo ra các ion từ các phân tử khí đó; phân tách các ion đó rồi ghilại tín hiệu theo tỉ số khối lượng/điện tích (m/ze) của chúng Bởi vì xác xuất tạo thànhcác ion có z >1 là rất nhỏ và vì e = const (e là điện tích của một electron) do đó thôngthường m/ze chính là khối lượng của ion Như thế máy phổ khối lượng là một thiết bị

“sản xuất” ra các ion và xác định khối lượng của chúng (phân tích các ion)

Về mặt nguyên lí hoạt động, có thể sơ đồ hóa một máy phổ khối lượng thành 4khối:

Tất nhiên là máy phổ khối lượng phải được nối với máy tính để tự động hóa, đểtăng hiệu quả sử dụng và khai thác các kết quả thu được.

Ở khối làm bay hơi, mẫu có thể được đốt nóng tới 200 – 3000C ở áp suất thấp,

do đó có thể làm bay hơi cả những chất có khối lượng phân tử lớn tới 1000 nếu nókhông chứa các nhóm phân cực, hoặc có khối lượng phân tử tới 300 nếu là nhữngphân tử phân cực vừa phải Khối lượng mẫu chỉ cần vài microgram

Khối tạo ra các ion được gọi là buồng ion hóa Mẫu sau khi hóa hơi đượcphóng vào buồng ion hóa qua khe a và bị bắn phá bởi chùm electron b (hình 2.1.1)

Do kết quả va đập phân tử chất nghiên cứu với các electron có năng lượng cao (~ 70eV) sẽ tạo ra các ion dương chuyển động hướng về các bản gia tốc c và d Nhứng ion

âm thì bị hút về phía thành sau của buồng ion hóa (vì ở đó tích điện dương so với phíatrước của buồng ion hóa) Những ion dương đi qua các bản c và d được gia tốc dướitác dụng của hiệu điện thế V (khoảng 8 kV) rồi rời khỏi buồng ion hóa từ khe g (hình2.1.1) Trong trường hợp đặc biệt, mẫu có thể được đưa thẳng vào buồng ion hóakhông qua khối làm bay hơi Khi đó chỉ cần vài ng thậm chí pg (10-9 – 10-12g)

Hình 3: Sơ đồ buồng ion hóaViệc phân tích các ion được thực hiện ở hai khối: khối phân tách ion, khối ghinhận tín hiệu và ghi phổ

Khối phân tách ion có nhiệm vụ phân tách chùm ion (gồm ion phân tử và rấtnhiều các ion mảnh khác nhau) sao cho ở bộ phận tiếp theo có thể thu nhận được tínhiệu của từng loại ion để ghi lại thành phổ Để đảm bảo chuyển động tự do cho các

10-7 mmHg (thông thường tới 10-6 mmHg) Có nhiều cách phân tách chùm ion dựa vàocác định luật vật lí khác nhau.

Khối thu nhận tín hiệu và ghi phổ: để thu nhận và khuếch đại tín hiệu của cácion người ta dùng những thiết bị khác nhau phù hợp với các cách phân tách ion đã sửdụng ở bộ phận phân tách Các thông tin được đưa vào máy tính Ở bộ nhớ của máytính có chứa sẵn phổ của hàng loạt hợp chất hữu cơ có chọn lọc Khi phổ của một hợpchất nghiên cứu vừa được ghi xong, máy tính tự động so sánh với các phổ trong bộnhớ để nhận biết hợp chất nghiên cứu Phổ phân giải thấp đã được số hóa có thể đượclưu trữ trong máy tính lại có thể được khôi phục dưới dạng biểu đồ và được in ra mộtcách tự động

Ở phương pháp phổ khối lượng phân giải cao, các thông tin được xử lý ở mộtmáy tính đã được chương trình hóa với khối lượng chính xác của C, H, O, N Từ khốilượng chính xác của các ion, máy tính sẽ cho biết thành phần của chúng Thành phầncủa các ion được tự động ghi ra theo chiều tăng giá trị m/z và được sắp xếp theo từngloại (ví dụ loại ion chứa C, H, loại ion chứa C, H, O ) Người ta gọi đó là bản đồnguyên tố Ngày nay người ta đang tiếp tục cải tiến máy phổ và sử dụng máy tính đểtrợ giúp cho việc giải phổ

PHỔ KHỐI LƯỢNG CỦA MỘT SỐ CHẤT

1, Hidrocacbon bão hòa

Ion phân tử của hidrocacbon bão hòa luôn xuất hiện nhưng yếu với cáchidrocacbon mạch dài Để đánh giá độ bền ion phân tử người ta đưa ra độ bền ionphân tử WM được tính như sau:

2, Anken

Nói chung ion phân tử của anken trong phổ khối đều xuất hiện với cường độmạnh Số khối thường gặp là 27, 41, 55,

Hình 5: Phổ khối của 2-hexanen

Sự phá vỡ phân tử của trans hex-2-en theo sơ đồ sau:

Đối với các olefin có số cacbon C6 đến C9 xảy ra quá trình ion hóa theo qui luậtsau:

+ Các anken có nối đôi đầu mạch (R= H) thường ion hóa theo cơ chế F1 choion có số khối m/e 42, 56, 70

+ Chỉ có nhóm metyl tách theo cơ chế F3, tạo ra sự đồng phân hóa

+ Các anken có số khối trung bình thường cho ion m/e 55 với cường độ mạnh.+ Các ion m/e 43, 57 có cường độ mạnh với các mạch nhánh ở vị trí 4

3, Ankin

Ankin cho ion phân tử từ rất yếu đến vắng mặt, các ion thường xuất hiện có sốkhối m/e 39, 53, 67, Ankylaxetilen trong phổ khối bị phá vỡ phân tử ở liên kết β-C-C=C như sau:

Cơ chế chuyển vị Mclafferty cũng thường xảy ra trong quá trình ion hóa phân tử chom/e = 40

Cơ chế chuyển vị Mclafferty cũng thường xuất hiện trong quá trình ion hóa phân tửankylbenzen có gốc ankyl mạch dài:

Hình 6: Khối phổ của toluen

5, Hệ vòng thơm ngưng tụ

Phổ khối của các vòng thơm ngưng tụ như naphtalen, phenantren, tetraxen,pyren cho ion phân tử M và (M – 1) còn rất ít xảy ra sự phá vỡ phân tử khác như phổkhối của naphtalen cho ion phân tử M 128 (100%) còn các ion khác có cường độ ionnhỏ hơn 10%

6, Phổ khối của ancol

Ancol cho ion phân tử yếu hoặc vắng mặt và các ion mảnh m/e 31, 45, 59, (M – 18)

7, Phổ khối của ete

- Trường hợp thứ nhất: có công thức dự kiến cần dựa vào phổ khối lượng để xác địnhcông thức có đúng không Trường hợp này tuy đơn giản nhất, trước tiên cần tìm trênphổ có số khối tương ứng với phân tử lượng, tuy nhiên có trường hợp xuất hiện trênphổ nhưng có nhiều trường hợp vắng mặt do phân tử lớn dễ bị phá vỡ phân tử khôngbền Trường hợp phân tử có chứa các nguyên tố Cl, Br, S có thể dựa vào chiều cao picion phân tử đồng vị để xác định Sau đó từ công thức phân tử, dựa vào cơ chế phá vỡtìm khả năng các ion mảnh hình thành rồi tính số khối của ion, sau đó đối chiếu vớicác giá trị m/e trên phổ xem có trùng không Nếu số khối phân tử tìm được trên phổ

và có sự trùng lặp của một số ion mảnh thì có thể xác nhận công thức cấu tạo dự kiếncủa chất là đúng

- Trường hợp thứ hai: biết khối lượng phân tử và công thức cấu tạo phân tử phải dựavào số khối m/e trên phổ và cấu tạo của các mảnh ion có số khối đó để lắp ghép lạithành phân tử

- Trường hợp thứ ba: biết khối lượng phân tử phân giải cao ( ví dụ M= 151,0634) cóthể dựa vào bảng tra cứu tìm ra công thức phân tử, sau đó tiến hành như trường hợptrên

- Trường hợp thứ tư: biết khi khối lượng phân tử và các loại nguyên tố có mặt trongphân tử, trước tiên nên dựa vào các ion đồng vị của Cl, Br, S… nếu phân tử có chứa