Đang tải... (xem toàn văn)
PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CÁC HỢP CHẤT CÓ NHÓM CHỨC ALCOHOL BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ I.MỤC ĐÍCH Ngày nay các phương pháp vật lý, đặc biệt là các phương pháp phổ được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóa học cũng như các quá trình phản ứng hóa học. Đặc biệt những phương pháp này có ý nghĩa đối với việc xác định các hợp chất hữu cơ. Việc phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ muốn có độ chính xác cao phải sử dụng các phương pháp phổ nghiệm thay thế cho phương pháp hóa học đốt cháy cổ điển thuần túy. Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của các bức xạ điện từ đối với các phân tử vật chất. Khi tương tác với các bức xạ điện từ, các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ năng lượng khác nhau. Kết quả của sự hấp thụ và phát xạ năng lượng này chính là phổ, từ phổ chúng ta có thể xác định ngược lại cấu trúc phân tử. Mỗi phương pháp phổ có một ứng dụng riêng. Thông thường, chúng ta kết hợp các phương pháp với nhau để giải thích cấu tạo của một hợp chất hữu cơ. Trong bài tiểu luận này, tôi tập trung khảo sát các phương pháp phân tích phổ: NMR, IR và MS để phân tích, quy kết và dự đoán cấu trúc hợp chất hữu cơ định chức Alcohol. II. MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài đặt ra là xây dựng được xây dựng tài liệu về các phương pháp phổ của các Alcohol trong chương trình giáo dục phổ thông môn Hóa học 2018 nhằm giúp giáo viên giảm bớt một số khó khăn gặp phải cũng như cung cấp thêm nguồn tài liệu hữu ích về các phương pháp phổ. Trình bày được nguyên tắc chung các phương pháp phổ trong phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ: NMR, IR, MS. Lựa chọn phương pháp phổ phù hợp trong quá trình nghiên cứu, định danh, phân tích và quy kết các hợp chất hữu cơ chương trình THPT. Giải được phổ và xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ thường gặp. Ở phạm vi tiểu luận này tập trung giải phổ và xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ định chức Alcohol.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI Tên đề tài: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CÁC HỢP CHẤT CĨ NHÓM CHỨC ALCOHOL BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ GVHD: TS ĐẬU XUÂN ĐỨC Họ tên học viên: Lê Thị Tuyền MSHV: 208140111310037 Chuyên ngành: LL&PPGD Hóa học – Khóa K28 Khóa học: 2021-2022 Nghệ An, tháng năm 2021 MỤC LỤC I.MỤC ĐÍCH II MỤC TIÊU III CẤU TRÚC IV-NỘI DUNG IV.1 Tổng quan phương pháp phổ IR, MS, NMR .2 IV PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI (Infrared spectroscopy – IR) .3 IV.2.1 Vai trò phổ IR IV.2.2 Sự xuất quang phổ quay IV.2.3 Sự xuất quang phổ dao động .8 IV.2.4 Dao động quay phân tử IV.2.5 Dao động chuẩn phân tử IV.2.6 Phổ IR liên kết hóa học: 10 IV.2.7 Tương quan phổ dao động cấu trúc phân tử: 11 IV.2.8 Ứng dụng phổ hồng ngoại: .11 IV.2.9 Ứng dụng phổ hồng ngoại chương trình PT năm 2018 .12 IV.2.10 Đặc trưng nhóm chức Hidroxyl –OH alcohol phổ IR .19 IV PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MASS SPECTROMETRY – MS) .20 IV.3.1-Nguyên tắc phương pháp: 21 IV.3.2 Cơ sở lý thuyết: 22 IV.3.3 Đặc trưng nhóm chức Hidroxyl –OH alcohol phổ MS 23 IV.3.4 Đặc điểm ứng dụng phổ khối lượng ( MS) 25 IV.3.5 Ứng dụng phổ MS chương trình PT năm 2018 26 IV.4 PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (Nuclear Magnetic Resonance –NMR) 26 IV.5 PHÂN TÍCH MỘT SỐ PHỔ ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ ALCOHOL VÀ PHỤ LỤC PHỔ 35 1- Methanol: 36 Ethanol: 39 Propan-1-ol 42 Butan- 1- ol: 45 Pentan-1-ol 48 2-metylpropan-1-ol 51 2-methyl butan-1-ol .53 2-methylpentan-1-ol .56 4-methylpentan-1-ol .59 10 3,3-dimethyl butan-1-ol 61 11.2,3-đimethylbutan-1-ol 64 V KẾT LUẬN 67 VI DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 I.MỤC ĐÍCH Ngày phương pháp vật lý, đặc biệt phương pháp phổ sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hợp chất hóa học q trình phản ứng hóa học Đặc biệt phương pháp có ý nghĩa việc xác định hợp chất hữu Việc phân tích cấu trúc hợp chất hữu muốn có độ xác cao phải sử dụng phương pháp phổ nghiệm thay cho phương pháp hóa học đốt cháy cổ điển túy Cơ sở phương pháp phổ trình tương tác xạ điện từ phân tử vật chất Khi tương tác với xạ điện từ, phân tử có cấu trúc khác hấp thụ phát xạ lượng khác Kết hấp thụ phát xạ lượng phổ, từ phổ xác định ngược lại cấu trúc phân tử Mỗi phương pháp phổ có ứng dụng riêng Thơng thường, kết hợp phương pháp với để giải thích cấu tạo hợp chất hữu Trong tiểu luận này, tập trung khảo sát phương pháp phân tích phổ: NMR, IR MS để phân tích, quy kết dự đoán cấu trúc hợp chất hữu định chức Alcohol II MỤC TIÊU Mục tiêu đề tài đặt xây dựng xây dựng tài liệu phương pháp phổ Alcohol chương trình giáo dục phổ thơng mơn Hóa học 2018 nhằm giúp giáo viên giảm bớt số khó khăn gặp phải cung cấp thêm nguồn tài liệu hữu ích phương pháp phổ - Trình bày nguyên tắc chung phương pháp phổ phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ: NMR, IR, MS - Lựa chọn phương pháp phổ phù hợp q trình nghiên cứu, định danh, phân tích quy kết hợp chất hữu chương trình THPT - Giải phổ xác định cấu trúc hợp chất hữu thường gặp Ở phạm vi tiểu luận tập trung giải phổ xác định cấu trúc hợp chất hữu định chức Alcohol Phạm vi nghiên cứu đề tài thực phạm vi Alcohol chương trình giáo dục phổ thơng mơn Hóa học 2018 III CẤU TRÚC Để hồn thành mục tiêu đề ra, cấu trúc nghiên cứu sau thực hiện: -Tổng quan phương pháp phổ NMR, IR, MS -Thực nghiệm dùng phương phổ NMR, IR, MS để phân tích, quy kết, dự đốn cấu trúc hợp chất hữu Alcohol - Nghiên cứu xác định đặc trưng dao động nhóm -OH phân tử Hidroxyl - Phân tích, so sánh kết nghiên cứu đề tài với số cơng trình tương tự cơng bố có liên quan đến hợp chất hữu Alcohol IV-NỘI DUNG IV.1 Tổng quan phương pháp phổ IR, MS, NMR - Khi cho xạ điện từ tương tác với phân tử vật chất, dùng thiết bị máy phổ để ghi nhận tương tác đó, ta nhận dạng đồ thị gọi phổ - Từ định luật Lambert-Beer, người ta thiết lập biểu diễn phụ thuộc: + Trên trục tung: A, D, , lg, T + Trên trục hoành: tần số xạ , số sóng , bước sóng xạ kích thích Thu đồ thị có dạng D = f(), lg = f(), T = f(), A = f()… đồ thị gọi phổ Các đỉnh hấp phụ cực đại gọi dải (band) hay đỉnh hấp thụ (peak), chiều cao đỉnh peak gọi cường độ hấp thụ Riêng với phổ NMR phổ MS đại lượng trục hồnh mở rộng thành độ chuyển dịch hóa học (ppm) hay số khối m/e (m/z) - Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ vào chiều dài bước sóng kích thích Đường cong biểu diễn phụ thuộc gọi phổ Các đỉnh hấp thụ cực đại gọi dải hay đỉnh hấp thụ, chiều cao đỉnh hấp thụ gọi cường độ = f() hay lg = f() C = const; d = const - Đường cong có cực đại cực tiểu Vị trí max ’max giống Không phụ thuộc vào nồng độ C Mỗi giá trị C có đồ thị khác Tổng quan phương pháp phổ NMR, IR, MS IV PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI (Infrared spectroscopy – IR) - Bức xạ hồng ngoại (IR) phát minh Sir William Herschel năm 1800 - Coblentz đo số liệu phong phú tương tác xạ hồng ngoại với hợp chất hữu vô hợp chất có phổ hồng ngoại đặc trưng nó; - Máy đo phổ hai tia (Perkin Elmer Beckman) đưa vào sử dụng vào năm 1940 - Máy đo phổ hồng ngoại phân giải Fourier FT-IR xuất vào năm 1980 từ hãng Perkin Elmer Bước sóng (Wavelength, ): Là khoảng cách hai nút ( hay hai bụng) đo đơn vị m, cm, mm, m m j / Tần số ( Frequency, ): Là số bước sóng mà sóng thực giây (Cps; cycles pes second), đo Hz Phổ IR giúp ta xác định loại dao động đặc trưng liên kết hay nhóm chức có phân tử: Tại phân tử hữu hấp thụ IR ? Trong phân tử hữu có số dao động sau: Khi phân tử chiếu xạ, lượng xạ điện từ hấp thụ tần số xạ phù hợp với tần số dao động Tất dao động phân tử hữu hấp thụ IR? Những dao động dẫn tới biến đổi mômen lưỡng cực phân tử quan sát quang phổ IR Ví dụ: Bốn nguyên tử Hiđrô CH4 dao động cách đối xứng CH4 khơng hấp thụ lượng IR Dao động đối xứng nối đôi C=C C2H4 nối ba CC C2H2 hay không hấp thụ lượng IR IV.2.1 Vai trò phổ IR Mỗi loại dao động phân tử hấp thụ tần số xác định; Phổ IR giúp ta xác định loại giao động đặc trưng liên kết( bonds) hay nhóm chức ( Functional groups) có phân tử Các liên kết hay nhóm chức C- C ; C=C ; CC; C-H; C= O; -C-N ; -O-H ; -N-H Vùng xạ hồng ngoại (IR) vùng phổ xạ điện từ rộng nằm vùng trông thấy vùng vi ba; vùng chia thành vùng nhỏ: - Near-IR 400-10 cm-1 (1000- 25 μm) - Mid-IR 4000 - 400 cm-1 (25- 2,5μm) - Far-IR 14000- 4000 cm-1 (2,5 – 0,8μm) Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói vùng phổ nằm vùng có số sóng 4000 - 400 cm-1 Vùng cung cấp cho ta thông tin quan trọng dao động phân tử thơng tin cấu trúc phân tử Để hấp thụ xạ hồng ngoại, phân tử phải đáp ứng yêu cầu sau: - Độ dài sóng xác xạ: phân tử hấp thụ xạ hồng ngoại tần số dao động tự nhiên phần phân tử (tức nguyên tử hay nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) tần số xạ tới - Một phân tử hấp thụ xạ hồng ngoại hấp thụ gây nên biến thiên momen lưỡng cực chúng Phổ đồ: Vùng Bước chuyển lượng X-ray Đứt liên kết Tử ngoại/nhìn thấy Điện tử Hồng ngoại Vi sóng Dao động Quay Sóng vơ tuyến (NMR) Spin hạt nhân điện tử IV.2.2 Sự xuất quang phổ quay Đối với phân tử gồm hai nguyên tử có khối lượng khác (như CO, HCl) có xếp vào mẫu quay hai tạ có khối lượng m m2 Giả thuyết trình quay khoảng cách hai nguyên tử không thay đổi r m m1 r2 r1 Khi phân tử gồm hai nguyên tử quay theo hướng khơng gian momen qn tính I q trình tính theo biểu thức: I mr02 với r = r + r m m1.m2 m1 m2 Theo học lượng tử lượng quay E q phân tử gồm hai nguyên tử tính theo phương trình: � 1� h2v2 � 1� � Ev =hv� v+ � v+ � � � � � � 2� 4D � 2� Bước chuyển dời lượng trình quay phân tử gồm hai nguyên tử tuân theo quy tắt J=±1 E E Vq = j' - j =BJ '(J '+1) - BJ(J +1) hc hc Vq =2B(J +1) Do đó: Để kích thích phân tử quay, người ta thường dùng nguồn vi sóng phổ gọi phổ vi sóng dùng tia sáng vùng hồng ngoại xa người ta gọi quang phổ quay quang phổ hồng ngoại xa Peak có m/e = 57 bền khó để giải thích hình thành nên cacbocation Peak có m/e = 70 tương ứng với q trình đề hydrat hóa sau: Phổ NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR) 56 m/e = 57+ Phổ cộng hưởng từ carbon -13 (13C NMR) Phổ IR: 57 - Trong phổ IR 2-methylpentan-1-ol có chứa loại liên kết: + Liên kết carbon – Hidro sp3 C-H : 2800 – 3000 cm-1 + Liên kết đơn oxygen - hydrogen O – H: 3400 cm-1 mở rộng + Liên kết đơn carbon- oxygen C-O : 1102 cm-1 Phổ MS: 58 Phổ NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR) 59 Phổ cộng hưởng từ carbon -13 (13C NMR) 60 Phổ IR: 61 Phổ MS: Phổ NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR): 62 Phổ cộng hưởng từ carbon -13 (13C NMR) 10 3,3-dimethyl butan-1-ol Phổ IR: 63 Phổ MS: 64 Phổ NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR): Phổ cộng hưởng từ carbon -13 (13C NMR) 65 11 Phổ IR: 66 Phổ MS: Phổ NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR): 67 Phổ cộng hưởng từ carbon -13 (13C NMR) 68 V KẾT LUẬN Mục tiêu đề tài đặt xây dựng xây dựng tài liệu phương pháp phổ Alcohol chương trình giáo dục phổ thơng mơn Hóa học 2018 -lớp 11 nhằm giúp giáo viên giảm bớt số khó khăn gặp phải cung cấp thêm nguồn tài liệu hữu ích phương pháp phổ - Trình bày nguyên tắc chung phương pháp phổ phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ: IR; MS; 1H NMR 13C NMR - Lựa chọn phương pháp phổ phù hợp trình nghiên cứu, định danh, phân tích quy kết hợp chất hữu chương trình THPT - Giải phổ xác định cấu trúc hợp chất hữu thường gặp Ở phạm vi tiểu luận tập trung giải phổ xác định cấu trúc hợp chất hữu định chức Alcohol Em xin chân thành cảm ơn TS ĐẬU XUÂN ĐỨC, tận tụy giảng dạy cho em nhiều kiến thức bổ ích, cập nhật kịp thời, có tính đại mơn “Phương pháp phân tích hóa phổ đại” Bài giảng Thầy sinh động, qua em bổ sung thêm hiểu biết loại phổ có tính ứng dụng cao thực tiễn 69 VI DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Robert M Silverstein, Francis X Webster, David J Kiemle Spectromeric identification of organic compounds (2005) John Wiley & Sons Inc Eberhard Breitmaier Structure Elucidation By NMR In Organic Chemistry: A Practical Guide(2002) John Wiley & Sons, Ltd Donald L Pavia, Gary M Lampman, George S Kirz Introduction to spectroscopy (2001) Thomson Learning, Inc JOHN A WEIL, JAMES R BOLTON, ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE Elementary Theory and Practical Applications (2007), John Wiley & Sons Inc Các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý Nguyễn Đình Triệu, Nguyễn Đình Thành Nhà xuất Khoa học và kỹ thuật, 2001 70 ... PHÂN TÍCH MỘT SỐ PHỔ ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ ALCOHOL VÀ PHỤ LỤC PHỔ Tập trung khảo sát phương pháp phân tích phổ: NMR, IR MS để phân tích, quy kết dự đốn cấu trúc hợp chất hữu định chức Alcohol Phương. .. Ngày phương pháp vật lý, đặc biệt phương pháp phổ sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hợp chất hóa học q trình phản ứng hóa học Đặc biệt phương pháp có ý nghĩa việc xác định hợp chất hữu Việc phân tích. .. trúc hợp chất hữu muốn có độ xác cao phải sử dụng phương pháp phổ nghiệm thay cho phương pháp hóa học đốt cháy cổ điển túy Cơ sở phương pháp phổ trình tương tác xạ điện từ phân tử vật chất Khi