6. Cấu trúc luận văn
2.2.3. Phương pháp xác định cấu trúc hóa học của các chất
thông qua việc kết hợp các phương pháp phổ hiện đại như phổ hồng ngoại (FT–IR), phổ khối lượng (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều và hai chiều (1D và
2D-NMR) như 1H–NMR, 13C–NMR, COSY, HSQC, HMBC. Các loại phổ được đo
tại Phòng thí nghiệm tổng hợp Hóa Dược – Hà Nội.
a. Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy, IR).
Phổ hồng ngoại được xây dựng dựa vào sự khác nhau về dao động của các liên kết trong phân tử hợp chất dưới sự kích thích của tia hồng ngoại. Mỗi kiểu liên kết được đặc trưng bởi một vùng bước sóng khác nhau. Chính vì vậy, việc phân tích phổ hồng ngoại là nhằm chỉ rõ nguồn gốc các vân hấp phụ cơ bản trên phổ, từ đó cho biết các nhóm nguyên tử trong phân tử (đặc biệt là nhóm chức) và rút ra những kết luận về cấu trúc phân tử, ví dụ như dao động hóa trị của nhóm OH tự do trong
các nhóm hydroxyl là 330-3450 cm-1, của nhóm cacbonyl C=O trong khoảng 1700-
1750 cm-1, của nhóm ete C-O-C trong vùng 1020-1100 cm-1, của nhóm C=C trong
khoảng 1630-1650 cm-1, của nhóm N-H trong khoảng 3400-3500 cm-1, v.v…Đặt
biệt vùng dưới 700 cm-1 được gọi là vùng vân tay được sử dụng để nhận biết dạng
các hợp chất hữu cơ theo phương pháp so sánh trực tiếp. Hiện nay thông tin chung thu được từ phổ hồng ngoại không nhiều, mặc dù vậy lượng chất cần để thực hiện phép đo phổ này (nghiền và ép viên với KBr bằng máy ép thủy lực dưới áp suất thấp khoảng 13-15 atm) lại cần từ 2-3 mg và khó thu hồi lại. Chính vì vậy, thông thường đối với các hợp chất tổng hợp (lượng chất thu được ít) thì phổ hồng ngoại được đo sau khi đã hoàn chỉnh các phép đo khác như phổ cộng hưởng từ hạt nhân [2].
b. Phổ khối lượng (Mass spectroscopy, MS)
Nói một cách đơn giản máy phổ khối lượng được chế tạo để thực hiện ba nhiệm vụ cơ bản là: chuyển chất nghiên cứu thành thể khí; tạo ra các ion phân tử và ion mảnh từ khí đó; phân tách các ion đó rồi ghi lại tín hiệu theo tỷ số khối lượng trên điện tích (m/z) của chúng. Bởi vì e là điện tích của một electron, được lấy là l, nên các ion có z>l là rất nhỏ, do đó tỷ số m/z thường chính là khối lượng của ion.
Vì thế phổ thu được có tên là phổ khối khối lượng viết tắt là phổ MS (Mass Spectroscopy).
Phổ khối lượng được sử dụng khá phổ biến để xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc chủ yếu của phương pháp phổ này là dựa vào sự phân chia mảnh ion của phân tử chất dưới sự bắn phá của chùm ion bên ngoài. Ngoài ion phân tử, phổ MS còn cho các pic ion mảnh khác nhau mà dựa vào đó người ta có thể xác định được cơ chế phân mảnh và dựng lại được cấu trúc hóa học của các hợp chất. Hiện nay có rất nhiều loại phổ khối lượng, những phương pháp chủ yếu được nêu ra dưới đây:
+ Phổ EI-MS (Electron Impact Ionization mass spectroscopy) dựa vào sự phân mảnh ion dưới tác dụng của chùm ion bắn phá năng lượng khác nhau, phổ biến là 70eV.
+ Phổ ESI-MS ( Electron Spray Ionization mass spectroscopy) gọi là phổ phun mù điện tử. Phổ này được thực hiện với năng lượng bắn phá thấp hơn nhiều so với phổ EI-MS, do đó phổ thu được chủ yếu là pic ion phân tử và các píc đặc trưng cho sự phá vỡ các liên kết có mức năng lượng thấp, dễ bị phá vỡ.
+ Phổ FAB (Fast Atom Bombing mass spectroscopy) là phổ bắn phá nguyên tử nhanh với sự bắn phá nguyên tử nhanh ở năng lượng thấp, do đó phổ thu được cũng dễ thu được pic ion phân tử.
+ Phổ khối lượng phân giải cao (High Resolution Mass Spectroscopy), cho phép xác định píc ion phân tử hoặc ion mảnh với độ chính xác cao [2].
c. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR)
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân là một phương pháp phổ hiện đại và hữu hiệu nhất hiện nay được dùng để xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất hữu cơ nói riêng và hợp chất thiên nhiên nói chung. Việc sử dụng kết hợp các kỹ thuật phổ NMR một chiều và hai chiều, có thể xác định chính xác cấu trúc của hợp chất kể cả cấu trúc lập thể của phân tử.
Nguyên lý chung của các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ
proton và cacbon) là sự cộng hưởng khác nhau của các hạt nhân từ (1H và 13C) dưới
tác dụng của từ trường ngoài. Sự cộng hưởng khác nhau này được biểu diễn bằng độ chuyển dịch hóa học (chemical shift). Ngoài ra, đặc trưng của phân tử còn được xác định dựa vào tương tác spin-spin giữa các hạt nhân từ với nhau (spin coupling).
Phổ 1H-NMR
Trong phổ 1H-NMR, độ chuyển dịch hóa học của các proton được xác định trong thanh ppm từ 0-14ppm, tùy thuộc vào mức độ lai hóa của nguyên tử cũng như đặc trưng riêng của từng phần. Dựa vào những đặc trưng của độ chuyển dịch hóa học và tương tác spin mà ta có thể xác định được cấu trúc hóa học của hợp chất.
Phổ 13C-NMR
Phổ này cho tín hiệu vạch phổ cacbon. Mỗi nguyên tử cacbon sẽ cộng hưởng ở một trường khác nhau và cho tín hiệu phổ khác nhau. Thang đo của phổ 13C-NMR là ppm, với dải thang đo rộng hơn so với phổ proton (từ 0 đến 230 ppm).
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2 chiều ( 2D-NMR)
Đây là các kỹ thuật phổ hai chiều, cho phép xác định các tương tác của các hạt nhân từ của phân tử trong không gian hai chiều. Một số kỹ thuật chủ yesu thường được sử dung như sau:
+Phổ COSY
Phổ này biểu diễn các tương tác xa của H-H, chủ yếu là các proton đính với
cacbon liền kề nhau. Nhờ phổ này mà các phần của phân tử được nối ghép lại với
nhau.
+ Phổ HMQC
Các tương tác trực tiếp H-C được xác định nhờ vào các tương tác trên phổ này.
Trên phổ, một trục là phổ 1H-NMR, còn trục kia là 13C-NMR. Các tương tác
HMQC nằm trên đỉnh các ô vuông trên phổ. + Phổ HMBC
Đây là phổ biểu diễn tương tác xa trong không gian phân tử. Nhờ vào các tương tác trên phổ này mà từng phần của phân tử cũng như toàn bộ phân tử được xác định về cấu trúc [2].
