CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.3 Các phương pháp nghiên cứu
2.3.4 Các phương pháp phổ
2.3.4.1 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân(NMR)
Hơn hai mươi năm trở lại đây cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance), thường gọi là NMR, đã trở thành công nghệ ưu việt cho sự xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ. Trong tất cả các phương pháp
-19-
phổ nghiệm, duy nhất NMR một loại công cụ phân tích đầy đủ và sự giải thích trọn vẹn phổ.
Các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều (1H-NMR, 13C-NMR và DEPT) và hai chiều (HSQC, HMBC, COSY) để nhận dạng và xác định cấu trúc hóa học của các chất được phân lập được [9].
Cơ sở lý thuyết của phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên tương tác của hạt nhân từ (1H, 13C, …) với từ trường ngoài.
Phổ cộng hưởng từ nhân proton (1H-NMR):
- Cho biết số lượng tín hiệu (vạch phổ), vị trí vạch phổ (độ chuyển dịch hóa học, H) và xác nhận các loại proton khác nhau, môi trường bao quanh mỗi proton trong phân tử.
- Vị trí của tín hiệu cho biết proton thuộc loại proton nào: thơm, béo, bậc một, bậc hai, bậc ba,… Các proton khác nhau này có các môi trường electron bao quanh khác nhau, và chính môi trường electron bao quanh xác định proton hấp thụ ở đâu trong miền phổ.
Trên phổ 1H-NMR tín hiệu các proton được ghi nhận thông qua độ chuyển dịch hóa học ( = /0= Hz/MHz = 106 ppm), trong đó chất nội chuẩn TMS được gán = 0 ppm.
-20-
- Ngoài ra, để biết số proton cùng loại dùng cường độ tín hiệu.
- Để biết proton nào tương tác với proton nào sử dụng sự tương tác (tách vạch phổ) và hằng số tương tác spin – spin (J).
+ Sự tương tác J tạo ra sự tách vạch phổ. Sự tách vạch phản ánh môi trường bao quanh của các proton đang hấp thụ không phải đối với các electron mà đối với các proton khác ở gần bên cạnh. Khẳng định số vạch phổ được tách theo qui tắc (n+1) với n là số proton có tương tác. Cường độ các vạch phổ được tách tỉ lệ theo qui tắc tam giá Pascal.
+ Như vậy, hằng số tương tác J cho biết một cách chính xác loại thông tin về cấu trúc phân tử. Hằng số J không phụ thuộc vào từ trường cảm ứng. Giá trị hằng số J được đo bằng Hz luôn bằng nhau dù từ trường ngoài thế nào. Độ lớn của hằng số tương tác phụ thuộc vào mối liên quan cấu trúc giữa các proton có tương tác [7], [8].
Hình 2.11: Sự tách vạch phổ của propan-1-ol
Phổ cộng hưởng từ nhân carbon-13 (13C-NMR):
Tương tự như proton, là một trong các đồng vị của carbon, 13C là hạt nhân cho phổ NMR. Phổ 13C-NMR được sinh ra theo cách giống như phổ 1H- NMR [7].
Với các đồng vị 13C chỉ chiếm 1,1% hàm lượng carbon thiên nhiên, nhưng độ nhạy của phổ kế hiện đại đủ để đo phổ 13C-NMR.
-21-
Phổ 13C-NMR cho nhiều loại thông tin như 1H-NMR những thông tin trực tiếp là về khung carbon mà không có proton gắn với nó.
- Ngoài ra, số lượng tín hiệu cho ta biết có bao nhiêu nhóm carbon khác nhau hay nhóm carbon tương đương khác nhau có ở trong phân tử.
- Với sự tách vạch tín hiệu cho ta biết có bao nhiêu hiđro gắn với mỗi carbon. Phân biệt tín hiệu của carbon các bậc, nhóm CH là một vân đôi (d), ở nhóm CH2 là vân ba (t), ở nhóm CH3 là vân bốn (q), còn carbon không đính với hiđro là vân đơn (s). Trong kỹ thuật đo phổ hiện nay thường khử tương tác giữa C và H nên các carbon tương đương chỉ xuất hiện tín hiệu và 1 vạch đơn.
- Như vậy, độ chuyển dịch hóa học (C) cho biết trạng thái lai hóa (sp3, sp2,sp) của mỗi carbon, cho biết môi trường electron bao quanh mỗi carbon đối với nhau, carbon gần bên cạnh hay các nhóm chức.
Hình 2.12: Độ chuyển dịch hóa học carbon C-13
Phổ DEPT (Distortionless Enhancement by Polarisation Transfer): Đây là kỹ thuật ghi phổ hỗ trợ cho phổ 13C-NMR.
Sự cân bằng của các hạt nhân giữa các trạng thái spin thấp hơn và cao hơn dưới ảnh hưởng của từ trường. Sự đặt vào một xung tần số radio để tạo ra sự dư hạt nhân ở trạng thái spin cao hơn. Trong kĩ thuật DEPT, mẫu được chiếu xạ với chuỗi xung phức tạp trong cả hai kênh 13C và 1H. Kết quả của các chuỗi xung này là các tín hiệu 13C đối với các nguyên tử carbon trong
-22-
phân tử sẽ có pha khác nhau, phụ thuộc vào số nguyên tử hydro gắn vào mỗi carbon. Mỗi dạng carbon sẽ xử sự một cách khác nhau chút ít, phụ thuộc vào khoảng thời gian của các xung phức. Những khác nhau này có thể phát hiện và phổ được tạo ra trong mỗi phép thực nghiệm có thể được vẽ [7].
Để phân biệt được tín hiệu của carbon ở các bậc, nhóm CH là một vân đôi (d), ở nhóm CH2 là vân ba (t), ở nhóm CH3 là vân bốn (q), còn carbon không đính với hidro là vân đơn (s). Thông thường các máy đo phổ 13C-NMR sử dụng kỹ thuật xóa tương tác nên mỗi tín hiệu của C chỉ còn 1 vạch; trong kỹ thuật ghi phổ DEPT-90; các nhóm CH ở phía trên; trong DEPT-135 các nhóm CH, CH3 ở phía trên, CH2 ở phía dưới, C bậc 4 không xuất hiện tín hiệu trên phổ DEPT.
Hình 2.13: Minh họa phổ DEPT
Phổ COSY (1H-1H COSY, Correlation Spectroscopy):
Hiện nay có nhiều loại phổ NMR hai chiều, một số loại được dùng phổ biến là: 1H-1H COSY cho tín hiệu của các proton ở gần nhau (geminal, vicinal) tương tác với nhau từ đó xác định được các chuỗi liên kết trong phân tử.
Việc xác định các mối quan hệ tương tác là một hỗ trợ quan trọng để thiết lập sự liên kết của phân tử.
-23-
Ethylbenzene [17]
Hình 2.14: Phổ 1H-1H COSY
HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation):
Trên phổ HSQC cho tín hiệu tương tác của các proton và carbon liên kết trực tiếp với nhau; từ đó xác định được các carbon tương ứng với proton trong các nhóm CH3, CH2, CH [8].
-24-
Ethylbenzene [17]
Hình 2.15: Phổ HSQC
HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation):
Trên phổ HMBC cho tín hiệu tương tác xa giữa proton và carbon cách nhau 2 hoặc 3 liên kết (2J, 3J). Đây là loại phổ đặc biệt quan trọng giúp gắn kết các mảnh cấu trúc đặc trưng với nhau từ đó xây dựng cấu trúc phẳng của phân tử [9].
-25-
Ethylbenzene [17]
Hình 2.16: Phổ HMBC
2.3.4.2 Phương pháp phổ khối lượng
Phương pháp phổ khối lượng (MS-Mass Spectrometry) là một kĩ thuật dùng để đo đạc tỉ lệ khối lượng trên điện tích của ion, dựa trên sự ion hóa các phân tử. Các ion được phân tách dựa trên tỉ lệ khối lượng/điện tích (m/z). Một số kỹ thuật được sử dụng để ion hóa phân tử gồm phương pháp EI (Electron Impact-va chạm điện tử), ESI (Electrospray Impact-phun mù điện tử). Phương pháp ESI thường áp dụng cho các hợp chất có phân tử khối lớn và thu trên phổ đồ cho tín hiệu các ion giả phân tử như [M+H]+, [M+Na]+, [M-H2O+H]+, [M-H], …[9].
-26-
-Naphthoic acid [18]
-27-