CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.2 Phương pháp xác định cấu trúc
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance – NMR) là một phương pháp phổ quan trọng đối với hóa học hữu cơ. Phương pháp phổ NMR nghiên cứu cấu trúc phân tử bằng sự tương tác của bức xạ điện từ tần số radio với tập hợp hạt nhân được đặt trong từ trường mạnh.Tương tự như electron, các hạt nhân nguyên tử có spin. Sự quay của các phần tử tích điện này – sự tuần hoàn của điện tích – sinh ra momen từ dọc theo trục spin, do đó các hạt nhân này có tác dụng giống như một nam châm nhỏ. Một trong các hạt nhân như vậy được nói đến ở đây là proton, hạt nhân của nguyên tử hidro 1H.
Về nguyên tắc, ta đặt một chất nghiên cứu trong từ trường có cường độ không đổi cho bức xạ có tần số thay đổi đều đi qua chất, ở đó xảy ra sự hấp thụ bức xạ và quan sát thấy tín hiệu. Loại phổ thu được như vậy gọi là phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) [7].
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, các spin hạt nhân sẽ được sắp xếp lại theo hai hướng: thuận và ngược chiều với từ trường và đạt tới trạng thái cân bằng giữa hai trạng thái này với 1 tỉ lệ xác định của hai trạng thái. Nếu dùng một bức xạ điện từ có tần số thích hợp chiếu xạ lên chất đó, các spin sẽ hấp thu năng lượng ( cộng hưởng) và chuyển lên mức năng lượng cao (sản xuất ngược chiều với từ trường) [7].
i. Phổ cộng hưởng từ nhân proton (1H-NMR)
Phổ cộng hưởng từ nhân proton (1H-NMR) cho biết cấu trúc hóa học của proton trong phân tử. Chuyển dịch hóa học phụ thuộc vào môi trường hóa học của proton, Các proton khác nhau sẽ có độ chuyển dịch hóa học khác nhau và dạng pic khác nhau.
Số lượng tín hiệu (vạch phổ): Số lượng tín hiệu trong phổ NMR cho ta biết trong phân tử chứa bao nhiêu loại proton hay còn gọi là số lượng tập hợp proton tương đương [7].
Vị trí vạch phổ: Vị trí của vạch phổ cho ta biết các loại proton thuộc loại nào: thơm, béo, bậc 1,…Các loại proton khác nhau thì có môi trường electron
bao quanh khác nhau và chính môi trường electron bao quanh xác định proton hấp thụ ở đâu trong miền phổ [7].
Khi xét proton riêng biệt thì proton bị che chắn đỏi hỏi cường độ từ trường ngoài cao hơn và proton bị phản chắn đòi hỏi cường độ từ trường ngoài thấp hơn để tạo ra cường độ từ trường hiệu dụng riêng khi sự hấp thụ xảy ra. Sự che chắn hay phản chắn làm cho sự hấp thụ chuyển dịch về phía trường cao hay trường thấp trong phổ NMR được gọi là độ chuyển dịch hóa học.
Độ chuyển dịch hóa học được đánh giá thông qua hệ số ( = /0= Hz/MHz = 106 ppm), trong đó chất nội chuẩn TMS được gán = 0 ppm [12]:
Hình 2.7: Độ chuyển dịch hóa học của proton
Cường độ tín hiệu: Được thể hiện kích thước của pic hấp thụ, diện tích của một tín hiệu tỷ lệ thuận với số lượng proton tạo ra tín hiệu đó, từ đó cho ta xác định được số proton cùng loại [7].
Sự tương tác (tách vạch phổ) và hằng số tương tác J cho biết proton nào tương tác với proton nào.
ii. Phổ cộng hưởng từ nhân carbon-13 (13C-NMR)
Cho nhiều loại thông tin trực tiếp về khung cacbon mà không có proton gắn với nó.
Số lượng tín hiệu cho biết có bao nhiêu nhóm carbon trong phân tử. - Độ chuyển dịch hóa học (C) cho biết trạng thái lai hóa, môi trường electron bao quanh mỗi carbon [14].
Hình 2.8: Độ chuyển dịch hóa học của carbon
iii. DEPT
Phương pháp DEPT(Distortionless Enhancement by Polarization Transfer ) là một trong những phương pháp hiện đại đòi hỏi một phổ kế xung FT, dùng để phân biệt tín hiệu của cacbon các bậc, nhóm CH là một vân đôi (d), ở nhóm CH2 là vân ba (t), ở nhóm CH3 là vân bốn (q), còn cacbon không đính với hidro là vân đơn (s). 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.
iv. Phổ COSY (1H-1H COSY)
Phổ COSY thể hiện sự tương tác của các hạt nhân đồng loại với nhau 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.
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.
vi. HMBC
Phổ này 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.
2.3.2.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại dẫn tới sự dao động không ngừng của các nguyên tử trong phân tử làm cho độ dài liên kết bị dãn ra, co lại và góc liên kết cũng bị thay đổi [7].
Bức xạ hồng ngoại bao gồm một phần của phổ điện từ, đó là vùng bước sóng khoảng từ 104 đến 106 m, nằm giữa vi sóng và vùng ánh sáng khả kiến. Phần của vùng hồng ngoại được sử dụng để xác định cấu trúc nằm giữa 2,5.104và 1,6.105 m. Hai đại lượng bước sóng (µm) và số sóng (cm1) được sử dụng phổ biến trong phổ hồng ngoại. Với bước sóng được ghi ở vùng từ 2,5µm đến 16µm và số sóng ứng với vùng từ 4000 đến 625 cm1 [7].
Khi xác định cấu trúc bằng phổ hồng ngoại, các pic nằm trong vùng từ 4000 đến 650 cm1 thường được quan tâm đặc biệt vì trong vùng này chứa các giải hấp thụ của các nhóm chức như : -OH, -C=O,….và được gọi là vùng nhóm chức. Vùng phổ dưới 1500 cm1 được gọi là vùng vân ngón tay do vùng phổ này phức tạp hơn và dùng để nhận dạng toàn phân tử [7].