CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.3 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân(NMR)
Để dự đoán và xác định được cấu trúc hóa học của các chất người ta thưởng sử dụng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Phương pháp này được chia làm 2 loại: phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều (1H-NMR, 13C- NMR, DEPT) và phổ cộng hưởng từ 2 chiều (HSQC, HMBC, COSY)
Cơ sở lý thuyết của phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên sự tương tác của hạt nhân từ (1H, 13C, …) với từ trường ngoài [5], [6].
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR)
- Số lượng tín hiệu (vạch phổ), vị trí vạch phổ (độ chuyển dịch hóa học, H) xác nhận các loại proton khác nhau và môi trường bao quanh mỗi proton trong phân tử.
- Cường độ tín hiệu cho biết số proton cùng loại.
- Sự tương tác (tách vạch phổ) và hằng số tương tác J cho biết proton nào tương tác với proton nào. Số lượng tín hiệu (vạch phổ): Ứng với mỗi phân tử đã cho, các proton với cùng điều kiện xung quanh như nhau, tức là có cấu tạo hóa học như nhau, sẽ hấp thụ ở cùng cường độ từ trường như nhau; các proton có điều kiện khác nhau, tức là có cấu tạo hóa học khác nhau, sẽ hấp thụ ở cùng cường độ từ trường khác nhau. Số lượng tín hiệu trong phổ NMR cho ta biết số lượng tập hợp proton tương đương, hay là bao nhiêu “loại” proton.
Vị trí vạch phổ: Đối với số lượng tín hiệu cho ta biết trong phân tử chứa bao nhiêu loại proton thì vị trí của vạch phổ cho ta biết chúng thuộc loại proton 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.
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 ( = /0= Hz/MHz = 106 ppm), trong đó chất nội chuẩn TMS được gán = 0 ppm. Độ chuyển dịch hóa học của một số loại proton trong phân tử chất hữu cơ được minh họa qua Hình 2.9.
Hình 2.9: 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.
Sự tương tác (tách vạch phổ) và hằng số tương tác J cho biết proton nào tương tác với proton nào.
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 [6]. Ví dụ trên phổ 1H-NMR của 1-bromopropane, tín hiệu của nhóm CH3 và nhóm CH2-1 có dạng triplet, nhóm CH2-2 có dạng sextet.
0.90 1.83 3.51 Br 0 1 2 3 4 PPM Hình 2.11: Phổ 1H-NMR của 1-bromopropane
Phổ cộng hưởng từ nhân carbon-13 (13C-NMR):
Phổ 13C-NMR cho biết nhiều loại thông tin trực tiếp về khung carbon mà không có proton gắn với nó.
Số lượng tín hiệu trên phổ này 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 [6].
Hình 2.12: Độ chuyển dịch hóa học carbon C-13
O O 1 2 3 4 6 5 7
Hình 2.13: Phổ DEPT của ethyl crotonate
Trên phổ DEPT-90, chỉ xuất hiện tín hiệu các nhóm CH ở phía bên trên; còn trên phổ DEPT-135; phía trên xuất hiện tín hiệu các nhóm CH, CH3; phía dưới là tín hiệu các nhóm CH2. Cacbon bậc 4 (C không liên kết với H) không xuất hiện tín hiệu trên phổ DEPT. Phổ DEPT thường được dùng để hỗ trợ phân tích phổ Cacbon-13-NMR của hợp chất hữu cơ.
Phổ COSY (1H-1H COSY):
Phổ 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.
Hình 2.14: Phổ 1H-1H COSY của N,N-Dimethylacetamide Dimethylacetamide
Phổ 1H-1H COSY của N,N-Dimethylacetamide được minh họa ở hình 2.14. Trên hình quan sát được các proton CH3ở N tương tác với nhau.
HSQC:
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 [6]. Ví dụ phổ HSQC như trong Hình 2.15.
Hình 2.15: Phổ HSQC của ethylbenzene
HMBC:
Phổ HMBC cho biết tín hiệu tương tác xa giữa proton và carbon cách nhau 2 hoặc 3 liên kết (2J, 3J). Đây là một 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. Phổ HMBC của ethylbenzene được thể hiện trên Hình 2.16 cho thấy tương tác giữa H-1 với C-2, C-3; H-2 với C-1, C-3, C-4+8.
Hình 2.16: Phổ HMBC của ethylbenzene 2.3.4 Phương pháp phổ khối lượng 2.3.4 Phương pháp phổ khối lượng
Phương pháp phổ khối lượng (MS-Mass Spectrum) 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) [5], [6].
Phương pháp EI thường áp dụng cho các hợp chất có phân tử khối nhỏ và phân tử sẽ bị ion hóa rồi phân tách thành các mảnh ion nhỏ hơn. Ví dụ, hợp chất ethylbenzene có M = 106; trên phổ EI-MS (Hình 2.17) cho pic M+m/z=
Hình 2.17: Phổ EI-MS của ethylbenzene
Phương pháp ESI thường áp dụng cho các hợp chất có phân tử khối lớn hơn và thu trên phổ đồ cho tín hiệu các ion giả phân tử như [M+H]+, [M+Na]+, [M+K]+, [M-H2O+H]+, …
5,7,2',4',5'-Pentahydroxyflavone [14]