CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.2 Phương pháp xác định cấu trúc
2.3.2.1 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân
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) [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 [9].
Cộng hưởng từ hạt nhân được phát hiện bởi Pecxen,Bloc(Mĩ) và Roling(Anh) vào năm 1946,ứng dụng vào Hóa hữu cơ từ năm 1953. Từ đó đến nay ngày càng được phát triển và hoàn thiện. Nó là một công cụ đắc lực cho các nhà hóa học trong việc xác định cấu trúc phân tử. Nó không thay thê hẳn được cho phương pháp phổ hồng ngoại và phổ electron, nhưng nó cung cấp lượng thông tin nhiều hơn và chi tiết hơn. Nhờ áp dụng nam châm siêu dẫn, máy tính điện tử, kĩ thuật NMR xung và kĩ thuật NMR hai chiều, phương pháp NMR vừa trải qua một cuộc cách mạng và đạt được những thành tựu mà kĩ thuật công hưởng từ hạt nhân truyền thống trước đây không làm được. [3]
Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các notron. Số lượng tử spin của proton cũng như notron đều bằng ½. Tùy thuộc vào việc các spin của những hạt nucleon đó có cặp đôi hay không mà hạt nhân của nguyên tử có thể được đặc trưng bởi một số lượng tử spin hạt nhân I bằng không hoặc khác không. Nếu spin của tất cả các nucleon đều cặp đôi thì số lượng tử spin bằng không. Nếu ở hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I= 1
2 , nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I ≥ 1 [3].
Dung môi dùng trong NMR cần không được chứa những hạt nhân cho tín hiệu che lấp tín hiệu chính. Thí dụ đối với cộng hưởng từ proton thường sử dụng các dung môi như CCl4, CDCl3, CD3OD... Việc lựa chọn dung môi phải dựa vào tính tan của chất nghiên cứu [3].
i. Phổ cộng hưởng từ nhân proton (1H-NMR)
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 [9].
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 [9].
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 [14]:
Hình 2.6: Phổ 1H NMR của isobutyl acetat
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 [9].
Sự tương tác (tách vạch phổ)và hằng số tương tác J cho biết proton nào tương tác với proton nào.
Hạt nhân cuả nguyên tử 1H và một số nguyên tử khác cũng có số khối lẻ như 13C , 9F… đều có momen từ. Nếu đặt proton chẳng hạn trong từ trường không đổi thì momen từ của nó có thể định hướng cùng chiều hay ngược chiều với từ trường. Đó là vì spin hạt nhân có tính chất lượng tử.
Để nhận được tín hiệu hấp thụ cộng hưởng từ proton nói riêng và cộng hưởng từ hạt nhân nói chung, người ta giữ cho không đổi và biến đổi H0, nhờ thế nhận được đường cong hấp thụ, từ đó thu được những đại lượng cơ bản của phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton nói riêng hay phổ cộng hưởng từ hạt nhân nói chung. Đó là độ dịch chuyển hóa học , được biểu thị bằng ppm (ppm nghĩa là một phần triệu, từ tiếng Anh part per million) và hằng số tương tác spin- spin J, đơn vị là Hz.
Độ chuyển dịch hóa học được xác định bằng quãng cách giữa tín hiệu của nhóm những tín hiệu của proton được khảo sát và tín hiệu của proton ở chất chuẩn. Chất chuẩn thường dùng là tetrametylsilan (CH3)4Si (viết tắt là TMS, có = 0). Độ chuyển dịch hóa học là một đại lượng có tính đặc trưng.
Bảng 2.1: Độ chuyển dịch hóa học của proton
Loại proton (ppm) Loại proton (ppm) R- CH3 R- CH2- R R3CH RC≡CH R2C=CH2 0,8÷ 1,0 1,2÷ 1,4 1,4÷ 1,6 1,8÷ 3,0 4,5÷ 6,5 Ar- H R- OH Ar- OH R- CH=O R- COOH 6,5÷ 8,5 0,5÷ 5,0 4,5÷ 8,0 9÷ 10 10,5÷ 12 Dựa vào giá trị trên phổ ta biết được loại proton nào có mặt trong phân tử chất được khảo sát.
Hằng số tương tác spin- spin J: Một proton hoặc một nhóm proton có thể cho tín hiệu cộng hưởng đặc trưng chỉ có một vạch đơn hoặc một nhóm nhiều ảnh.
Từ trị số của J ta có thể rút ra kết luận về vị trí tương đối của các protoncos tương tác với nhau trong một phân tử.[8]
ii. Phổ cộng hưởng từ nhân carbon-13 (13C-NMR)
Độ chuyển dịch hóa học của 13C trong các hợp chất hữu cơ biến đổi trong khoảng từ 0- 230 ppm (so với TMS) tức là gấp khoảng 20 lần so với sự biến đổi độ chuyển dịch hóa học của 1H [3].
Một đặc điểm quan trọng về cường độ ở phổ 13C NMR khử hoàn toàn tương tác spin-spin với proton là: những pic có cường độ nhỏ thường tương ứng với các nguyên tử C không đính với hidro, còn những pic có cường độ lớn thì ứng với các nguyên tử cacbon đính với một hoặc nhiều nguyên tử hidro [3].
Hiện nay việc đo phổ 13C đã đạt tới độ chính xác ± 0,01ppm, vì thế mỗi nguyên tử C không tương đương trong phân tử đều cho một tín hiệu riêng, rất hiếm khi bị xen lấp bởi tính hiệu của nguyên tử C khác. Việc sử dụng phổ DEPT và các kĩ thuật khác sẽ giúp ta nhanh chóng xác định được bộ khung cacbon của phân tử. Điều đó rất quan trọng trong việc xác định cấu trúc phân tử [3].
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 [16].
iii. DEPT
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.
Trong kỹ 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 phân tử sẽ có các pha khác nhau, phụ thuộc vào số nguyên tử hidro 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 ra.
Một phương pháp chung để trình bày kết quả của phép thực nghiệm DEPT là vẽ đường phổ thành 4 phổ thành phần. Mỗi phổ thành phần cung cấp thông tin khác nhau.
Bằng sự vận dụng toán học của các kết quả cho mỗi chuỗi xung DEPT khác nhau, ta có thể trình bày các kết quả dưới dạng dãy các phổ thành phần, trong đó chỉ carbon CH xuất hiện ở phổ thành phần thứ nhất, chỉ các carbon CH2 xuất hiện ở phổ thành phần thứ hai, và chỉ carbon CH3 xuất hiện ở phổ thành phần thứ ba. Các ý nghĩa chung khác nhau của các kết quả DEPT có thể thấy chỉ ở phép thực hiện DEPT-135. Nói chung, ta có thể giải thích các kết quả phổ này bằng cách áp dụng các hiểu biết về sự khác nhau của độ chuyển dịch hóa học để phân biệt giữa các carbon CH và CH3.
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
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 [9].
Hình 2.8: Phổ IR của ba hợp chất có công thức C3H7O2N
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 [9].
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 [9].
Sự hấp thụ các bức xạ hồng ngoại dẫn đến sự dao động phân tử. Có hai loại dao động chính:
Dao động hóa trị (kí hiệu ) là những dao động làm thay đổi độ dài liên kết nhưng góc liên kết vẫn không đổi. Dao động biến dạng (kí hiệu ) là dao động làm thay đổi góc liên kết, nhưng không thay đổi độ dài liên kết.
Phổ hồng ngoại của một chất được máy phổ ghi một cách tự động thành một phổ đồ, trên đó có các cực đại hấp thụ ứng với những dao động đặc trưng của các nhóm nguyên tử hay các liên kết. Số sóng dao động của các nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử hữu cơ có tính cách đặc trưng, tức là mỗi nhóm có tần số nằm trong một vùng hẹp nhất định của phổ. Phổ hồng ngoại được dùng rất phổ biến để nhận ra sự có mặt của các nhóm nguyên tử trong phân tử. Phổ hồng ngoại còn được dùng để đánh giá độ tinh khiết và phân tích định tính cũng như định lượng chất hữu cơ [8].
2.3.2.3 Phương pháp phổ khối lượng ESI-MS
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). Trong khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp này chúng tôi sử dụng phương pháp ESI (Electrospray Impact-phun mù điện tử). 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]+, … [9], [12].