2.3.4.1 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Hạt nhân của nguyên tử 1H và một số nguyên tử khác cũng có số khối lẻ như 13C, 19F ..., 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 [6]. Do đó 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):
- Số lượng tín hiệu (vạch phổ), vị trí vạch phổ (độ chuyển dịch hóa học, H) trên phổ cộng hưởng từ nhân proton xác nhận các loại proton khác nhau và môi trường bao quanh mỗi proton trong phân tử.
- Để biết proton thuộc loại proton nào: thơm, béo, bậc một, bậc hai, bậc ba,…ta dựa vào vị trí của tín hiệu. 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 [7].
Trên phổ 1H-NMR tín hiệu các proton được ghi nhận thông qua độ chuyển dịch hóa học. Độ dịch chuyển hóa học được xác định bằng quãng cách giữa tín hiệu của nhóm những tín hiệu của proton (hay hạt nhân) được khảo sát và tín hiệu của proton hay hạt nhân ở chất chuẩn. Chất chuẩn thường dùng là TMS được gán = 0 ppm. Độ dịch chuyển hóa học của một số loại proton được trình bày trong Bảng 2.1 [6].
Bảng 2.1. Độ chuyển dịch hóa học của proton
Loại proton (ppm) Loại proton (ppm)
R-CH3 R-CH2-R R3CH R2C=CH2 0,8÷1,0 1,2÷1,4 1,4÷1,6 4,5÷6,5 Ar-H R-OH R-CH=O R-COOH 6,5÷8,5 0,5÷5,0 9÷10 10,5÷12 - Để biết số proton cùng loại ta dựa vào cường độ tín hiệu.
- Người ta thường dựa vào sự tương tác (tách vạch phổ) và hằng số tương tác spin – spin (J) để biết proton nào tương tác với proton nào.
+ Hằng số tương tác spin – spinJ: Một proton hoặc một nhóm proton có thể cho tín hiệu cộng hưởng đặc trưng chỉ có một vạch đơn (singlet) hoặc một nhóm nhiều vạch (multiplet). Quãng cách giữa các vạch kề nhau của một nhóm nhiều vạch được gọi là hằng số tương tác spin – spin (J) với đơn vị Hz[6]. 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].
+ Sự tách vạch phổ gây nên bởi sự tương tác tương tác J. 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. 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. Hình 2.7 minh họa về sự tách vạch phổ.
Hình 2.7.Ví dụ minh họa về sự tách vạch phổ
Bên cạnh phổ cộng hưởng từ proton (phổ 1H-NMR) người ta thường áp dụng song song phổ cộng hưởng từ 13C (phổ 13C-NMR). Phổ 13C-NMR được sinh ra theo cách giống như phổ 1H-NMR [6],[7].
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 [5].
- Để xác định có bao nhiêu nhóm carbon khác nhau hay nhóm carbon tương đương khác nhau có ở trong phân tử ta dựa vào số lượng tín hiệu.
- Để biết có bao nhiêu hiđro gắn với mỗi carbon ta dựa vào sự tách vạch tín hiệu. 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 [7].
- Để xác định trạng thái lai hóa (sp3, sp2,sp) của mỗi carbon, xác định môi trường electron bao quanh mỗi carbon đối với nhau, carbon gần bên cạnh hay các nhóm chức người ta dựa vào độ chuyển dịch hóa học (C) [7].
Thang độ chuyển dịch hóa học C-13[14]
Hình 2.8. Độ chuyển dịch hóa học carbon-13
DEPT: Phổ DEPT thường được dùng để hỗ trợ phân tích phổ 13C- NMR.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 [5].
Propyl benzoate [15]
Phổ COSY (1H-1H COSY):
Phổ COSY cho tín hiệu của các proton ở gần nhau (geminal, vicinal). Sự tương tác giữa các proton này giúpxác định được các chuỗi liên kết trong phân tử. Hình 2.10 minh họa phổ COSY.
Propyl benzoate [15]
Hình 2.10. Hình ảnh minh họa phổ 1H-1H COSY
HSQC:
Phổ HSQC cho tín hiệu của các proton và carbon liên kết trực tiếp với nhau; sự tương tác giữa các tín hiệu nàynhằm xác định được các carbon tương ứng với proton trong các nhóm CH3, CH2, CH.
Propyl benzoate [15]
Hình 2.11. Hình ảnh minh họa phổ HSQC
HMBC:
Phổ HMBC 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 . Phổ này cho tín hiệu tương tác xa giữa proton và carbon cách nhau 2 hoặc 3 liên kết (2J,
Propyl benzoate [15]
Hình 2.12. Hình ảnh minh họa phổ HMBC
2.3.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phương pháp phổ hồng ngoại được dùng rất phổ biến để nhận ra sự có mặt của các nhóm nguyên tử trong phân tử, đồng thời cũng dùng để đánh giá độ tinh khiết và phân tích định tính cũng như định lượng chất hữu cơ.
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.
Ví dụ phổ hồng ngoại của pentan trên hình 2.13 cho thấy các dao động của C-H ở 2960÷2850cm-1 và 1470÷1350cm-1 [6].
Hình 2.13. Phổ IR của pentane
Số sóng dao động của các nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử hữu cơ có tính đặc trưng, hay mỗi nhóm có tần số nằm trong vùng hẹp nhất định của phổ.Tần số của một số nhóm nguyên tử trong phân tử được trình bày trong bảng 2.2 [6].
Bảng 2.2. Tần số của một số nhóm nguyên tử trong phổ hồng ngoại
Nhóm nguyên tử Tần số C-H ankan 2960÷2850 cm-1 C-H anken 3050÷3020 cm-1 C=C anken 1680÷1620 cm-1 C=C aren 1600÷1450 cm-1 C=O xeton no 1740÷1700 cm-1
C=O xeton không no 1685÷1665 cm-1
O-H ancol không lk hidro 3650÷3590 cm-1
O-H ancol lk hidro 3590÷3200 cm-1
N-H amin 3600÷3200 cm-1
2.3.4.3 Phương pháp phổ khối lượng(MS-Mass Spectrum)
Thông thường các ion được phân tách dựa trên tỉ lệ khối lượng/điện tích (m/z). Do đó phương pháp phổ khối lượng chủ yếu dựa vào sự ion hóa các
phân tử. Để ion hóa phân tử người ta sử dụng một số kĩ thuật như sử dụng phương pháp EI (Electron Impact-va chạm điện tử) và phương pháp ESI (Electrospray Impact-phun mù điện tử) [5].
Đối với các hợp chất có phân tử khối nhỏ và phân tử sẽ bị ion hóa rồi phân tách thành các mảnh ion nhỏ hơn, người ta sử dụng phương pháp EI. Ngược lại 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]+, … người ta thường sử dụng phương pháp ESI.
Ví dụ, hợp chất propan- 2-onecó M = 58; trên phổ EI-MS (hình 2.14) cho pic M+m/z= 58 và ion mảnh có m/z=43.
Hình 2.14. Minh họa phổ EI-MS
Saccopetrin A[3]