- Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
4.3. Tương tác spin – spin
Phân tử etanol CH3CH2OH lẽ ra trong phổ CHTHN-1H chỉ có 3 tín hiệu ứng với 03 nhóm CH3, CH2 và OH nhưng trên phổ thực nghiệm xuất hiện bội đỉnh ở mỗi nhóm: CH3 là 03 đỉnh, CH2 là 04 đỉnh và OH là 03 đỉnh (với etanol khan tuyệt đối) hoặc 1 đỉnh (etanol thường) như hình vẽ dưới:
3,7 2,5 1,2 0 δ, ppm HO CH2 CH3
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 1H của etanol
Nguyên nhân của sự xuất hiện bội đỉnh này là do sự tương tác của các proton nằm cạnh nhau. Mỗi proton giống như một nam châm nhỏ, nó sinh ra hai từ trường phụ ngược chiều nhau tác dụng lên proton ở bên cạnh làm phân tách mức năng lượng của từ trường ngồi B0 tác dụng lên proton đó, kết quả sinh ra tín hiệu bội, sự phân tách mức năng lượng thế nào tuỳ thuộc vào số proton ở mỗi nhóm. Hiện tượng này được gọi là tương tác spin – spin.
Để hiểu rõ vấn đề này, có thể khảo sát một ví dụ cụ thể là sự tương tác của các proton trong phân tử 1,1,2-tricloetan dưới đây trong đó các proton được kí hiệu là Ha, Hb, Hc.
Trước tiên, có thể coi Ha là một nam châm nhỏ, nó sinh ra hai từ trường phụ ngược chiều nhau. Từ trường phụ này tác dụng lên vùng quanh hạt nhân Hb và Hc có thể qua không gian hoặc e liên kết, phân tác dụng qua không gian gọi là tương tác trực tiếp nhưng đối với
chất khí và lỏng nó xảy ra rất nhanh khơng đo được, phần tác dụng qua e xảy ra chậm hơn có thể phát hiện được gọi là tương tác khơng trực tiếp. Đối với chất rắn có thể đo được tương tác spin – spin qua không gian, kết qua cho một tín hiệu rộng.
Ở đây, hạt nhân Ha tác dụng lên hạt nhân Hb và Hc 2 từ trường phụ ngược chiều nhau, làm phân tách mức năng lượng của từ trường ngoài tác động lên Hb và Hc thành 2 mức do đó cho hai tín hiệu phổ. VÌ Hb và Hc được cọi là tương đương nên 2 tín hiệu phổ này là của cả Hb và Hc.
Ngược lại, Hb và Hc cũng tác động lên Ha bằng hai từ trường phụ ngược chiều nhau, tổ hợp lại ta sẽ có các hình khác nhau như hình dưới:
Hb ↑ ↑↓ ↓
↑ B0 Hc ↑ ↓↑ ↓
Nhìn sơ đồ trên thấy có ba trường hợp khác nhau: thứ nhất Hb và Hc tác động lên Ha ngược chiều nhau, trường hợp thứ 3 cả Hb và Hc tác động lên Ha hai từ trường phụ ngược chiều nhau với từ trường ngoài Bo. Kết quả là mức năng lượng B0 tác động lên Ha phân tách làm ba mức và do đó cho ba tín hiệu phổ khác nhau như hình vẽ trên ứng với nhóm Cl2CH- nhận được ba đỉnh cịn đối với nhóm ClCH2- nhận được 2 đỉnh.
Độ bội của tín hiệu (số đỉnh trong mỗi nhóm) phụ thuộc vào số proton nhóm bên cạnh mà nó tương tác.
Độ bội M = N + 1 (N-số của những hạt nhân từ tương đương ở bên cạnh) Ví dụ: độ bội của các nhóm như sau:
1) 1,1,2-Tricloetan: Cl2CH-CH2Cl CHCl2: 2+1 = 3 đỉnh 1+1 = 2 đỉnh : CH2Cl Nhóm CH có 3 đỉnh cịn nhóm CH2có 2 đỉnh 2) Etanol: HO – CH2 – CH3 CH3: 3 + 1 = 4 đỉnh 2 + 1 = 3 đỉnh Nhóm CH2 có 4 đỉnh cịn nhóm CH3 có 3 đỉnh 3) 2 – Clopropan Cl-CH(CH3)2 CH: 6 + 1 = 7 đỉnh 1 + 1 = 2 đỉnh: CH3
Tỷ lệ cường độ tín hiệu của mỗi nhóm tn theo tam giác Pascal như sau:
Tỷ lệ chiều cao các vạch trong mỗi nhóm Số đỉnh Ký hiệu Số proton (N)
1 1 đỉnh Singlet 0 1:1 2 đỉnh duplet 1 1:2:1 3 đỉnh Triplet 2 1:3:3:1 4 đỉnh Qualet 3 1:4:6:4:1 5 đỉnh Quynlet 4 1:5:10:10:5:1 6 đỉnh Sexlet 5 1:6:15:20:15:6:1 7 đỉnh septet 6
Nhìn sơ đồ trên thấy các nhóm tín hiệu có độ bội lớn thì cường độ tín hiệu đỉnh giữa và đỉnh ngồi gấp nhau nhiều lần vì thế đối với nhóm 6, 7 đỉnh trở lên thì chỉ xuất hiện một số ít hơn. Ví dụ nhóm 7 đỉnh thường chỉ xuất hiện 5 đỉnh.
Ngoài ra khoảng cách giữa hai đỉnh liền nhau ở mỗi nhóm được đo bằng Hertz (Hz) và được gọi là hằng số tương tác spin-spin J. Đây là một thông số phổ quan trọng như độ chuyển dịch hoá học.