1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHỨC CHẤT
1.4.1. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)
Khi hấp thụ những bức xạ trong vùng hồng ngoại, năng lượng phân tử tăng lên 8 - 40 kJ/mol. Đây chính là khoảng năng lượng tương ứng với tần số của dao động biến dạng và dao động quay của các liên kết trong hợp chất. Sự hấp thụ xảy ra khi tần số của bức xạ của tia tới bằng với tần số dao động riêng của một liên kết nào đó trong phân tử. Tần số dao động riêng của các liên kết trong phân tử được tính theo công thức:
1 k
2 C
Trong đó:
à: Khối lượng rỳt gọn, à = m1m2/(m1+m2).
k: Hằng số lực tương tác, phụ thuộc bản chất liên kết.
C: Tốc độ ánh sáng C = 3.1010 cm/s.
ν: Tần số dao động riêng của liên kết.
Như vậy, mỗi liên kết có một tần số dao động riêng xác định, phụ thuộc vào bản chất các nguyên tố tham gia liên kết và môi trường mà liên kết đó tồn tại. Khi tham gia tạo liên kết phối trí với các ion kim loại các dải hấp thụ của nhóm đang xét sẽ bị chuyển dịch về vị trí hay thay đổi về cường độ. Từ sự dịch chuyển về vị trí hay sự thay đổi về cường độ của các dải hấp thụ có thể thu được một số thông tin về mô hình tạo phức của phối tử đã cho.
Bảng 1.1- Các dải hấp thụ thụ chính trong phổ hấp thụ hồng ngoại của thiosemicacbazit
i cm1 Quy kết i cm1 Quy kết
1 3380 as(N4H2) 8 1545 (CN4)
2 3350 as(N1H2) 9 1490 (HNC,HNN)
3 3290 s(N4H2) 10 1420 as(CNN)
4 3210 s(N1H2) 11 1320 s(CNN)
5 1600 (NH) 12 1295 as(NNH)
6 1650 (HN4H) 13 1018 as(HN4C)
7 1628 (HN1H) 14 810 (CS)
Phổ hấp thụ hồng ngoại đã được sớm sử dụng trong việc nghiên cứu các thiosemicacbazon cũng như phức chất của chúng với các kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp của hợp chất thiosemicacbazon mà các tính toán lý thuyết để đưa ra các quy kết cụ thể còn gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy, việc quy kết các dải hấp thụ trong phân tử và trong phức chất của chúng còn chủ yếu dựa vào phương pháp gần đúng dao động nhóm. Trong các tài liệu khác nhau [3, 5, 23], đều có chung nhận xét dải hấp thụ đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm C = S thay đổi trong một khoảng rộng từ 750 - 900 cm1 và dải này có xu hướng giảm cường độ và dịch chuyển về phía tần số thấp hơn khi tham gia tạo phức. Trong quá trình tạo phức, nếu xảy ra sự thiol hoá thì dải hấp thụ đặc trưng cho dao động của nhóm CNN thường xuất hiện trong khoảng từ 1300 đến 1400 - 1500cm1.
Trong các tài liệu khác nhau [1, 4, 7], đều có chung nhận xét dải hấp thụ đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm C = S thay đổi trong một khoảng rộng từ 805 - 830 cm1 và dải này có xu hướng giảm cường độ và dịch chuyển về phía tần số thấp hơn khi tham gia tạo phức. Đặc biệt [7] cho rằng, trong phổ hấp thụ hồng ngoại của các hợp chất chứa lưu huỳnh có thể gán dải ở 1050 - 1200 cm-1 cho dao động hóa trị của nhóm C = S. Trong quá trình tạo phức, nếu xảy ra sự thiol hoá thì dải hấp thụ đặc trưng cho dao động của nhóm CNN thường dịch chuyển về phía tần số cao hơn, và xuất hiện trong khoảng từ 1300 đến 1500 cm1 như trong phức chất của thiosemicacbazon salixylanđehit, isatin, axetyl axeton với Cu2+, Ni2+, Co3+...
1.4.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H
Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân là một trong những phương pháp hiện đại nhất được ứng dụng để xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ.
Một hạt nhân có spin (I) khác không khi được đặt trong từ trường thì nó có thể chiếm (2I + 1) mức năng lượng khác nhau. Sự chênh lệch giữa các mức năng lượng ấy phụ thuộc vào cường độ từ trường xung quanh hạt nhân đó. Từ trường này là từ trường ngoài cộng với từ trường ngược chiều gây ra bởi sự chuyển động của lớp vỏ điện tử xung quanh hạt nhân. Như vậy, hiệu mức năng lượng của hạt nhân từ
không những phụ thuộc vào từ truờng ngoài mà còn phụ thuộc vào chính lớp vỏ điện tử xung quanh hạt nhân ấy. Điều này dẫn tới các hạt nhân khác nhau đặt trong từ trường ngoài sẽ cần các năng lượng khác nhau để thay đổi mức năng lượng của mình. Trong phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân, năng lượng kích thích các hạt nhân gây ra bởi một từ trường biến đổi có tần số tương đương với tần số sóng vô tuyến. Bằng cách thay đổi tần số của từ trường kích thích, ta sẽ thu được các tín hiệu cộng hưởng của các hạt nhân từ khác nhau trong phân tử và có thể xác định một cách cụ thể cấu trúc của các hợp chất hoá học.
Các phân tử thiosemicacbazon và phức chất của chúng đều không có nhiều proton nên việc quy kết các pic trong phổ 1H - NMR tương đối dễ dàng. Thông thường, proton có mặt trong các nhóm OH, NH - hiđrazin, NH - amit, CH = N và SH; đôi lúc có thêm proton của các nhóm NH2, CH3, C6H5 và CH2. Trong phổ cộng hưởng từ proton của NH - hiđrazin cho tín hiệu cộng hưởng ở khoảng 11,5 ppm, proton ở liên kết đôi HC=N ở vùng gần 8,3 ppm và proton của OH ở khoảng 10 ppm.
1.4.3. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C
Phương pháp cộng hưởng 13C bổ trợ cho việc nghiên cứu cấu tạo của phối tử và phức chất vì số lượng các nguyên tử C trong chúng cũng không nhiều.
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C cho các tín hiệu của các loại C. Trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C ở những dạng thường như 13C - CPD hay DEPT, tương tác spin - spin C – C hay C – H đã được khử, nên không có sự tách vạch như trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton [7].
Dung môi dùng trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân không được chứa những hạt nhân có tín hiệu che lấp tín hiệu chính. Thường được sử dụng là các dung môi đã bị đơterri hóa như CCl4, CDCl3, CD2Cl2, CD3OD, CD3COCD3, D2O, DMSO - d6... Trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C luôn có tín hiệu của cacbon của dung môi. Dung môi thường được dùng trong ghi phổ cộng hưởng từ hạt nhân của thiosemicacbazon và phức chất của nó là DMSO hoặc CDCl3. Trong phổ cộng
hưởng từ hạt nhân người ta quan tâm nhiều đến độ chuyển dịch hóa học của các proton hay cacbon. Các nghiên cứu [23], [19], [44] đã chỉ ra rằng tín hiệu cộng hưởng của proton nhóm CH3 thường xuất hiện với các pic sắc nét, độ chuyển dịch hóa học trong khoảng 1 - 3 ppm, các tín hiệu cộng hưởng trong vòng pyriđin xuất hiện trong khoảng từ 5 - 8 ppm. Trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C, tín hiệu cộng hưởng của cacbon nhóm CS thay đổi không đáng kể khi chuyển từ phối tử tự do vào phức chất, thường trong khoảng 175 ppm. Tín hiệu cộng hưởng của cacbon nhóm C = N lại thay đổi nhiều, khi chuyển từ phối tử vào phức chất [23], [31].
Trong phối tử, cacbon nhóm này cộng hưởng trong khoảng 140 ppm còn trong phức chất cacbon này cộng hưởng ở khoảng 150 ppm. Cacbon trong vòng pyriđin thường cộng hưởng trong khoảng 110 - 130 ppm trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C của thiosemicacbazon và thường thay đổi không đáng kể khi chuyển từ phối tử tự do vào phức chất]. Tín hiệu cộng hưởng của cacbon gốc metyl thường xuất hiện trong khoảng 30 ppm.
1.4.4. Phương pháp phổ khối lượng
Phương pháp phổ khối là phương pháp khá hiện đại và quan trọng trong việc xác định một cách định tính và định lượng thành phần cũng như cấu trúc của các hợp chất hoá học. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là có độ nhạy cao, cho phép xác định chính xác phân tử khối của các hợp chất.
Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng đối với các chất hữu cơ là sự bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hoà bằng các phân tử mang năng lượng cao để biến chúng thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc phá vỡ thành các mảnh ion, các gốc. Tuỳ thuộc vào cấu tạo và tính chất của chất nghiên cứu mà người ta chọn phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá thích hợp.
Hiện nay, trong phương pháp phổ khối người ta thường áp dụng các phương pháp ion hoá khác nhau như: ion hoá hoá học (CI), ion hoá bằng phương pháp bụi electron (ESI), bắn phá bằng nguyên tử tăng tốc (FAB), phun mù electron dùng khí trợ giúp (PAESI)… Các phương pháp này đều có những ưu và nhược điểm riêng.
Tuy nhiên, trong số các phương pháp trên, phương pháp bụi electron phù hợp nhất và được sử dụng để nghiên cứu các phức chất của kim loại. Ưu điểm của phương pháp này là năng lượng ion hoá thấp do đó không phá vỡ hết các liên kết phối trí giữa kim loại và phối tử. Dựa vào phổ khối lượng có thể thu được các thông tin khác nhau như: khối lượng phân tử chất nghiên cứu, các mảnh ion phân tử, tỉ lệ các pic đồng vị. Từ các thông tin này có thể xác định được công thức phân tử của phức chất và cấu tạo của phức chất dựa vào việc giả thiết sơ đồ phân mảnh.
Các phức chất nghiên cứu đều chứa các nguyên tố có nhiều đồng vị nên pic ion phân tử sẽ tồn tại dưới dạng một cụm pic của các đồng vị, cường độ của mỗi pic đồng vị sẽ tỉ lệ thuận với xác suất kết hợp của một bộ các đồng vị của các nguyên tố có trong phân tử. Cường độ tương đối giữa các pic trong cụm pic đồng vị cũng cho ta thông tin để xác nhận thành phần phân tử hợp chất nghiên cứu. Muốn vậy, người ta đưa ra công thức phân tử giả định của hợp chất nghiên cứu. Tính toán lý thuyết cường độ tương đối của các pic đồng vị sau đó so sánh với cường độ của các pic trong phổ thực nghiệm để suy ra sự tương quan tỷ lệ các pic đồng vị theo thực tế và theo lý thuyết từ đó khẳng định công thức phân tử phức chất giả định. Việc tính toán lý thuyết được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm tính toán trên website:
http://www.sisweb.com/mstools/isotope.htm (Isotope Distribution Calculator online).