Khi chiếu một chùm bức xạ hồng ngoại đa sắc vào một môi trường chứa chất hoạt động ở vùng sóng hồng ngoại thì cường độ chùm tia tới Io thường lớn hơn chùm tia đi ra I. Tỷ số I/Io gọi là độ hấp thụ ánh sáng, nếu vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ ánh sáng vào một đại lƣợng đặc trƣng cho bản chất ánh sáng, chẳng hạn số sóng ν(cm-1), ta sẽ thu được một đường cong phức tạp, với những cực đại và cực tiểu. Đường cong này gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại của chất nghiên cứu.
Khi hấp thụ những bức xạ trong vùng hồng ngoại, năng lƣợng 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 cộng hóa trị. Sự hấp thụ xảy ra khi tần số của tia tới bằng với tần số dao động riêng của một liên kết nào đó trong phân tử.
Mỗi liên kết có một tần số dao động riêng xác định, phụ thuộc vào bản chất các nguyên tố tham gia tạo liên kết phối trí với các kim loại, các dải hấp thụ của các nhóm đang xét dịch chuyển về vị trí và thay đổi về cường độ. Từ đó ta thu được một số thông tin và mô hình tạo phức của phối tử [1,7].
Phổ hồng ngoại sớm đã đƣợc sử dụng trong việc nghiên cứu các thiosemicacbazon cũng nhƣ phức chất của chúng với các kim loại chuyển tiếp.
Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp của các hợp chất thiosemicacbazon mà các tính toán lý thuyết để đƣa ra các quy kết cụ thể còn gặp nhiều khó khăn. Vì vậy việc quy kết các dải hấp thụ trong phân tử và trong phức chất của chúng còn chủ yếu
11
dựa vào phương pháp gần đúng dao động nhóm. Hiện nay, sự quy kết các dải hấp thụ trong phổ của các thiosemicacbazit và thiosemicacbazon vẫn chƣa hoàn toàn thống nhất. Theo [7] ta có một số dải và quy kết các dải hấp thụ chính nhƣ bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các dải hấp thụ chính trong phổ hấp thụ hồng ngoại của thiosemicacbazon
ʋi cm-1 Quy kết ʋi cm-1 Quy kết
ʋ1 3380 ʋas(4NH2) ʋ8 1545 ʋ(C4N) ʋ2 3350 ʋas(1NH2) ʋ9 1490 δ(HNC,HNN) ʋ3 3290 ʋs(4NH2) ʋ10 1420 ʋas(CNN) ʋ4 3210 ʋa(1NH2) ʋ11 1320 ʋs(CNN)
ʋ5 1600 ʋ(NH) ʋ12 1295 δ(H4NH)
ʋ6 1650 δ(H4NH) ʋ13 1018 δ(H4NH)
ʋ7 1628 δ(H4NH) ʋ14 810 ʋ(CS)
Dải hấp thụ đặc trƣng cho dao động hóa trị của nhóm C=S thay đổi trong một khoảng rộng từ 830 – 750 cm-1 và dải này có xu hướng giảm cường độ và dịch chuyển về phía có tần số thấp hơn khi tham gia tạo phức. Liên kết NH dao động trong khoảng từ 4000 – 3000 cm-1 và có xu hướng thay đổi về số dải dao động khi tham gia tạo phức. Trong quá trình tạo phức, nếu xảy ra sự thiol hóa thì dải hấp thụ đặc trƣng cho dao động của các nhóm CN, CNN, NN chuyển về số sóng thấp hơn khi phối tử tham gia tạo phức và thường dao động trong khoảng 1500 – 1000 cm-1.
Đặc trƣng cho sự tạo phức còn có xuất hiện các dải dao động hóa trị kim loại – phối tử (M-X, M là số nguyên tử kim loại, X là nguyên tử phi kim phối trí). Tần số dao động riêng của liên kết M-X thường nằm trong vùng 500 – 200 cm-1, tăng khi đặc tính cộng hóa trị của liên kết M-X tăng. Ngược lại, có những trường hợp làm tăng tần số hóa trị của liên kết trong phức so với phối tử [1,8].
1.3.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các nơtron. Số lƣợng tử spin của proton cũng nhƣ của nơtron đều bằng ẵ. Tựy thuộc vào việc spin của cỏc nucleon đó có cặp đôi hay không mà spin hạt nhân I của nguyên tử sẽ bằng không hoặc khác không. Nếu spin của tất cả các hạt nucleon đều cặp đôi thì số lƣợng tử spin hạt nhân
12
I=0, nếu ở hạt nhõn cú một spin khụng cặp đụi thỡ I = ẵ, nếu cú nhiều spin khụng cặp đôi thì I ≥ 1 [7,9,17].
Một hạt nhân có I khác không, khi được đặt trong một từ trường ngoài Ho sẽ tách thành (2I + 1) mức năng lƣợng khác nhau. Mức năng lƣợng thấp nhất sẽ có mật độ phân bố lớn nhất. Thực nghiệm cho thấy hiệu số giữa các mức năng lƣợng này bằng năng lƣợng của các bức xạ điện từ thuộc vùng sóng vô tuyến. Do vậy khi kích thích các hạt nhân bằng bức xạ vô tuyến tương ứng, một số hạt nhân sẽ hấp thụ năng lƣợng để chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Thiết bị NMR sẽ ghi nhận sự hấp thụ này và sau khi xử lý sẽ in ra phổ tương ứng.
Sự chênh lệch giữa mức năng lƣợng ở trạng thái kích thích và cơ bản phụ thuộc vào từ trường tổng cộng tác động lên hạt nhân. Từ trường tổng cộng này bao gồm từ trường ngoài Ho và từ trường phụ (từ trường cảm ứng). Từ trường phụ được gây ra bởi lớp vỏ điện tử xung quanh hạt nhân (sự chắn tại chỗ) và của các electron ở các nguyên tử bên cạnh (sự chắn từ xa). Các hạt nhân nằm trong môi trường có mật độ electron khác nhau sẽ cần các năng lƣợng khác nhau để đạt trạng thái cộng hưởng. Trong phương pháp NMR truyền thống (phương pháp NMR sóng liên tục), từ trường Ho được giữ cố định, chỉ thay đổi tần số vô tuyến (quét tần số). Các proton không tương đương nhau sẽ cộng hưởng ở các tần số khác nhau nên cần một thời gian quét sao cho toàn bộ proton lần lượt cộng hưởng [3].
Các nghiên cứu cho thấy phân tử thiosemicacbazon và phức của nó đều không có nhiều proton nên việc quy kết các pic trong cộng hưởng từ hạt nhân tương đối dễ dàng. Thông thường trong các hợp chất này, proton có mặt trong các nhóm OH,
1NH, 2NH, CH=N và SH, có thể có thêm các nhóm NH2, CH3, C6H5 và CH2. 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 benzen xuất hiện trong khoảng 6-8 ppm. Trong các thiosemicacbazon, proton nhóm
2NH cộng hưởng khoảng 11 ppm, nhưng khi chuyển vào phức chất thì tín hiệu cộng hưởng từ này của proton bị biến mất. Đây là bằng chứng cho thấy thiosemicacbazon bị thiol hóa trong quá trình tạo phức. Ngoài ra, các công trình đã công bố đã xác
13
nhận rằng nhóm NH2 trong phân tử thiosemicacbazon cũng không hoàn toàn quay tự do, điều này thể hiện ở một số trường hợp, xuất hiện hai tín hiệu gần nhau ở vùng gần 8-9 ppm, khi chuyển vào phức chất hai proton này thường cộng hưởng ở cùng một vị trí.
Ngoài ra, trong phổ cộng hưởng từ còn xuất hiện các pic tín hiệu của proton còn sót lại của dung môi và của nước ẩm. Dung môi thường dùng đo là CDCl3 và DMSO.
1.3.3. Phương pháp phổi khối lượng ESI-MS
Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung hòa thành ion phân tử và các ion mảnh có số khối A = m/z (m là khối lƣợng, z là điện tích ion), sau đó phân tách những ion này theo số khối. Dựa vào phổ khối lƣợng có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên cứu.
Quá trình ion hóa phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: cấu tạo của phân tử, phương pháp bắn phá, năng lượng bắn phá. Có thể thực hiện quá trình này bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp va chạm electron (EI: electron ionization), phương pháp ion hóa phun điện tử (ESI: electrospray ionization), phương pháp ion hóa hóa học (CI: chemicalionization).
ESI là phương pháp ion hóa phổ biến dùng cho nghiên cứu phức chất và phù hợp với các hợp chất kém bay hơi. Phương pháp này có đặc điểm là quá trình ion hóa xảy ra êm dịu. Trong kỹ thuật ESI, các ion dương thường được tạo thành do gắn thêm một proton và các ion âm đƣợc tạo thành do mất bớt một proton, do vậy ion dương [M+H]+ có khối lượng lớn hơn khối lượng phân tử một đơn vị và ion âm [M – H]- có khối lượng nhỏ hơn khối lượng phân tử một đơn vị. Trong nhiều trường hợp các ion dương được tạo thành do kết hợp với các cation sẵn có trong dung dịch như Na+, K+,NH+4 nên các ion dương [M+Na]+, [M+K]+, [M + NH4]+. Đối với phức chất chứa các phối tử mang điện tích âm linh động như các halogenua X-, ion dương [M – X]+ còn có thể tạo thành khi các phối tử này bị tách ra khỏi phân tử.
1.3.4. Phương pháp đo nhiễu xạ tia X
Khi chiếu tia X đi qua một đơn tinh thể của một chất cần nghiên cứu, tia X bị nhiễu xạ và tách thành nhiều tia X thứ cấp. Nếu đặt một phim chụp (hay một
14
detector) phía sau tinh thể, ta có thể ghi lại hình ảnh của các tia nhiễu xạ là những nốt sáng. Hai thông tin thu được từ ảnh nhiễu xạ là vị trí và cường độ của tia nhiễu xạ. Từ những thông tin này, bằng những tính toán toán học ta có thể xác định vị trí của từng nguyên tử có trong một ô mạng cơ sở và từ đó xây dựng đƣợc cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu [3,20].
Vị trí của các ảnh nhiễu xạ đƣợc giải thích bằng mô hình phản xạ của Bragg.
Trong đó, ảnh nhiễu xạ là kết quả của sự giao thoa các tia X phản xạ trên các họ mặt phẳng nút hkl. Mối liên hệ giữa vị trí của các ảnh nhiễu xạ và cấu trúc tinh thể, hay cụ thể hơn là các thông số mạng của tinh thể được thể hiện qua phương trình Bragg:
2dhkl.sinθ = λ Trong đó: dhkl là khoảng cách giữa hai họ mặt liên tiếp.
θ là góc nhiễu xạ Bragg, đƣợc tính dựa vào vị trí của các ảnh nhiễu xạ.
λ là bước sóng của tia X, phụ thuộc vào kim loại dùng làm đối âm cực.
Cường độ của ảnh nhiễu xạ từ họ mặt phẳng hkl được biễu diễn thông qua thừa số cấu trúc F(hkl). Thừa số F(hkl) tỉ lệ thuận với căn bậc hai của bình phương biên độ hàm sóng tổ hợp từ các sóng nhiễu xạ tại các nguyên tử trong ô mạng cơ sở.
Trong trường hợp tổng quát, nếu ta có N nguyên tử trong ô mạng cơ sở, nguyên tử thứ j chiếm vị trí (xj, yj, zj) thìthừa số cấu trúc F(hkl) và biên độ hàm sóng tổ hợp đƣợc tính theo công thức:
Thừa số cấu trúc: F(hkl) = A2(hkl)+B2(hkl)
Biên độ hàm sóng tổ hợp: (hkl) N j j j j j=1
A =f .cos2π(hx +ky +lz )
N
(hkl) j j j j
j=1
B =f .sin2π(hx +ky +lz )
Trong đó fj là thừa số nhiễu xạ nguyên tử có giá trị phụ thuộc vào số electron xung quanh hạt nhân hay nói cách khác phụ thuộc vào điện tích hạt nhân. Các nguyên tố khác nhau sẽ có thừa số fj khác nhau.
Nhƣ vậy nếu ta biết đƣợc bản chất của từng nguyên tử (loại nguyên tử C, N hay Fe...) và vị trí của chúng trong ô mạng cơ sở, ta sẽ tính toán đƣợc thừa số cấu
15
trúc F(hkl) ccho mọi ảnh nhiễu xạ. Cấu trúc phân tử của một chất chính là “mô hình” cho các giá trị F(hkl) ctính toán phù hợp nhất với các giá trị F(hkl) oxác định bằng thực nghiệm.
Để đánh giá độ chính xác giữa cấu trúc tính bằng lí thuyết tính toán đƣợc với số liệu thực nghiệm người ta sử dụng các phương pháp thống kê. Trong đó, độ sai lệch R1 đƣợc tính bằng công thức:
(hkl)o (hkl)c hkl
1
(hkl) o hkl
F - F
R = F
Đối với các phân tử nhỏ (dưới 100 nguyên tử) giá trị độ sai lệch R1 được chấp nhận trong khoảng dưới 10%.
16