1. Chọn λmax
2. Pha dóy chất chuẩn cú nồng độ tăng (giảm) dần. 3. Đo mật độ quang của cỏc mẫu ở bước súng trờn.
4. Vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang D vào nồng độ C, đường biểu diễn của đồ thị này được gọi là đường chuẩn.
5. Pha mẫu phõn tớch sao cho nồng độ dung dịch mẫu đo nằm trong giới hạn tuyến tớnh của đường chuẩn. Sau khi đo mẫu phõn tớch nhận giỏ trị Dx rồi đối chiếu trờn đồ thị đọc được
D(λ), D(ε), D(lgε); λ
Hỡnh 3.5 Phổ tử ngoại của metyl propinyl xeton 3.4.2. Phõn giải phổ UV-VIS
Dựa vào λmax , cú thể biết được loại liờn kết
- λmax < 150nm: chỉ cú loại liờn kết σ của hợp chất no. - λmax > 150 nm: cú liờn kết bội
- λmax quanh vựng 200 – 260 nm cú thể cú benzen và benzen thế. - λmax >280 nm: hệ liờn hợp
CHƯƠNG 4. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR)
Phổ cộng hưởng từ hạt nhõn (phổ CHTHN) viết tắt của tiếng Anh là NMR (Nuclear Magnetic Resonance) là một phương phỏp vật lý hiện đại nghiờn cứu cấu tạo của cỏc hợp chất hữu cơ, nú cú ý nghĩa quan trọng để xỏc định cấu tạo cỏc phõn tử phức tạp như cỏc hợp chất thiờn nhiờn. Phương phỏp phổ biến được sử dụng là CHTHN-1H và phổ CHTHN-13C.
4.1. Cơ sở vật lý học [1, 3]4.1.1. Hạt nhõn trong từ trường 4.1.1. Hạt nhõn trong từ trường
- Hạt nhõn của mỗi đồng vị của một nguyờn tử được đặc trưng bởi số lượng tử spin I và số lượng tử từ m.
I: số lượng tử của spin hạt nhõn (I = 0, ẵ, 1, 3/2, 5/2… )
mI: số lượng tử từ hạt nhõn mI = (2I+1) cú cỏc giỏ trị khỏc nhau là -I, -I + 1, cho đến +I.
- Thực nghiệm: mỗi hạt nhõn nguyờn tử cú một số lượng tử spin I hạt nhõn nhất định, phụ thuộc vào số khối của nguyờn tử A và số thứ tự của nguyờn tử là Z:
Số khối A lẻ Chẵn Chẵn
Số thứ tự Z Chẵn / lẻ Chẵn lẻ
Số lượng tử từ spin ẵ, 3/2, 5/2 0 1, 3, 5
Cỏc hạt nhõn của nguyờn tử tớch điện dương, luụn luụn tự quay quanh trục của nú, khi quay như vậy, nú sinh ra một mụmen quỏn tớnh gọi là momen spin hạt nhõn P và momen từ μ. Mặt khỏc, khi hạt nhõn nguyờn tử quay quanh trục của nú thỡ điện tớch hạt nhõn sẽ chuyển động trờn một vũng trũn quanh trục quay, làm xuất hiện một dũng điện. Mỗi một dũng điện bao giờ cũng kốm theo một từ trường nờn khi hạt nhõn quay cũng xuất hiện một từ trường cú mụmen từ μ và hạt nhõn trở thành một nam chõm vĩnh cửu. Mụmen spin hạt nhõn P tỷ lệ thuận với momen từ μ:
γ: hệ số từ thẩm đặc trưng cho mỗi hạt nhõn nguyờn tử. Giỏ trị tuyệt đối của momen spin hạt nhõn P tớnh theo I:
P = (h/2π).I (2) Giỏ trị tuyệt đối của momen từ μ tớnh theo I:
μ = γ (h/2π).I (3) I: số lượng tử spin hạt nhõn.
I = 0 thỡ μ = P = 0
I ≠ 0 thỡ μ ≠ 0 và P ≠ 0: hạt nhõn được gọi là hạt nhõn từ. Đõy là điều kiện để cú cộng hưởng từ.
4.1.2. Sự tỏch mức năng lượng của hạt nhõn trong từ trường ngoài [1, 3]
1. Kim nam chõm nhận bất kỳ năng lượng nào của từ trường ngoài
Một kim nam chõm trong từ trường của trỏi đất thỡ kim nam chõm sẽ hướng theo từ trường của trỏi đất. Nếu làm lệch kim nam chõm một gúc θ rồi thả kim nam chõm tự do thỡ nú sẽ chuyển động trở lại vị trớ cõn bằng ban đầu. Vị trớ cõn bằng là vị trớ cú mức năng lượng thấp nhất. Gúc lệch càng cao thỡ năng lượng E của kim nam chõm càng lớn:
E = - B0.àcosθ (4’)
Cosθ = (-1,+1) nờn E = (+μB0, -μB0) cú giỏ trị liờn tục.
E: năng lượng của kim nam chõm; B0: cường độ của từ trường ngoài. μ: giỏ trị tuyệt đối momen từ của nam chõm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
θ: gúc lệch
2. Hạt nhõn từ khỏc với kim nam chõm, chỉ nhận năng lượng giỏn đoạn (lượng tử hoỏ)
Khi khụng ở trong từ trường, cỏc hạt nhõn cú cựng μ đều ở mức năng lượng bằng nhau. Khi đặt một hạt nhõn từ vào trong một từ trường ngoài cú cường độ B0 thỡ cỏc momen từ μ của hạt nhõn từ sẽ xoay theo hướng cú đường sức từ của từ trường ngoài.
Hạt nhõn nguyờn tử từ khi ở trong một từ trường ngoài khỏc với một kim nam chõm trong từ trường của trỏi đất: hạt nhõn từ khụng phải tiếp nhận bất kỳ một vị trớ nào của từ trường bờn ngoài mà nú chỉ ở một số vị trớ nhất định trong khụng gian tương ứng với một số trạng thỏi năng lượng xỏc định nghĩa là năng lượng của hạt nhõn từ được thể hiện qua giỏ trị của cosθ: cosθ = m/I (5)
I: số lượng tử của spin hạt nhõn (I = 0, ẵ, 1, 3/2, 5/2…) mI: số lượng tử từ hạt nhõn (m = -I đến +I) cú 2I + 1 giỏ trị Vớ dụ 1: Hạt nhõn 1H, 13C, 31P; cú I = ẵ
Khi I = ẵ thỡ mI = -ẵ và ẵ và mI cú 2.1/2 + 1 = 2 giỏ trị Từ (5) suy ra cosθ = -1 và +1 nờn θ = 0 và θ = π
Vớ dụ 2: Hạt nhõn 2D, 14N; I = 1 E = B0.à0 (4)
Khi I = 1 thỡ mI = -1,0,+1 cú 2.1+1 = 3 giỏ trị
Từ (5) suy ra cosθ = -1,0,1 nờn θ = π/4; θ = 0 và θ = 3π/4 3. Sự tỏch mức năng lượng của hạt nhõn trong từ trường ngoài
Cỏc hạt nhõn nguyờn tử 1H, 13C, 31P … cú số lượng tử spin hạt nhõn I = ẵ và số lượng tử từ mI = -ẵ và ẵ, khi đặt chỳng vào trong từ trường của nam chõm thỡ cỏc spin này sẽ quay hướng ngược chiều nhau và chiếm hai mức năng lượng khỏc nhau cú hiệu số là:
∆E = h.ν = (h/2π).γ.B0 hay ν = (1/2π).γ.B0
Ở đõy, ΔE là năng lượng cộng hưởng, ν là tần số cộng hưởng, B0 là cường độ của từ trường nam chõm, γ là hệ số từ thẩm, mỗi hạt nhõn cú giỏ trị khỏc nhau như γ (1H) ~ 4γ (13C).
Hỡnh vẽ sau chỉ ra sơ đồ phõn tỏch mức năng lượng của hạt nhõn từ đặt trong từ trường ngoài, hạt nhõn cú số lượng tử từ m = ẵ cú mức năng lượng thấp cũn hạt nhõn từ cú số lượng tử từ m = -ẵ cú mức năng lượng cao, hiệu số giữa hai mức năng lượng là ΔE.
Sự phõn bố này khụng bằng nhau, số hạt nhõn ở năng lượng thấp bao giờ cũng nhiều hơn số hạt nhõn nằm ở mức năng lượng cao một ớt và tuõn theo sự phõn bố Boltzman:
N1: số hạt nhõn chiếm mức năng lượng thấp N2: số hạt nhõn chiếm mức năng lượng cao T: nhiệt độ tuyệt đối
4. Điều kiện để kớch thớch hạt nhõn từ (đó tỏch mức năng lượng trong từ trường B0)
Muốn xảy ra hiện tượng cộng hưởng phải chiếu vào hạt nhõn một từ trường B1 cú tần số cộng hưởng là ν1 sao cho B1 vuụng gúc với B0.
Khi đú: h.ν1 = ∆E = (h/2π).γ.B0 hay ν1 = (1/2π).γ.B0
ν1 là tần số cộng hưởng từ (tương ứng với năng lượng cần kớch thớch hạt nhõn chuyển từ mức thấp lờn mức cao nằm trong vựng súng vụ tuyến 108 – 106 Hz.
4.1.3. Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhõn [1]
Khi cho một từ trường B0 tỏc dụng lờn cỏc phõn tử cú chứa hạt nhõn thỡ sẽ dẫn tới sự tỏch mức năng lượng và dẫn đến sự phõn bố cỏc hạt nhõn theo cõn bằng Boltzmann.
Trong từ trường B0, cỏc hạt nhõn khụng nằm yờn mà ở trạng thỏi cõn bằng động. Nếu muốn phỏ vỡ trạng thỏi cõn bằng động này cần phải cung cấp năng lượng từ ngoài vào bằng cỏch cho một từ trường khỏc cú cường độ B1 tỏc dụng vào cỏc phõn tử này. Điều đú sẽ làm thay đổi lại sự phõn bố cỏc hạt nhõn giữa hai mức năng lượng trờn. Một số hạt nhõn sẽ hấp thụ năng lượng của từ trường B1 để nhảy từ mức năng lượng thấp lờn mức năng lượng cao và ngược lại, một số hật nhõn ở mức năng lượng cao sẽ bức xạ năng lượng để chuyển xuống mức năng lượng hấp. Năng lượng cần thiết để cung cấp cho quỏ trỡnh thay đổi đú đỳng bằng ΔE = năng lượng cộng hưởng từ nhõn. Quỏ trỡnh hấp thụ năng lượng ΔE để phõn bố lại cõn bằng động trong từ trường B1 gọi là hiện tượng cộng hưởng từ nhõn. Hiện tượng cộng hưởng từ xảy ra khi hạt nhõn hấp thụ cỏc năng lượng cú tần số bằng ν0 được gọi là tần số cộng hưởng từ.
4.2. Độ chuyển dịch hoỏ học [1]
4.2.1. Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng
Hằng số chắn xuất hiện do hai nguyờn nhõn:
- Hiệu ứng nghịch từ: cỏc điện tử bao quanh nguyờn tử sinh ra một từ trường riờng, ngược chiều với từ trường ngoài nờn làm giảm tỏc dụng của nú lờn hạt nhõn nguyờn tử. Lớp vỏ điện tử càng dày đặc thỡ từ trường riờng ngược chiều với từ trường ngoài càng lớn tức hằng số chắn càng lớn.
Vỡ vậy, cỏc proton nằm trong cỏc nhúm cú nguyờn tử hay nhúm nguyờn tử gõy hiệu ứng –I (Cl, Br, I, NO2…) sẽ cú hằng số chắn nhỏ, trỏi lại khi cỏc nhúm nguyờn tử gõy hiệu ứng +I (CH3, C2H5…) sẽ cú hằng số chắn lớn.
- Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phõn tử là lớp vỏ điện tử, cỏc điện tử này chuyển động sinh ra một dũng điện vũng, do đú xuất diện một từ trường riờng cú hướng thay đổi ngược hướng hoặc cựng hướng với từ trường ngoài. Tập hợp tất cả cỏc điểm trờn cỏc đường sức mà tại đú tiếp tuyến vuụng gúc với từ trường ngoài sẽ tạo nờn một mặt parabon. Phớa trong mặt parabon, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vỡ từ trường riờng ngược hướng với từ trường ngoài, cũn phớa ngoài parabon thỡ từ trường tổng hợp lớn hơn B0 vỡ từ trường riờng cựng hướng với từ trường ngoài. Do đú hằng số chắn phớa ngoài parabon nhỏ cũn phớa trong thỡ cú hằng số chắn lớn nghĩa là độ chuyển dịch học cựng cỏc proton nằm phớa ngoài parabon sẽ lớn cũn
Hỡnh 4.1 Sơ đồ hiệu ứng thuận từ ở: a) benzen; b) nhúm C=C; c) nhúm C=O; d) nhúm C≡C
Khi đặt một hạt nhõn nguyờn tử vào một từ trường ngoài B0 thỡ cỏc e quay quanh hạt nhõn cũng sinh ra một từ trường riờng B’ cú cường độ ngược hướng và tỷ lệ với từ trường ngoài: B’ = -σB0 Từ trường thực tỏc dụng lờn hạt nhõn là: Be = B0 – B’ = B0 – σB0 Be = B0 (1-σ) Be là từ trường hiệu dụng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
σ: là hằng số chắn cú giỏ trị khỏc nhau đối với mỗi hạt nhõn nguyờn tử trong phõn tử. Phụ thuộc vào số e, nếu số e càng nhiều thỡ σ càng lớn.
Hằng số chắn tỷ lệ thuận với điện tớch e, mật độ e bao quanh hạt nhõn và tỷ lệ nghịch với khối lượng e. Hằng số chắn σ càng lớn thỡ từ trường hiệu dụng Be càng nhỏ.
4.2.2. Độ chuyển dịch hoỏ học
Đối với cỏc hạt nhõn trong phõn tử càng phức tạp trong nguyờn tử do ảnh hưỏng của cỏc đỏm mõy electron của cỏc nguyờn tử bờn cạnh.
Vớ dụ: xột 1H ở nhúm CH3 của phõn tử TMS (CH3)4Si và 1H ở nhúm CH3 của axeton: Do ảnh hưỏng của nhúm CO hỳt e làm cho đỏm mõy electron ở 1H của axeton < ở 1H của TMS nờn: σ 1H (TMS) > σ 1H (aceton)
Do hiệu ứng chắn từ khỏc nhau nờn cỏc hạt nhõn 1H và 13C trong phõn tử cú tần số cộng hưởng khỏc nhau. Đặc trưng cho cỏc hạt nhõn 1H và 13C trong phõn tử là giỏ trị độ chuyển dịch hoỏ học δ.
Với cựng một từ trường ngoài B1, để cú tớn hiệu cộng hưởng của 1H với từ trường, tần số cộng hưởng (aceton) > TMS hoặc từ trường sử dụng đối với TMS phải cú cường độ lớn hơn đối với aceton. Cú hai phương phỏp tạo ra điều kiện thoả món điều kiện cộng hưởng
(ν1=(1/2π).γ.B0) để ghi tớn hiệu cộng hưởng. 1. Phương phỏp quột từ trường: thay đổi B0
Đặt TMS và aceton vào từ trường B0 và sử dụng một từ trường bổ sung, tăng dần cường độ của từ trường bổ sung để đến một lỳc nào đú cường độ từ trường hiệu dụng tỏc động lờn xuất hiện tớn hiệu cộng hưởng. Vỡ Be(TMS) < Be (aceton) nờn chỉ cần bổ sung một giỏ trị từ trường B0 – Be nhỏ hơn thỡ ở aceton đó xuất hiện tớn hiệu cộng hưởng trong khi đú thỡ từ trường tỏc dụng lờn vị trớ hạt nhõn 1H (TMS) chưa đủ mạnh chưa cú tớn hiệu cộng hưởng. Tiếp tục tăng từ trường bổ sung đến một giỏ trị nào đú để từ trường tỏc dụng lờn
1H(TMS) đạt bằng B0 thỡ xuất hiện tớn hiệu cộng hưởng của 1H (TMS).
Hỡnh 4.2 Phổ 1H-NMR của hỗn hợp axeton-TMS
δ = ∆B/ B0 = (σTMS - σaceton)
Chỉ phụ thuộc vào hằng số chắn, khụng phụ thuộc vào từ trường của thiết bị. 2. Phương phỏp quột tần
Giữ nguyờn từ trường B0, thay đổi tần số ν của từ trường B1 để cú sự cộng hưởng ở aceton > TMS.
- Khi đặt hai hạt nhõn nguyờn tử 1H của cựng nguyờn tố hydro của TMS và của aceton vào một từ trường ngoài B1, khi cú cộng hưởng thỡ:
νTMS = (1/2π).γ.B0.(1 + σTMS) νaceon = (1/2π).γ.B0.(1 + σaceton)
Hiệu số: ∆ν = νTMS - νaceon = (1/2π).γ.B0. (σTMS - σaceton) = ν1. (σTMS - σaceton) = δ
Với kỹ thuật đo này cũng cú thể ghi nhận được δ là đại lượng khụng phụ thuộc vào thiết bị bờn ngoài.
Như vậy, dự thay đổi cường độ từ trường ngoài B1 hay thay đổi tần số súng radio đều cú thể biểu diễn theo δ là đại lượng khụng phụ thuộc vào thiết bị bờn ngoài. Trong kỹ thuật đo, người ta khụng thể đo được giỏ trị tuyệt đối của νTMS, νaceton và σ nhưng cú thể đo được khoảng cỏch giữa hai tớn hiệu proton Δν, Δν thay đổi tuỳ theo độ lớn của từ trường B1 nhưng δ khụng thay đổi.
TMS là chất cú hằng số chắn lớn nhất nờn dựng nú làm chất chuẩn để đo độ chuyển dịch hoỏ học.Đối với hạt nhõn 1H thỡ:
σ = σTMS - σH = (νH - νTMS)/ν0
Ở đõy, σTMS là hằng số chắn của chất chuẩn TMS (tetrametylsilan), σH là hằng số chắn của hạt nhõn mẫu đo, νTMS và νH là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhõn mẫu đo. Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đỏm mõy electron bao quanh hạt nhõn nguyờn tử, do đú tuỳ thuộc vào vị trớ của hạt nhõn 1H và 13C trong phõn tử khỏc nhau mà mật độ electron bao quanh nú khỏc nhau dẫn đến chỳng cú giỏ trị hằng số chắn σ khỏc nhau và do đú độ chuyển dịch hoỏ học của mỗi hạt nhõn khỏc nhau.
Tổng quỏt: δ = σTMS – σX
δ khụng cú thứ nguyờn mà được tớnh bằng phần triệu (ppm).
Đối với phổ CHTHN 1H thỡ δ cú giỏ trị từ 1 đến 12 ppm cũn phổ 13C thỡ δ cú giỏ trị từ 0 đến 220ppm.
Vậy độ chuyển dịch hoỏ học δ là đại lượng đặc trưng cho những hạt nhõn cựng loại của một đồn vị bị che chắn tương đương nhau trong một hợp chất. Nú khụng phụ thuộc vào thiết bị bờn ngoài (cường độ từ trường hay tần số súng) khụng cú thứ nguyờn và được tớnh bằng ppm. Vớ dụ: + Phõn tử C6H5-CO-CH3, phổ CHTHN 1H cú: ĐCDHH δ = 7,5-8,2ppm của C6H5 δ = 2,5ppm của CH3 + Phõn tử CH2=CH-COO-CH2CH3, phổ CHTHN 1H cú: ĐCDHH δ = 6,2 ppm của =CH2 và 5,8 ppm của =CH δ = 4,2 ppm của –CH2- v à 1,2 ppm của CH3 Thang ĐCDHH
4.3. Tương tỏc spin – spin
Phõn tử etanol CH3CH2OH lẽ ra trong phổ CHTHN-1H chỉ cú 3 tớn hiệu ứng với 03 nhúm CH3, CH2 và OH nhưng trờn phổ thực nghiệm xuất hiện bội đỉnh ở mỗi nhúm: CH3 là 03 đỉnh, CH2 là 04 đỉnh và OH là 03 đỉnh (với etanol khan tuyệt đối) hoặc 1 đỉnh (etanol thường) như hỡnh vẽ dưới:
Hỡnh 4. 3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhõn của 1H của etanol
Nguyờn nhõn của sự xuất hiện bội đỉnh này là do sự tương tỏc của cỏc proton nằm cạnh nhau. Mỗi proton giống như một nam chõm nhỏ, nú sinh ra hai từ trường phụ ngược (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});