Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ

Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ 1. Đặt vấn đề − Con đ−ờng tối −u nhất để xác định cấu trúc một chất th−ờng không định tr−ớc đ−ợc. − Thông th−ờng phải kết hợp 4 ph−ơng pháp : UV, IR, MS, NMR, đôi khi có sự trợ giúp của ph−ơng pháp nhị sắc tròn (CD) hoặc tán sắc quay cực (ORD). 2. Ph−ơng pháp chung • Từ MS xác định ion phân tử vμ suy ra công thức tổng. • Trong tr−ờng hợp MS không cho ion phân tử thì dùng phân tích nguyên tố. • Xác định số liên kết đôi vμ vòng để có hình dung về khung phân tử. • Nếu một phân tử chỉ chứa C, H, O thì số t−ơng đ−ơng nối đôi vμ vòng đ−ợc tính theo công thức: CaHbOc : DBE = (2a 2) b 2 + − (1) DBE = số t−ơng đ−ơng nối đôi (2a + 2) lμ số nguyên tử H trong hydrocacbon no có a nguyên tử C. Vì nối đôi hoặc vòng sẽ lμm giảm đi 2H nên khi trừ đi b ta có số H thực có của (2a + 2), chia 2 ta có số nối đôi vμ vòng. + Ví dụ : Benzen có 4 t−ơng đ−ơng nối đôi (3 nối đôi vμ 1 vòng). Những nguyên tử có 1 hoặc 2 hoá trị nh− Cl, Br, O, S, ... không ảnh h−ởng đến ph−ơng trình (1). Cl, Br... đ−ợc coi nh− H vμ cộng vμo b. + Khi có nguyên tử hoá trị 3 nh− − | | N hoặc | | P− ... thì phải sử dụng ph−ơng trình (2) : CaHbOcNd : DBE = (2a 2) (b d) 2 + − − (2) Ví dụ : C5H11N : chứa 1 t−ơng đ−ơng nối đôi. Đây có thể lμ chất isopropylimin của acetaldehyt (1 nối đôi) hoặc cyclopentylamin (1vòng). Ngoμi ra còn có thể lμ nhiều chất khác nữa. Nh−ng khi 1 trong 4 ph−ơng pháp phổ đã xác định có 1 nối đôi (C=C, C= N, C=O) thì khả năng vòng đã bị loại. Ng−ợc lại nếu không xác định đ−ợc nối đôi tức lμ phải có 1 vòng. Điều đầu tiên nghĩ tới lμ phổ UV. Nếu nghi ngờ có hai hoặc nhiều t−ơng đ−ơng nối đôi trong phân tử thì sẽ thấy hấp thụ mạnh trong phổ UV. Song, khi bắt đầu công việc xác định cấu trúc của một chất thì ch−a nên lấy quá nhiều thông tin từ phổ UV. Thay vμo đó lμ xác định các nhóm chức trong phân tử thông qua phổ IR. 1 Phổ NMR ( 1H vμ 13C) sẽ giúp ta dựng nên khung cacbon của chất cần tìm vμ khả năng về vị trí của các nhóm chức trong phân tử. Phổ khối (MS) cũng giúp ta xác định sơ bộ khung C, H của phan tử dựa vμo phân mảnh. ở giai đoạn nμy ch−a cố định đ−ợc thứ tự các thông tin thu đ−ợc từ các ph−ơng pháp phổ. Một số ví dụ : Ví dụ 1 : • Phân tích nguyên tố vμ MS cho biết công thức C4H8O chứa 1 t−ơng đ−ơng nối đôi. • UV : λmax = 295 nm Tính hằng số hấp thụ ε : ε = Hấp thụ . TLPT (trọng l−ợng phân tử) L−ợng cân trong 100 ml . độ dμy cuvet bằng cm Tr−ờng hợp nμy : 0,28.72.100 19 106.1 ε = = Nh− vậy lμ ε yếu → n → π* của keton hoặc andehyt no (cũng có thể tạp chất có hấp thụ mạnh ?) • IR : ν* = 1715 cm−1 (mạnh) → carbonyl − không có vạch ở 2700 − 2900 cm−1 trong IR ( *C H−ν andehyt)→ không có andehyt. − không có tín hiệu δ = 9 − 10 ppm trong 1HNMR (H andehyt) • Vì chỉ có 1 t−ơng đ−ơng nối đôi vμ 1 dị nguyên tố nên đó lμ keton carbonyl. • Xác định khung cacbon • 13C-NMR cho biết 4C lμ khác nhau, một trong số đó lμ C=O vì : δ = 208,79 ppm vμ c−ờng độ yếu (cacbon bậc 4) • 1H-NMR : δ = 2,4 q → CH2 2,09 s → CH3 đính với C bậc 4 C CH3C O 1,04 t → CH3 3 || CH C O − 2 Tích phân (Intergral) : 2 : 3 : 3 C O CH2 CH3H3C 29,37 36,80 7,86 ppm • MS : O 43 57 29 m/z : 72, 57, 43, 29 Ví dụ 2 : − Công thức cộng : C11H20O4 tính đ−ợc hai t−ơng đ−ơng nối đôi. − UV : không cho hấp thụ của hai nối đôi liên hợp. − IR : + đỉnh C=O mạnh tại 1740 cm−1 (→ keton vòng 5 hoặc ester no) + đỉnh >C=C< không thấy trong IR → hai t−ơng đ−ơng nối đôi phải lμ hai nhóm carbonyl hoặc 1C=O vμ 1 vòng. + không có OH → 4 O lμ của keton, ester hay ete. − 13C-NMR : chỉ có 8C khác nhau, nh− vậy có một số C xuất hiện ở cùng vị trí do cấu trúc đối xứng trong phân tử. − 1H-NMR : + Tín hiệu thấp nhất ở δ = 4,12 ppm (q) → O−CH2−CH3. δ = 1,3 ppm (t) thấy rõ, tuy tỷ lệ c−ờng độ 1 : 2 : 1 không rõ do trùng lặp. + C−ờng độ của O−CH2 − quartet t−ơng đ−ơng 4 H → có thể có hai nhóm O−CH2−CH3 giống nhau. + Kết luận : O−CH2−CH3 thuộc nhóm ester (COOCH2−CH3) + δ = 3,2 ppm (t) → tích phân cho biết lμ 1 H, vì đã hết O (ở 2 ì COOEt), 2 t−ơng đ−ơng nối đôi → Triplett ở 3,2 ppm lμ của nhóm −CH2−CH−(COOC2H5)2 C O- O + Quartet của 2 H ở : δ = 1,88 lμ của : −CH2−CH−(CO2C2H5)2 → có 1 nhóm −CH2 nữa ở cạnh → ta có −CH2−CH2−CH−(CO2C2H5)2 + Triplett ở δ = 1,00 lμ của CH3−CH2. 3 + Tín hiệu của CH3−CH2 có lẽ bị trùng với triplett ở δ = 1,3 ppm. OO O O 171173 − 13C-NMR : + Hai CH3 : 13,81 vμ 14,10. 14,10 tín hiệu gấp 2 về c−ờng độ. + −H2C−CH2−CH2− : 22,38 ; 28,49 ; 29.53. HC COOH COOH : 52,03 + 61,12 ppm: + 169,32 ppm: - MS : O CH2 COOEt O H COOEt OEt C2H5CH CH2 OH OEt COOEt OC2H5+ + C2H3 m* = 83 m* = 110,5 m/z = 13 m/z = 115 m/z = 160 (pic cơ sở) Phân cắt vμ chuyển dịch γ − H Ví dụ 3 : − Lọ hoá chất trong kho có ghi nhãn lμ methylpropylketon. Kiểm tra xem có đúng chất ấy không ? Phổ số 5 -7 CR O R' *) IR : + 1720 cm −1 → + 1380, 1360 → khung CH2, CH3 → IR phù hợp với cấu trúc ghi trên nhãn. CH3C CH2 CH2 CH3 O 71 43 *) MS : m/z = 86 M+. ion phân tử m/z = 71 [ M- CH3] + m/z = 43 mạnh nhất [H3C−C≡O]+ ( base peak, pic cơ sở) m/z = 57 mạnh [M−C2H5]+ khó giải thích 4 m/z = 58 [M−C2H4]+ *) 1H-NMR : CH3C O : δ ~ 2,11;~ C O CH2 : δ ~ 2,4;~ C O CH2 CH2 : δ ~ 1,6;~ H2C CH3 : δ ~ 1,0ppm~ − Độ bội, vaf tỷ lệ đ−ờng tích phân : không thật phù hợp . Ví dụ : Tỷ lệ 2,4/2,11/1,6/1,0 có tích phân : 3,04/3,00/2,01/4,65 H trong khi đáng lẽ phải lμ 3/2/2/3 H. − Triplett ở 1,00 ppm lμ 2 triplett trùng nhau. Triplett thứ nhất lμ : tín hiệu 1,11 ; 1,03 vμ 0,95 ; triplett thứ hai lμ 0,98 ; 0,90 ; 0,81. Hai triplett có J = 7 Hz. − Triplett ở 2,4 ppm : 2,49 ; 2,41 ; 2,32 ppm kèm theo quartet ở 2,55 ; 2,46 ; 2,38 ; 2,30. − Tín hiệu 6 vạch ở 1,6 ppm (tỷ lệ c−ờng độ ≈ 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1) vμ singulet ở 2,11 ppm lμ sạch. − Chất ghi trên nhãn lμ metylpropylketon có lẫn một đồng phân. Đồng phân nμy chứa nhóm carbonyl ( > C= O) vμ nhóm 2CH − gắn trực tiếp với CH3 (2,4 ppm) → các khả năng nh− sau có thể xem xét: O O O H O 2 3 4 5 6 Ta có thể loại cấu trúc 4, 5 vμ 6 ra vì không phù hợp dữ kiện phổ. Trong phổ IR vμ 1H- NMR không có nhóm aldehyt (IR: ν* 2600-2830cm-1. 1H- NMR: 8-10 ppm)→ không phải 4. Còn 5 không chứa nhóm - CH2 -; 6 không chứa nhóm xeton. *) 1H-NMR : cho thông tin về tỷ lệ hai đồng phân : − Ta trừ giá trị tích phân : 3,04 H (chuẩn ở 2,11 ppm = 3H) của tín hiệu ở 2,4 ppm có 2H thì còn 1,04H. Giá trị nμy t−ơng đ−ơng (lμ của) 4H ở vị trí α- của đồng phân → Tỷ lệ 2/3 = 1 : 0,26 (1.04 ≡ 4H, vậy 1H t−ơng đ−ơng 0,26) 1,26 = 100% ⇒ 79% (2) 1,00 = X 21% (3) 0,26 = Y Ví dụ 4 : 5 − MS : không có ion phân tử. Từ phân tích nguyên tố ta có công thức C5H11NO4. Có một t−ơng đ−ơng nối đôi nh−ng không phải C=O, vì − IR : 1600 − 1900 cm−1 không có đỉnh nμo. 1545 cm −1 : đỉnh mạnh, có thể của −NO2 ; 3350 cm−1 : OH. − UV : λ = 275 nm (ε = 24) có thể n → π* (không có pic ion phân tử trong MS, th−ờng thấy với các hợp chất NO2, mạch thẳng, no). − 13C-NMR : Có 4 nhóm C : 2C trong cùng một môi tr−ờng từ vì chúng trùng nhau (c−ờng độ lớn). Nh− vậy rất có thể có hai nhóm giống nhau, đối xứng trong phân tử. − 1H-NMR : 4H ở δ = 4,12 ppm 2H ở δ = 3,32 (t) 2H ở δ = 2,00 (q) 3H ở δ = 1,00 (t) → Có nhóm C2H5 (CH2−CH3) vμ nhóm CH2 đính với cacbon bậc 4 | | C− − − 13C-NMR (không khử t−ơng tác proton) : • Nhóm CH2−CH3 cho 1 quartet ở 7.66 ppm vμ một trong hai triplett ở 25,77 hoặc 63,51. • Nguyên tử C bậc 4 cho một tín hiệu yếu ở 94,23 ppm. • Hai C giống nhau nh− vậy phải lμ một trong hai triplett. Triplett ở 63,51 có c−ờng độ gần gấp 2 triplett kia, nh− vậy nó thuộc về 2C giống nhau. Nó ở tr−ờng thấp nên phải gắn với dị nguyên tố. − 1H-NMR sau khi lắc với D2O (nhìn phổ trên) thì triplet của 2H ở 3,32 biến mất → tín hiệu nμy do hai nhóm OH gây ra vμ 2 ì OH nμy gắn với −CH2. • Nh− vậy hai nhóm giống nhau nμy lμ CH2OH. Ta có các phần nh− sau HO OH NO2 NO2 ( CH2 OH)2, , 6 • Sau khi lắc với D2O, CH2OH cho một quartet của hệ AB : δA = 4,00 ppm, δB = 4,24, JAB = 12 Hz → Nhóm CH2OH đ−ợc gắn vμo một trung tâm "giả bất đối" (prochiral): HO HA HB NO2 CH2 HB HA OH CH3 CHAHBOH Ví dụ 5 : *) Từ MS vμ phân tích nguyên tố thu đ−ợc C8H8O2 → 5 t−ơng đ−ơng nối đôi. *) UV : hệ thống không no mạnh : λmax = 316 nm (εmax = 22000). → 4 hoặc 5 nối đôi. *) IR : Chỉ có ít liên kết CH− no ở 2880 − 2980 cm−1 Aryl, C=C−H ở 3100. − Hai đỉnh 1695 vμ 1675 cm−1 → hoặc α, β-keton không no, alđehyt hoặc −COOH, loại COOH vì không có đỉnh ở 2500 − 3000 (OH). Loại cả aldehyt, vì 1H-NMR vùng 9 − 10 ppm không có tín hiệu → có thể lμ một keton. − 1615 cm−1 : C=C liên hợp hoặc aryl liên hợp. − 1555 vμ 1480 : nhân thơm. *) 13C-NMR : 8 tín hiệu, trừ một metyl ở 27,83 (q) còn lại 7 tín hiệu ở vùng không no (δ > 100 ppm), 1 carbonyl ở 193,36 ppm. *) 1H-NMR : 2,29 s sắc → CH3−CO, mảnh [M−15]+ m/z = 121 (pic cơ sở) ủng hộ điều đó. + C6H5O C CH3 O - CH3 +C6H5O C O C6H5O - CO + C6H5O + +H3C C O H2C C O (Keten) m/z = 121 m/z = 93 m/z = 94 m/z = 43 *) 13C-NMR (off resonance) : H phân chia ra các C *) 1H-NMR trong dung môi CCl4 không phân giải tốt. Khi cho thêm 10% benzen vμo thì phổ phân giải tốt hơn. 7 - Có dublet với J = 16 Hz → Hệ AB nối đôi trans hai lần thế (IR : 970 mạnh). → Chắc có các phần : H3C C O C C Y HX H , , X vμ Y không có proton O R α β Phần còn lại lμ C4H3O, không chứa carbonyl vμ OH, 3 H đính với C khác nhau. Vấn đề còn lại : thế ở α hay β 3 H còn lại có các tín hiệu ở : 6,46 ; 6,62 ; 7,48[rpm → lμ một furan thế ở α. Hα : Jαβ = 1,5 Hz (d) ; Hβ = d, Jβ, β' = 3,5 Hz (vạch 2, 3) Hβ = (q) (vạch 5 − 8) Jββ' = 3,5 Hz, Jαβ = 1,5 Hz. O O Hβ 'Hβ Hα Ví dụ về kết hợp các ph−ơng pháp phổ 1. Ví dụ 1 : Phổ 1 → 4 Bμi toán : Xác định cấu trúc của chất 1. • MS : + m/z = 215 vμ 217 c−ờng độ bằng nhau → có Br trong phân tử (79 vμ 81). m/z = 169 vμ 171 m/z = 136 pic cơ sở (base peak) không còn Br- do cắt mảnh + còn chứa 1 N trong phân tử (số lẻ trong TLPT) [M−16]+. : m/z = 199, [M−46]+ m/z = 169 C NO2 [M−Br−16]+ : m/z = 120, [M−Br− 30]+ : m/z = 106 • IR : + hai đỉnh mạnh ở : ν* = 1530 vμ 1345 cm−1- đặc tr−ng cho nhóm NO2 vμ liên hợp (vì NO2 no ở : 1560 cm −1) + 1610 : nhân thơm liên hợp với NO2. Vạch 1600, 1450, 1400 cm −1 của nhân thơm không thấy, có thể do yếu quá. + : 3100 − 3300 của nhân thơm (dao động lên, xuống với mặt phẳng vòng thơm ). * C H−ν 8 + 855 cm −1 : mạnh → thế para ở nhân thơm NO2 R NO2 Br A B ⇒ có thể có khả năng cấu trúc A: Nh− vậy gốc R phải chứa Br : dự đoán R = CH2−Br (m/z = 215). − Cần chứng minh lμ p-aromat : • UV : giống UV của p-nitrotoluen [λmax = 272 nm, logε = 3,99 trong EtOH] • 1H-NMR : phù hợp với cấu trúc B vì có 3 nhóm tín hiệu nh− sau : + Singulet ở δ = 4,52 ppm + Dublet ở 7,62 vμ 8,25 + Đ−ờng tích phân cho tỷ lệ c−ờng độ : 1 : 1 : 1 + −CH2 cho singulet (tính toán lμ 4,45 ppm, thực nghiệm : 4,52 ppm). + H ở vị trí ortho với NO2 : tính toán : 8,21, tìm thấy 8,25 H ở m-NO2 : tính toán 7,52, tìm thấy 7,62 m/z = 106 NO2 Br N OO O - CO- NO- Br m/z = 136 + + Xác định cấu trúc bằng ph−ơng pháp NMR hiện đại 1. Từ tr−ờng cao − Nam châm siêu dẫn đ−ợc lμm lạnh bằng He lỏng (cryomagnet) − Hiện có đến thiết bị có nam châm 700 MHz hoặc cao hơn. − Nam châm điện tử thông th−ờng có c−ờng độ từ tr−ờng tối đa lμ 100 MHz. *) Ưu thế của từ tr−ờng cao : • Độ nhạy tăng do tăng hiệu số phân bố trạng thái hạt nhân • Ghi phổ nhanh hơn • Độ phân giải tốt hơn 9 2. 13C-NMR một chiều (DEPT) − DEPT : Distortionles Enhancement by Polarization Transfer) cho thông tin về số proton gắn với ( ), vμ cacbon bậc 4 ( ) 2CHCH3 CH, C, − APT : Attached Proton Test: Thấy các tín hiệu của cacbon gắn với proton (CH3 , CH2 , CH), cacbon bậc 4 10 các ph−ơng pháp phân tích vật lý trong hoá học Ch−ơng I Phổ tử ngoại, khả kiến (UV/Vis-spectrum) 1. Nguyên lý 1.1. Các b−ớc chuyển điện tử − Sóng điện từ đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình ν.λ = c λ = b−ớc sóng ν = tần số sóng c = tốc độ ánh sáng (c ≈ 2,998.1010 cm/giây trong chân không) − Một l−ợng tử của ánh sáng có tần số ν sẽ có năng l−ợng lμ E = hν h ≈ 6,63.10−34 Jgiây (Js) (Planck-Wirkungsquantum) − Quan hệ qua lại giữa sóng điện từ vμ phân tử chất khi có hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại vμ khả kiến sẽ dẫn đến kích thích các điện tử của liên kết hoá trị 10 200 400 750 λ (nm) Rơnghen Tử ngoại xa Tử ngoại gần Vùng khả kiến (nhìn thấy) Hồng ngoại ν* (cm−1) 106 5.104 2,5.104 1,3.104 − Tr−ớc đây b−ớc sóng th−ờng dùng Å (Angstrửm), ngμy nay : nm (1 nm = 10−7 cm, 10 −9 m) − Thay vì ν : s−1 ta hay dùng số sóng ν* : cm−1 c vv == λ 1* 1 − Năng l−ợng : 1 eV = 23 kcal.mol−1 = 96,5 kJ.mol−1 = 8066 cm−1 1000 cm −1 = 12 kJ.mol−1 1kJ.mol −1 = 84 cm−1 − Khi một ánh sáng có tần số ν phù hợp gặp một phân tử ở trạng thái gốc ψo thì ánh sáng có thể bị hấp thụ vμ phân tử đ−ợc nâng lên trạng thái kích thích điện tử ψ1. Thông qua tự phát xạ, phân tử có thể trở về vị trí gốc cũ. ΔE = E(ψ1) − E(ψo) = hν Ψ1 Ψ0hν hν Hấp thụ Phát xạ Hình 1: Sự hấp thụ vμ phát xạ ánh sáng điện từ 1.2. Sự hấp thụ ánh sáng vμ phổ − Một ánh sáng có c−ờng độ Io khi đi qua một chất đồng nhất − đẳng h−ớng có độ dμy d thì sẽ bị hấp thụ (absorption). ánh sáng sau khi đi qua lớp chất (truyền qua transmission) có c−ờng độ : I = Io − Iabs dI = − α.Idx dI : sự giảm c−ờng độ dx : số gia (increment) của độ dμy Tích phân : o I d I 0 dI dx I = − α∫ ∫ Giải : I = Io.e −αd I0 I d đx Hình 2: Định luật Lambert-Beer α = hằng số hấp thụ (đặc tr−ng cho môi tr−ờng đi qua) − Trong dung dịch loãng có nồng độ c ta thay : α = 2,303. ε. c ε = hằng số hấp thụ phân tử → A = oIlog .c.d I = ε 2 Độ hấp thụ A (Absorption, absorbance, extinction) không có thứ nguyên (đơn vị). d tính bằng cm, c : mol.l −1 ; ε : 1000 cm2.mol−1 = cm2.mmol−1) Th−ờng ng−ời ta cũng không ghi thứ nguyên của ε. *) Đây lμ nội dung cơ bản của định luật Bouguer (1728) − Lambert (1760) − Beer (1852) áp dụng cho ánh sáng đơn sắc vμ dung dịch loãng (c ≤ 10−2 mol.l−1). Sự hấp thụ có tính cộng hợp (trừ tr−ờng hợp ngoại lệ) : Atổng = n o i i i 1 I log d c I = = ε∑ *) Khi xác định độ hấp thụ cho tất cả các b−ớc sóng (λ) hoặc ν* vμ ε theo định luật Lambert-Beer ta sẽ đ−ợc đồ thị hấp thụ ε(ν *)hoặc ε(λ) vμ đó lμ phổ UV/Vis. Ta có thể giải thích các vùng phổ (tức các b−ớc chuyển điện tử dựa vμo quỹ đạo phân tử hay còn gọi lμ orbital phân tử (MO). Từ các orbital không liên kết n (đôi điện tử tự do) một điện tử có thể đ−ợc chuyển lên orbital trống phản liên kết (anti - bind) π* hoặc σ*. B−ớc chuyển điện tử nμy (t−ơng đ−ơng vùng phổ) đ−ợc ký hiệu lμ: n σ∗ π π∗ n π*σ σ∗ σ* π* n π σ π π∗ σ σ∗ n σ∗ n π* E Hình 3: Orbital phân tử vμ các b−ớc chuyển điện tử Bảng 1 lμ các vùng hấp thụ của những nhóm mang mμu (chromophore) biệt lập. Khi có ảnh h−ởng lập thể, hiệu ứng khác thì thay đổi vị trí hấp thụ. λ ν∗ 200 400 750 nm n π*π π∗ n π* n π* (Hệ đặc biệt) π π* (Hệ liên hợp) σ σ∗ Tử ngoại trong Tử ngoại Khả kiến chân không 50.103 cm-1 25.103 cm-1 13,3.103 cm-1 Hình 4: Vùng hấp thụ của các b−ớc chuyển điện tử 3 OO O2 ν0 S0 λr E ε 0 1 2 3 4 ν ' a) b)Phổ Phổ ν0 λr E ε 0 1 2 3 4 ν ' S0 Hình 5: Dải hấp thụ cấu tạo từ dải dao động của phân tử gồm 2 nguyên tử r = khoảng cách 2 nguyên tử, E = năng l−ợng a) Dải không đối xứng với b−ớc chuyển mạnh o←o b) Dải đối xứng với b−ớc chuyển mạnh 2←o Đối với một số nhóm mang mμu, dung môi cũng có ảnh h−ởng đặc tr−ng. 1.3. Một số định nghĩa *) Chuyển dịch đỏ hoặc hiệu ứng bathochrom (bathochrom effect) : Chuyển dịch đỉnh hấp thụ sang vùng sóng dμi do thay đổi môi tr−ờng hoặc trong phân tử có nhóm auxochrom. *) Nhóm auxochrom lμ nhóm thế gây ra chuyển dịch đỏ. Ví dụ : nối đôi trong enamin chuyển từ 190 nm → 230 nm do liên hợp với đôi điện tử tự do trong nitơ. Nhóm thế nitơ lμ auxochrom: R2N R ' *) Chuyển dịch xanh hoặc hiệu ứng hypsochrom : chuyển dịch về sóng ngắn. Do thay đổi môi tr−ờng hoặc không còn liên hợp. Ví dụ : NH2 H+ NH3 + λ = 230 nm (ε = 8600) λ = 203 nm (ε = 7500) (môi tr−ờng axít) *) Hiệu ứng hypsochrom : Hiệu ứng gây giảm c−ờng độ hấp thụ *) Hiệu ứng hyperchrom : Hiệu ứng lμm tăng c−ờng độ hấp thụ 4 1.4. Dung môi Dung môi có hấp thụ trong vùng đo thì không phù hợp. Dung môi tốt nhất lμ các perfluor ankan nh− perfluorooctan. Các hydrocarbon no nh−: pentan, hexan, heptan, cyclohexan, kể cả n−ớc, acetonitril có độ truyền qua đủ đến 195 nm (khi d = 1 cm) hoặc 180 nm (khi d = 1mm). − Metanol, ethanol, dietyl ete có thể sử dụng đến 210 nm ; dichlometan : đến 220 nm, chloroform : đến 240 nm, CCl4 : 250 nm. Benzen, toluen, tetrahydrofuran chỉ sử dụng đ−ợc ở trên 280 nm. − Sự t−ơng tác giữa dung môi − chất đo sẽ lμm phổ không nét, vì vậy cố gắng tránh sử dụng dung môi phân cực. 2. Chuẩn bị mẫu vμ đo phổ - Thông th−ờng phổ tử ngoại đ−ợc đo trong dung môi , với nồng độ ≈ 10-4mol/l. Với độ dμy cuvet lμ 1cm → theo định luật Lambert - Beer tacó: c. ε ≈ 1 nếu đặt độ hấp thụ A ≈ 1 A MK VK ZM l0 Q λ l D S Hình 6: Sơ đồ máy UV hai tia Q = nguồn sáng (UV: đèn hydro hoặc đèn deuteri, Vis: đèn wolfram-halogel) M = lăng kính để tán sắc ánh sáng (monochromator)/ hoặc mạng tán sắc Z = để chia hai tia (lμ 1 g−ơng quay) MK = cuvet chứa chất đo trong dung môi VK = cuvet so sánh chứa dung môi tinh khiết D = detectơ S = máy ghi, mμn hình 5 3. Nhóm mang mμu (chromophore) 3.1. Nhóm mang mμu biệt lập vμ t−ơng tác lẫn nhau giữa chúng: C O H H Formaldehyt C C O H OH Glyoxal λmax = 178 nm εmax = 17.000 λmax = 205 nm εmax = 2100 λmax = 303 nm εmax = 18 n →π* λmax = 450 nm εmax = 5 n →π* 2 nối đôi t−ơng tác với nhau mạnh − Hệ liên hợp cμng dμi thì b−ớc chuyển của π → π* cμng về sóng dμi vμ c−ờng độ cμng mạnh. Bảng 1: Các nhóm mang mμu (Chromophor) 3.2. Olefin, polyene − π → π* của etylen nằm ở vùng UV chân không với một đỉnh mạnh ở λmax = 165 nm (εmax = 16000) 6 Bảng 2: Hệ l−ợng gia (increment) để tính cực đại hấp thụ của dien vμ trien Ưu tiên s - trans (ví dụ acyclic) 217 nm Mỗi gốc cacbon mỗi nhóm auxochrom Bảng 3: Hấp thụ UV sóng dμi của 1,3 - dien Hợp chất λmax (nm) εmax Bảng 5: Hấp thụ của annulen Hợp chất λmax lgεmax Dung môi Mμu dung dịch Tính chất Bảng 4: Ví dụ về tính λmax của dien vμ trien liên hợp Hợp chất Quan sát Tính toán Hexan Chlorophorm Metanol Isooctan Cyclohexan Benzen Benzen Không mμu Vμng Vμng Nâu đỏ Đỏ Xanh vμng Tím anti- thơm thơm không thơm không thơm thơm không thơm thơm không thơm L−ợng gia Mỗi liên kết đôi thêm Mỗi vị trí nối đôi exocyclic 7 3.3. Benzen vμ các hợp chất thơm có vòng benzen: Bảng 6: Hấp thụ tử ngoại của benzen một lần thế Nhóm thế B−ớc chuyển sóng dμi (mạnh) B−ớc chuyển sóng dμi (cấm) Dung môi N−ớc Cyclohexan Etanol Etanol Hexan Etanol N−ớc N−ớc N−ớc N−ớc N−ớc N−ớc N−ớc N−ớc N−ớc Etanol N−ớc Etanol Hexan N−ớc Hexan Etanol N−ớc N−ớc Etanol 8 Hình 7: Phổ tử ngoại của benzen Bảng 7: Hấp thụ sóng của một số benzen thế para X1-C6H4-X 2 trong n−ớc Hình 8: Phổ UV/Vis của o-, m-, p-, nitrophenol: a/ trong 10-2 M HCl b/ trong 5x10-3 M NaOH 3.4. Các hợp chất cacbonyl : keton, aldehyt no: Bảng 8: B−ớc chuyển n→π* ở hợp chất cacbonyl no Hợp chất λmax (nm) εmax Dung môi acetaldehyd 293 12 Hexan Aceton 279 15 Hexan Acetylclorid 235 53 Hexan Acetalhydrid 225 50 Isooctan Acetamit 205 160 Metanol Etyl acetat 207 70 Eter dầu mỏ Axit acetic 204 41 Etanol Hình 9: Sơ đồ năng l−ợngcủa các b−ớc chuyển điện tử trong enon liên hợp, so sánh với alken vμ cacbonyl no 9 Hình 10: Phổ của benzophenon ____ Trong cyclohexan ------ Trong etanol Dung môi kém Dung môi phân cực phân cực Chuyển dịch Chuyển dịch bathochrom hypochrom λ1*→ λ1 λ2→ λ2* Hình 11: Dịch chuyển bathochrom vμ hypochrom của b−ớc chuyển π→π* vμ n→π* của xeton khi tăng độ phân cực dung môi (solvatochromy) 4. ứng dụng phổ tử ngoại / khả kiến − Phân tích định l−ợng, định tính vμ cấu trúc − Xác định hμm l−ợng cồn trong máu : EtOH enzim NAD CH3 CHO (nicotinamit − adenin − dinucleotid) Quá trình nμy đ−ợc theo dõi bằng UV (tử ngoại ). − Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): detectơ UV lμ phổ biến, − Nghiên cứu động học : Đo các b−ớc trung gian. Ngμy nay có thể dùng laser để xác định đ−ợc những chất trung gian có thời gian tồn tại nôna giây, picô giây, thậm chí femto giây (1 fs = 10 −15s). 10 Ch−ơng II Phổ hồng ngoại vμ phổ Raman I. Phổ hồng ngoại 1. Mở đầu vμ nguyên lý: − Năng l−ợng của các dao động phân tử hoặc sự quay phân tử nằm trong vùng hồng ngoại của phổ điện từ. − Dao động hoặc sự quay của phân tử có thể đo đ−ợc bằng hai cách : +) Trực tiếp bằng hấp thụ trong phổ hồng ngoại hoặc +) Gián tiếp bằng tia tán xạ trong phổ Raman. − Đối với các nhμ hoá học thì những dao động phân tử hữu dụng nhất cho việc xác định cấu trúc phân tử nằm trong vùng λ từ 2,5 đến 16 μm (1μm = 10−4 cm = 104 Ao). − Đơn vị : μm hoặc th−ờng lμ số sóng ν∗ −⎛ ⎞⎜ λ⎝ ⎠ 11 cm ⎟ . Khoảng hồng ngoại bình th−ờng lμ từ 4000 cm−1 → 400 cm−1. − Số sóng tỷ lệ thuận với tần số hoặc năng l−ợng: ν = c. ν∗ ΔE = h. c. ν∗ h = hằng số Planck (6.626.10--34 J.s) c = vận tốc ánh sáng (3.1010 cm/s) − Các nhóm chức có tần số dao động đặc tr−ng trong phổ hồng ngoại, nhờ đó ta phát hiện ra chúng trong phân tử chất khi xem phổ hồng ngoại. − Nguyên tắc chọn : để có hấp thụ hồng ngoại thì cần có sự thay đổi dipol moment khi phân tử dao động (thay đổi momen l−ỡng cực). 2. Thiết bị đo phổ hồng ngoại 2.1. Thiết bị kinh điển − Nguồn phát hồng ngoại, chia thμnh 2 chùm sáng có cùng c−ờng độ, 1 chùm đi qua dung dịch đo. Nếu năng l−ợng chùm sáng phù hợp với năng l−ợng dao động phân tử thì sẽ có hấp thụ. 11 − Để chỉnh phổ : dùng vạch đã biết của polysterol. − Có thể đo : dạng khí, dung dịch, chất lỏng tinh khiết vμ chất rắn. − Thời gian ghi phổ : ≈10 phút. 2.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) − Nguồn sáng chứa khoảng tần số từ 5000 − 400 cm−1. Toμn bộ phổ chỉ đo trong vμi giây, độ phân giải cao mμ c−ờng độ không bị hao hụt , độ chính xác số sóng cao. Ngμy nay ng−ời ta đã phát triển thiết bị sắc ký ghép nối phổ hồng ngoại (GC/FTIR). Phân đoạn đi ra từ GC đ−ợc đo FTIR ở pha khí. Nguồn sáng Mẫu So sánh Thiết bị đo giao thoa Cân bằng Chỉnh sửa (Laser) Mạng hoặc lăng kính Detectơ Mẫu đo Khuyếch đại Tích số liệu Máy ghi Máy tính (biến đổi Fourier) Thiết bị phổ IR th−ờng Phổ Mμn hình, máy in Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Thiết bị phổ hồng ngoại gồm : Thiết bị đo phổ hồng ngoại kinh điển vμ thiết bị có biến đổi Fourier 12 2.3. Chuẩn bị mẫu: 2.3.1. Đo trong pha hơi: Pha khí : ống đo 10 cm, hai đầu có kính lμm từ NaCl (cho tia hồng ngoại truyền qua). 2.3.2. Đo trong dung dịch: Trong dung dịch : CCl4, CHCl3 1 → 5%, Cuvette NaCl, Cuvette thứ hai chứa dung môi để cân bằng. − Nếu dung môi hấp thụ > 65% ánh sáng hồng ngoại thì không ghi đ−ợc phổ. CHCl3 vμ CCl4 hấp thụ > 65% ở vùng không quan trọng cho phổ hồng ngoại, bởi vậy có thể dùng lμm dung môi đo. 2.3.3. Đo ở dạng lỏng: Chất lỏng tinh khiết : 1 giọt nhỏ ép giữa 2 tấm NaCl. 2.3.4. Đo ở dạng rắn: − Pha rắn : ≈ 1 mg chất đ−ợc nghiền với 1 giọt nujol ( hỗn hợp paraphin lỏng ) trong cối mã não, cho vμo giữa 2 tấm NaCl. − Nghiền ≈ 1 mg chất với 10 − 100 lần khối l−ợng KBr tinh khiết cho phổ IR, ép thμnh viên trong suất bởi một máy ép . Ưu điểm cho phổ tốt hơn, nh−ng th−ờng có thêm vạch OH ở 3450cm −1 của hơi n−ớc do KBr lμ chất hút ẩm mạnh. 1(cm )−ν% Hình 12: Từ sắc đồ giao thoa (Interferrogram) đến phổ hồng ngoại thông qua biến đổi Fourier Di chuyển g−ơng Interferogramm Lĩnh vực thời gian Biến đổi Fourier Phổ hồng ngoại (lĩnh vực tần số) 13 − Online − Spektrenkatalog : dữ liệu phổ chuẩn do các hãng bán, dùng để so sánh với phổ của chất nghiên cứu. *) Định l−ợng bằng ph−ơng pháp phổ hồng ngoại : Theo định luật Lambert - Beer : o I lg .c.d E I λ= ε = I = c−ờng độ sau khi qua dung dịch Io = c−ờng độ tr−ớc khi qua dung dịch E = độ hấp thụ (extinction) ε = hệ số hấp thụ − Định luật Lambert-Beer Eλ = oI 9l 0g logI 2= 0 ( xem hình 14) đúng trong tr−ờng hợp dung dịch loãng. . . . Cx 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 Eλ 10 20 30 C Hình 13: Đ−ờng chuẩn để định l−ợng ννmax 100% 20 I0 I A Hình 14: Định l−ợng bằng IR − Đ−ờng chuẩn: Trong giới hạn nồng độ mμ định luật Lambert-Beer có giá trị, ta lập đ−ờng chuẩn của chất cần xác định