Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ

8/11/2019 Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ

http://slidepdf.com/reader/full/phan-tich-cau-truc-hop-chat-huu-co 1/57

Ph©n tÝch cÊu tróc hîp chÊt h÷u c¬

1. §Æt vÊn ®Ò

− Con ®− êng tèi − u nhÊt ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc mét chÊt th− êng kh«ng ®Þnh tr− íc ®− îc.

− Th«ng th− êng ph¶i kÕt hîp 4 ph− ¬ng ph¸p : UV, IR, MS, NMR, ®«i khi cã sù trîgióp cña ph− ¬ng ph¸p nhÞ s¾c trßn (CD) hoÆc t¸n s¾c quay cùc (ORD).

2. Ph− ¬ng ph¸p chung

• Tõ MS x¸c ®Þnh ion ph©n tö vμ suy ra c«ng thøc tæng.

• Trong tr− êng hîp MS kh«ng cho ion ph©n tö th× dïng ph©n tÝch nguyªn tè.

• X¸c ®Þnh sè liªn kÕt ®«i vμ vßng ®Ó cã h×nh dung vÒ khung ph©n tö.

• NÕu mét ph©n tö chØ chøa C, H, O th× sè t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i vμ vßng ®− îc tÝnh

theo c«ng thøc:

CaHbOc : DBE =(2a 2) b

2+ −

(1)

DBE = sè t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i

(2a + 2) lμ sè nguyªn tö H trong hydrocacbon no cã a nguyªn tö C. V× nèi ®«i hoÆc

vßng sÏ lμm gi¶m ®i 2H nªn khi trõ ®i b ta cã sè H thùc cã cña (2a + 2), chia 2 ta cã sè

nèi ®«i vμ vßng.

+ VÝ dô : Benzen cã 4 t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i (3 nèi ®«i vμ 1 vßng). Nh÷ng nguyªn tö

cã 1 hoÆc 2 ho¸ trÞ nh− Cl, Br, O, S, ... kh«ng ¶nh h− ëng ®Õn ph− ¬ng tr×nh (1). Cl, Br...®− îc coi nh− H vμ céng vμo b.

+ Khi cã nguyªn tö ho¸ trÞ 3 nh− −|

|N hoÆc

|

|P − ... th× ph¶i sö dông ph− ¬ng tr×nh (2) :

CaHbOcNd : DBE =(2a 2) (b d)

2+ − −

(2)

VÝ dô : C5H11N : chøa 1 t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i. §©y cã thÓ lμ chÊt isopropylimin cña

acetaldehyt (1 nèi ®«i) hoÆc cyclopentylamin (1vßng). Ngoμi ra cßn cã thÓ lμ nhiÒu chÊt

kh¸c n÷a. Nh− ng khi 1 trong 4 ph− ¬ng ph¸p phæ ®· x¸c ®Þnh cã 1 nèi ®«i (C=C, C= N,C=O) th× kh¶ n¨ng vßng ®· bÞ lo¹i. Ng− îc l¹i nÕu kh«ng x¸c ®Þnh ®− îc nèi ®«i tøc lμ ph¶i

cã 1 vßng. §iÒu ®Çu tiªn nghÜ tíi lμ phæ UV. NÕu nghi ngê cã hai hoÆc nhiÒu t− ¬ng

®− ¬ng nèi ®«i trong ph©n tö th× sÏ thÊy hÊp thô m¹nh trong phæ UV. Song, khi b¾t ®Çu

c«ng viÖc x¸c ®Þnh cÊu tróc cña mét chÊt th× ch− a nªn lÊy qu¸ nhiÒu th«ng tin tõ phæ UV.

Thay vμo ®ã lμ x¸c ®Þnh çc nhãm chøc trong ph©n tö th«ng qua phæ IR.

1

WWW.DAYKEMQUYNHON.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHONWWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM



Phæ NMR ( 1H vμ 13C) sÏ gióp ta dùng nªn khung cacbon cña chÊt cÇn t×m vμ kh¶

n¨ng vÒ vÞ trÝ cña çc nhãm chøc trong ph©n tö.

Phæ khèi (MS) còng gióp ta x¸c ®Þnh s¬ bé khung C, H cña phan tö dùa vμo ph©n

m¶nh.

ë giai ®o¹n nμy ch− a cè ®Þnh ®− îc thø tù çc th«ng tin thu ®− îc tõ çc ph− ¬ng ph¸pphæ.

Mét sè vÝ dô :

VÝ dô 1 : • Ph©n tÝch nguyªn tè vμ MS cho biÕt c«ng thøc C4H8O chøa 1 t− ¬ng

®− ¬ng nèi ®«i.

• UV : λmax = 295 nm

TÝnh h»ng sè hÊp thô ε :

ε = HÊp thô . TLPT (träng l− îng ph©n tö)L− îng c©n trong 100 ml . ®é dμy cuvet b»ng cm

Tr− êng hîp nμy :0,28.72.100

19106.1

ε = =

Nh− vËy lμ ε yÕu → n → π* cña keton hoÆc andehyt no (còng cã thÓ t¹p chÊt cã hÊp

thô m¹nh ?)

• IR : ν* = 1715 cm

−1 (m¹nh) → carbonyl

− kh«ng cã v¹ch ë 2700 − 2900 cm−1 trong IR ( *C H−ν andehyt)→ kh«ng cã andehyt.

− kh«ng cã tÝn hiÖu δ = 9 − 10 ppm trong 1HNMR (H andehyt)

• V× chØ cã 1 t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i vμ 1 dÞ nguyªn tè nªn ®ã lμ keton carbonyl.

• X¸c ®Þnh khung cacbon

• 13C-NMR cho biÕt 4C lμ kh¸c nhau, mét trong sè ®ã lμ C=O v× : δ = 208,79 ppm vμ

c− êng ®é yÕu (cacbon bËc 4)

• 1

H-NMR : δ = 2,4 q → CH2

2,09 s → CH3 ®Ýnh víi C bËc 4 C CH3C

O

1,04 t → CH3

3||

CH C

O

−

2





TÝch ph©n (Intergral) : 2 : 3 : 3

C

O

CH2 CH3H3C29,37 36,80 7,86 ppm

• MS :

O

43

57

29

m/z : 72, 57, 43, 29

VÝ dô 2 :

− C«ng thøc céng : C11H20O4 tÝnh ®− îc hai t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i.

− UV : kh«ng cho hÊp thô cña hai nèi ®«i liªn hîp.

− IR : + ®Ønh C=O m¹nh t¹i 1740 cm−1 (→ keton vßng 5 hoÆc ester no)

+ ®Ønh >C=C< kh«ng thÊy trong IR → hai t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i ph¶i lμ hai nhãm

carbonyl hoÆc 1C=O vμ 1 vßng.

+ kh«ng cã OH → 4 O lμ cña keton, ester hay ete.

− 13C-NMR : chØ cã 8C kh¸c nhau, nh− vËy cã mét sè C xuÊt hiÖn ë cïng vÞ trÝ do cÊu

tróc ®èi xøng trong ph©n tö.

− 1H-NMR : + TÝn hiÖu thÊp nhÊt ë δ = 4,12 ppm (q) → O−CH2−CH3. δ = 1,3 ppm (t)

thÊy râ, tuy tû lÖ c− êng ®é 1 : 2 : 1 kh«ng râ do trïng lÆp.

+ C− êng ®é cña O−CH2 − quartet t− ¬ng ®− ¬ng 4 H → cã thÓ cã hai nhãm

O−CH2−CH3 gièng nhau.

+ KÕt luËn : O−CH2−CH3 thuéc nhãm ester (COOCH2−CH3)

+ δ = 3,2 ppm (t) → tÝch ph©n cho biÕt lμ 1 H, v× ®· hÕt O (ë 2 × COOEt),

2 t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i → Triplett ë 3,2 ppm lμ cña nhãm −CH2−CH−(COOC2H5)2 C

O

-

O

+ Quartet cña 2 H ë : δ = 1,88 lμ cña : −CH2−CH−(CO2C2H5)2

→ cã 1 nhãm −CH2 n÷a ë c¹nh → ta cã

−CH2−CH2−CH−(CO2C2H5)2

+ Triplett ë δ = 1,00 lμ cña CH3−CH2.

3





+ TÝn hiÖu cña CH3−CH2 cã lÏ bÞ trïng víi triplett ë δ = 1,3 ppm.

OO

O

O

171173

− 13C-NMR : + Hai CH3 : 13,81 vμ 14,10. 14,10 tÝn hiÖu gÊp 2 vÒ c− êng ®é.

+ −H2C−CH2−CH2− : 22,38 ; 28,49 ; 29.53.

HC

COOH

COOH: 52,0

+ 61,12 ppm:+ 169,32 ppm:

- MS :

O CH2

COOEt

OH

COOEt

OEt C2H5CH CH2

OH

OEt

COOEt

OC2H5+ +

C2H3

m* = 83

m* = 110,5

m/z = 13

m/z = 115

m/z = 160 (pic c¬ së)

Ph©n c¾t vμ chuyÓn dÞch γ − H

VÝ dô 3 :

− Lä ho¸ chÊt trong kho cã ghi nh·n lμ methylpropylketon. KiÓm tra xem cã ®óng

chÊt Êy kh«ng ?

Phæ sè 5 -7

CRO

R'*) IR : + 1720 cm

−1 →

+ 1380, 1360 → khung CH2, CH3 → IR phï hîp víi cÊu tróc ghi trªn nh·n.

CH3C CH2 CH2 CH3

O

71

43

*) MS : m/z = 86 M

+.

ion ph©n tö

m/z = 71 [ M- CH3]+

m/z = 43 m¹nh nhÊt [H3C−C≡O]+ ( base peak, pic c¬ së)

m/z = 57 m¹nh [M−C2H5]+ khã gi¶i thÝch

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~

− §é béi, vaf tû lÖ ®− êng tÝch ph©n : kh«ng thËt phï hîp .

VÝ dô : Tû lÖ 2,4/2,11/1,6/1,0 cã tÝch ph©n : 3,04/3,00/2,01/4,65 H trong khi ®¸ng lÏ

ph¶i lμ 3/2/2/3 H.

− Triplett ë 1,00 ppm lμ 2 triplett trïng nhau. Triplett thø nhÊt lμ : tÝn hiÖu 1,11 ; 1,03

vμ 0,95 ; triplett thø hai lμ 0,98 ; 0,90 ; 0,81. Hai triplett cã J = 7 Hz.

− Triplett ë 2,4 ppm : 2,49 ; 2,41 ; 2,32 ppm kÌm theo quartet ë 2,55 ; 2,46 ; 2,38 ;

2,30.− TÝn hiÖu 6 v¹ch ë 1,6 ppm (tû lÖ c− êng ®é ≈ 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1) vμ singulet ë 2,11

ppm lμ s¹ch.

− ChÊt ghi trªn nh·n lμ metylpropylketon cã lÉn mét ®ång ph©n. §ång ph©n nμy chøa

nhãm carbonyl ( > C= O) vμ nhãm 2CH − g¾n trùc tiÕp víi CH3 (2,4 ppm) → çc kh¶

n¨ng nh− sau cã thÓ xem xÐt:

O

O

O

H O

2 3 4

5 6

Ta cã thÓ lo¹i cÊu tróc 4, 5 vμ 6 ra v× kh«ng phï hîp d÷ kiÖn phæ. Trong phæ IR vμ 1H- NMR kh«ng cã nhãm aldehyt (IR: ν* 2600-2830cm-1. 1H- NMR: 8-10 ppm)→ kh«ng

ph¶i 4. Cßn 5 kh«ng chøa nhãm - CH2 -; 6 kh«ng chøa nhãm xeton.

*) 1H-NMR : cho th«ng tin vÒ tû lÖ hai ®ång ph©n :

− Ta trõ gi¸ trÞ tÝch ph©n : 3,04 H (chuÈn ë 2,11 ppm = 3H) cña tÝn hiÖu ë 2,4 ppm cã

2H th× cßn 1,04H. Gi¸ trÞ nμy t− ¬ng ®− ¬ng (lμ cña) 4H ë vÞ trÝ α- cña ®ång ph©n

→ Tû lÖ 2/3 = 1 : 0,26 (1.04 ≡ 4H, vËy 1H t− ¬ng ®− ¬ng 0,26)

1,26 = 100% ⇒ 79% (2)

1,00 = X 21% (3)

0,26 = Y

VÝ dô 4 :

5





− MS : kh«ng cã ion ph©n tö. Tõ ph©n tÝch nguyªn tè ta cã c«ng thøc C5H11NO4. Cã

mét t− ¬ng ®− ¬ng nèi ®«i nh− ng kh«ng ph¶i C=O, v×

− IR : 1600 − 1900 cm−1 kh«ng cã ®Ønh nμo.

1545 cm−

1 : ®Ønh m¹nh, cã thÓ cña −NO2 ; 3350 cm−

1 : OH.

− UV : λ = 275 nm (ε = 24) cã thÓ n → π* (kh«ng cã pic ion ph©n tö trong MS,

th− êng thÊy víi çc hîp chÊt NO2, m¹ch th¼ng, no).

− 13C-NMR : Cã 4 nhãm C : 2C trong cïng mét m«i tr− êng tõ v× chóng trïng nhau

(c− êng ®é lín). Nh− vËy rÊt cã thÓ cã hai nhãm gièng nhau, ®èi xøng trong ph©n tö.

− 1H-NMR : 4H ë δ = 4,12 ppm

2H ë δ = 3,32 (t)

2H ë δ = 2,00 (q)

3H ë δ = 1,00 (t)

→ Cã nhãm C2H5 (CH2−CH3) vμ nhãm CH2 ®Ýnh víi cacbon bËc 4|

|C− −

− 13C-NMR (kh«ng khö t− ¬ng t¸c proton) :

• Nhãm CH2−CH3 cho 1 quartet ë 7.66 ppm vμ mét trong hai triplett ë 25,77 hoÆc

63,51.

• Nguyªn tö C bËc 4 cho mét tÝn hiÖu yÕu ë 94,23 ppm.

• Hai C gièng nhau nh− vËy ph¶i lμ mét trong hai triplett. Triplett ë 63,51 cã c− êng

®é gÇn gÊp 2 triplett kia, nh− vËy nã thuéc vÒ 2C gièng nhau. Nã ë tr− êng thÊp nªn ph¶i

g¾n víi dÞ nguyªn tè.

− 1H-NMR sau khi l¾c víi D2O (nh×n phæ trªn) th× triplet cña 2H ë 3,32 biÕn mÊt →

tÝn hiÖu nμy do hai nhãm OH g©y ra vμ 2 × OH nμy g¾n víi −CH2.

• Nh− vËy hai nhãm gièng nhau nμy lμ CH2OH. Ta cã çc phÇn nh− sau

HO OH

NO2

NO2 ( CH2 OH)2, ,

6





• Sau khi l¾c víi D2O, CH2OH cho mét quartet cña hÖ AB : δA = 4,00 ppm, δB =

4,24, JAB = 12 Hz → Nhãm CH2OH ®− îc g¾n vμo mét trung t©m "gi¶ bÊt ®èi" (prochiral):

HO

HA

HB NO2

CH2

HB

HA

OH

CH3

CHAHBOH

VÝ dô 5 : *) Tõ MS vμ ph©n tÝch nguyªn tè thu ®− îc C8H8O2 → 5 t− ¬ng ®− ¬ng nèi

®«i.

*) UV : hÖ thèng kh«ng no m¹nh : λmax = 316 nm (εmax = 22000).

→ 4 hoÆc 5 nèi ®«i.

*) IR : ChØ cã Ýt liªn kÕt CH− no ë 2880 − 2980 cm−1 Aryl, C=C−H ë 3100.

− Hai ®Ønh 1695 vμ 1675 cm−1 → hoÆc α, β-keton kh«ng no, al®ehyt hoÆc −COOH,

lo¹i COOH v× kh«ng cã ®Ønh ë 2500 − 3000 (OH). Lo¹i c¶ aldehyt, v× 1H-NMR vïng 9 −

10 ppm kh«ng cã tÝn hiÖu → cã thÓ lμ mét keton.

− 1615 cm−1 : C=C liªn hîp hoÆc aryl liªn hîp.

− 1555 vμ 1480 : nh©n th¬m.

*) 13C-NMR : 8 tÝn hiÖu, trõ mét metyl ë 27,83 (q) cßn l¹i 7 tÝn hiÖu ë vïng kh«ng no

(δ > 100 ppm), 1 carbonyl ë 193,36 ppm.*) 1H-NMR : 2,29 s s¾c → CH3−CO, m¶nh [M−15]+ m/z = 121 (pic c¬ së) ñng hé

®iÒu ®ã.

+C 6H5O C CH3

O

- CH3 +C 6H5O C O C 6H5O- CO +

C 6H5O + +H3C C O

H2C C O

(Keten)

m/z = 121 m/z = 93

m/z = 94m/z = 43

*) 13C-NMR (off resonance) : H ph©n chia ra çc C

*) 1H-NMR trong dung m«i CCl4 kh«ng ph©n gi¶i tèt. Khi cho thªm 10% benzen vμo

th× phæ ph©n gi¶i tèt h¬n.

7





- Cã dublet víi J = 16 Hz → HÖ AB nèi ®«i trans hai lÇn thÕ (IR : 970 m¹nh).

→ Ch¾c cã çc phÇn :

H3C C

O

C C

Y

HX

H, , X vμ Y kh«ng cã proton

OR

α

β

PhÇn cßn l¹i lμ C4H3O, kh«ng chøa carbonyl vμ OH, 3 H ®Ýnh

víi C kh¸c nhau.

VÊn ®Ò cßn l¹i : thÕ ë α hay β

3 H cßn l¹i cã çc tÝn hiÖu ë : 6,46 ; 6,62 ; 7,48[rpm → lμ mét

furan thÕ ë α.

Hα : Jαβ = 1,5 Hz (d) ; Hβ = d, Jβ, β' = 3,5 Hz (v¹ch 2, 3)

Hβ = (q) (v¹ch 5 − 8) Jββ' = 3,5 Hz, Jαβ = 1,5 Hz.O

O

Hβ 'Hβ

Hα

VÝ dô vÒ kÕt hîp çc ph− ¬ng ph¸p phæ

1. VÝ dô 1 : Phæ 1 → 4

Bμi to¸n : X¸c ®Þnh cÊu tróc cña chÊt 1.

• MS : + m/z = 215 vμ 217 c− êng ®é b»ng nhau → cã Br trong ph©n tö (79 vμ 81).

m/z = 169 vμ 171

m/z = 136 pic c¬ së (base peak) kh«ng cßn Br- do c¾t m¶nh

+ cßn chøa 1 N trong ph©n tö (sè lÎ 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 ®Ønh m¹nh ë : ν* = 1530 vμ 1345 cm

−1- ®Æc tr− ng cho nhãm NO2 vμ

liªn hîp (v× NO2 no ë : 1560 cm

−1

)

+ 1610 : nh©n th¬m liªn hîp víi NO2.

V¹ch 1600, 1450, 1400 cm−1 cña nh©n th¬m kh«ng thÊy, cã thÓ do yÕu qu¸.

+ : 3100 − 3300 cña nh©n th¬m (dao ®éng lªn, xuèng víi mÆt ph¼ng vßng

th¬m ).

*C H−ν

8





+ 855 cm−1 : m¹nh → thÕ para ë nh©n th¬m NO2

R

NO2

Br

A B

⇒ cã thÓ cã kh¶ n¨ng cÊu tróc A:

Nh− vËy gèc R ph¶i chøa Br : dù ®o¸n R = CH2−Br (m/z = 215).

− CÇn chøng minh lμ p-aromat :

• UV : gièng UV cña p-nitrotoluen [λmax = 272 nm, logε = 3,99 trong EtOH]

• 1H-NMR : phï hîp víi cÊu tróc B v× cã 3 nhãm tÝn hiÖu nh− sau :

+ Singulet ë δ = 4,52 ppm

+ Dublet ë 7,62 vμ 8,25

+ §− êng tÝch ph©n cho tû lÖ c− êng ®é : 1 : 1 : 1

+ −CH2 cho singulet (tÝnh to¸n lμ 4,45 ppm, thùc nghiÖm : 4,52 ppm).

+ H ë vÞ trÝ ortho víi NO2 : tÝnh to¸n : 8,21, t×m thÊy 8,25

H ë m-NO2 : tÝnh to¸n 7,52, t×m thÊy 7,62

m/z = 106

NO2

Br

N OOO

- CO- NO- Br

m/z = 136

+ +

X¸c ®Þnh cÊu tróc b»ng ph− ¬ng ph¸p NMR hiÖn ®¹i

1. Tõ tr− êng cao

− Nam ch©m siªu dÉn ®− îc lμm l¹nh b»ng He láng (cryomagnet)

− HiÖn cã ®Õn thiÕt bÞ cã nam ch©m 700 MHz hoÆc cao h¬n.

− Nam ch©m ®iÖn tö th«ng th− êng cã c− êng ®é tõ tr− êng tèi ®a lμ 100 MHz.

*) ¦u thÕ cña tõ tr− êng cao :

• §é nh¹y t¨ng do t¨ng hiÖu sè ph©n bè tr¹ng th¸i h¹t nh©n

• Ghi phæ nhanh h¬n

• §é ph©n gi¶i tèt h¬n

9





2. 13C-NMR mét chiÒu (DEPT)

− DEPT : Distortionles Enhancement by Polarization Transfer) cho th«ng tin vÒ sè

proton g¾n víi ( ), vμ cacbon bËc 4 ( )2CHCH3 CH, C,

− APT : Attached Proton Test: ThÊy çc tÝn hiÖu cña cacbon g¾n víi proton (CH3 ,

CH2 , CH), cacbon bËc 4

10





çc ph− ¬ng ph¸p ph©n tÝch vËt lý trong ho¸ häc

Ch− ¬ng I

Phæ tö ngo¹i, kh¶ kiÕn (UV/Vis-spectrum)

1. Nguyªn lý

1.1. Çc b− íc chuyÓn ®iÖn tö

− Sãng ®iÖn tõ ®− îc biÓu diÔn b»ng ph− ¬ng tr×nh

ν.λ = c

λ = b− íc sãng

ν = tÇn sè sãng

c = tèc ®é ¸nh s¸ng

(c ≈ 2,998.1010 cm/gi©y trong ch©n kh«ng)

− Mét l− îng tö cña ¸nh s¸ng cã tÇn sè ν sÏ cã n¨ng l− îng lμ

E = hν

h ≈ 6,63.10−34 Jgi©y (Js) (Planck-Wirkungsquantum)

− Quan hÖ qua l¹i gi÷a sãng ®iÖn tõ vμ ph©n tö chÊt khi cã hÊp thô ¸nh s¸ng trong

vïng tö ngo¹i vμ kh¶ kiÕn sÏ dÉn ®Õn kÝch thÝch çc ®iÖn tö cña liªn kÕt ho¸ trÞ

10 200 400 750λ (nm)

R¬nghen Tö ngo¹i xa Tö ngo¹i gÇn Vïng kh¶

kiÕn (nh×n

thÊy)

Hång ngo¹i

ν* (cm−1)

106 5.104 2,5.104 1,3.104

− Tr− íc ®©y b− íc sãng th− êng dïng Å (Angström), ngμy nay : nm (1 nm = 10−7

cm,10

−9 m)

− Thay v× ν : s−1 ta hay dïng sè sãng ν* : cm

−1

c

v

v ==λ

1*

1





− N¨ng l− îng : 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 mét ¸nh s¸ng cã tÇn sè ν phï hîp gÆp mét ph©n tö ë tr¹ng th¸i gèc ψo th× ¸nh

s¸ng cã thÓ bÞ hÊp thô vμ ph©n tö ®− îc n©ng lªn tr¹ng th¸i kÝch thÝch ®iÖn tö ψ1. Th«ng

qua tù ph¸t x¹, ph©n tö cã thÓ trë vÒ vÞ trÝ gèc cò.

ΔE = E(ψ1) − E(ψo) = hν

Ψ1

Ψ0hν hν

HÊp thô Ph¸t x¹

H×nh 1: Sù hÊp thô vμ ph¸t x¹ ¸nh s¸ng ®iÖn tõ

1.2. Sù hÊp thô ¸nh s¸ng vμ phæ

− Mét ¸nh s¸ng cã c− êng ®é Io khi ®i qua mét chÊt ®ång nhÊt − ®¼ng h− íng cã ®é dμy

d th× sÏ bÞ hÊp thô (absorption). ¸nh s¸ng sau khi ®i qua líp chÊt (truyÒn qua

transmission) cã c− êng ®é :

I = Io − Iabs

dI = − α.Idx

dI : sù gi¶m c− êng ®é

dx : sè gia (increment) cña ®é dμy

TÝch ph©n :

o

I d

I 0

dIdx

I= − α∫ ∫

Gi¶i : I = Io.e−αd

I0 I

d®x

H×nh 2: §Þnh luËt Lambert-Beer

α = h»ng sè hÊp thô (®Æc tr− ng cho m«i tr− êng ®i qua)

− Trong dung dÞch lo·ng cã nång ®é c ta thay :

α = 2,303. ε. c

ε = h»ng sè hÊp thô ph©n tö

→ A = oIlog .c.dI= ε

2





§é hÊp thô A (Absorption, absorbance, extinction) kh«ng cã thø nguyªn (®¬n vÞ). d

tÝnh b»ng cm, c : mol.l−1 ; ε : 1000 cm2.mol

−1 = cm2.mmol−1)

Th− êng ng− êi ta còng kh«ng ghi thø nguyªn cña ε.

*) §©y lμ

néi dung c¬ b¶n cña ®Þnh luËt Bouguer (1728)− Lambert (1760)

− Beer

(1852) ¸p dông cho ¸nh s¸ng ®¬n s¾c vμ dung dÞch lo·ng (c ≤ 10−2 mol.l

−1).

Sù hÊp thô cã tÝnh céng hîp (trõ tr− êng hîp ngo¹i lÖ) :

Atæng =n

oi i

i 1

Ilog d c

I=

= ε∑

*) Khi x¸c ®Þnh ®é hÊp thô cho tÊt c¶ çc b− íc sãng (λ) hoÆc ν* vμ ε theo ®Þnh luËt

Lambert-Beer ta sÏ ®− îc ®å thÞ hÊp thô ε( ν *)hoÆc ε(λ) vμ ®ã lμ phæ UV/Vis.

Ta cã thÓ gi¶i thÝch çc vïng phæ (tøc çc b− íc chuyÓn ®iÖn tö dùa vμo quü ®¹o ph©ntö hay cßn gäi lμ orbital ph©n tö (MO).

Tõ çc orbital kh«ng liªn kÕt n (®«i ®iÖn tö tù do) mét ®iÖn tö cã thÓ ®− îc chuyÓn lªn

orbital trèng ph¶n liªn kÕt (anti - bind) π* hoÆc σ*. B− íc chuyÓn ®iÖn tö nμy (t− ¬ng

®− ¬ng vïng phæ) ®− îc ký hiÖu lμ:

n σ∗

π π∗ n π*σ σ∗

σ*

π*

n

π

σ

π π∗

σ σ∗

n σ∗

nπ

*

E

H×nh 3: Orbital ph©n tö vμ çc b− íc chuyÓn ®iÖn tö

B¶ng 1 lμ çc vïng hÊp thô cña nh÷ng nhãm mang mμu (chromophore) biÖt lËp. Khi

cã ¶nh h− ëng lËp thÓ, hiÖu øng kh¸c th× thay ®æi vÞ trÝ hÊp thô.

λ

ν∗

200 400 750 nm

n π*π π∗

n π*

n π* (HÖ ®Æc biÖt)

π π* (HÖ liªn hîp)

σ σ∗

Tö ngo¹i trong Tö ngo¹i Kh¶ kiÕn

ch©n kh«ng

50.103 cm-1 25.103 cm-1 13,3.103 cm-1

H×nh 4: Vïng hÊp thô cña çc b− íc chuyÓn ®iÖn tö

3





OO

O2

ν0

S0

λr

Eε

01

234

ν '

a) b)Phæ Phæ

ν0

λr

Eε

01

234

ν '

S0

H×nh 5: D¶i hÊp thô cÊu t¹o tõ d¶i dao ®éng cña ph©n tö gåm 2 nguyªn tö

r = kho¶ng çch 2 nguyªn tö, E = n¨ng l− îng

a) D¶i kh«ng ®èi xøng víi b− íc chuyÓn m¹nh o←o

b) D¶i ®èi xøng víi b− íc chuyÓn m¹nh 2←o

§èi víi mét sè nhãm mang mμu, dung m«i còng cã ¶nh h− ëng ®Æc tr− ng.

1.3. Mét sè ®Þnh nghÜa

*) ChuyÓn dÞch ®á hoÆc hiÖu øng bathochrom (bathochrom effect) :

ChuyÓn dÞch ®Ønh hÊp thô sang vïng sãng dμi do thay ®æi m«i tr− êng hoÆc trong

ph©n tö cã nhãm auxochrom.

*) Nhãm auxochrom lμ nhãm thÕ g©y ra chuyÓn dÞch ®á. VÝ dô : nèi ®«i trong enamin

chuyÓn tõ 190 nm → 230 nm do liªn hîp víi ®«i ®iÖn tö tù do trong nit¬. Nhãm thÕ nit¬lμ auxochrom:

R2N

R '

*) ChuyÓn dÞch xanh hoÆc hiÖu øng hypsochrom : chuyÓn dÞch vÒ sãng ng¾n. Do thay

®æi m«i tr− êng hoÆc kh«ng cßn liªn hîp. VÝ dô :

NH2

H

+ NH3+

λ = 230 nm (ε = 8600) λ = 203 nm (ε = 7500)

(m«i tr− êng axÝt)

*) HiÖu øng hypsochrom : HiÖu øng g©y gi¶m c− êng ®é hÊp thô

*) HiÖu øng hyperchrom : HiÖu øng lμm t¨ng c− êng ®é hÊp thô

4





1.4. Dung m«i

Dung m«i cã hÊp thô trong vïng ®o th× kh«ng phï hîp. Dung m«i tèt nhÊt lμ çc

perfluor ankan nh− perfluorooctan. Çc hydrocarbon no nh− : pentan, hexan, heptan,

cyclohexan, kÓ c¶ n− íc, acetonitril cã ®é truyÒn qua ®ñ ®Õn 195 nm (khi d = 1 cm) hoÆc

180 nm (khi d = 1mm).− Metanol, ethanol, dietyl ete cã thÓ sö dông ®Õn 210 nm ; dichlometan : ®Õn 220

nm, chloroform : ®Õn 240 nm, CCl4 : 250 nm. Benzen, toluen, tetrahydrofuran chØ

sö dông ®− îc ë trªn 280 nm.

− Sù t− ¬ng t¸c gi÷a dung m«i − chÊt ®o sÏ lμm phæ kh«ng nÐt, v× vËy cè g¾ng tr¸nh

sö dông dung m«i ph©n cùc.

2. ChuÈn bÞ mÉu vμ ®o phæ

- Th«ng th− êng phæ tö ngo¹i ®− îc ®o trong dung m«i , víi nång ®é ≈ 10-4mol/l. Víi

®é dμy cuvet lμ 1cm → theo ®Þnh luËt Lambert - Beer tacã:

c. ε ≈ 1 nÕu ®Æt ®é hÊp thô A ≈ 1

AMK

VK

ZM

l0

Q

λ

l

D

S

H×nh 6: S¬ ®å m¸y UV hai tia

Q = nguån s¸ng (UV: ®Ìn hydro hoÆc ®Ìn deuteri, Vis: ®Ìn wolfram-halogel)

M = l¨ng kÝnh ®Ó t¸n s¾c ¸nh s¸ng (monochromator)/ hoÆc m¹ng t¸n s¾c

Z = ®Ó chia hai tia (lμ 1 g− ¬ng quay)

MK = cuvet chøa chÊt ®o trong dung m«i

VK = cuvet so s¸nh chøa dung m«i tinh khiÕt

D = detect¬

S = m¸y ghi, mμ

n h×nh

5





3. Nhãm mang mμu (chromophore)

3.1. Nhãm mang mμu biÖt lËp vμ t − ¬ng t¸c lÉn nhau gi÷a chóng:

C OH

H

Formaldehyt

C

C

O H

OH

Glyoxalλmax = 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 nèi ®«i t− ¬ng t¸c víi nhau m¹nh

− HÖ liªn hîp cμng dμi th× b− íc chuyÓn cña π → π* cμng vÒ sãng dμi vμ c− êng ®é

cμng m¹nh.

B¶ng 1: Çc nhãm mang mμu (Chromophor)

3.2. Olefin, polyene

− π → π* cña etylen n»m ë vïng UV ch©n kh«ng víi mét ®Ønh m¹nh ë λmax = 165 nm

(εmax = 16000)

6





B¶ng 2: HÖ l− îng gia (increment ) ®Ó tÝnhcùc ®¹i hÊp thô cña dien vμ trien

¦u tiªn s - trans(vÝ dô acyclic)217 nm

Mçi gèc cacbonmçi nhãm auxochrom

B¶ng 3: HÊp thô UV sãng d μi cña 1,3 - dien

Hîp chÊt λmax (nm) εmax

B¶ng 5: HÊp thô cña annulen Hîp chÊt λmax lgεmax Dung m«i Mμu dung dÞch TÝnh chÊt

B¶ng 4: VÝ dô vÒ tÝnh λ max cña dienvμ trien liªn hîp

Hîp chÊt Quan s¸t TÝnh to¸n

Hexan

Chlorophorm

Metanol

Isooctan

Cyclohexan

Benzen

Benzen

Kh«ng mμu

Vμng

Vμng

N©u ®á

§á

Xanh vμng

TÝm

anti-th¬m

th¬m

kh«ngth¬m

kh«ngth¬m

th¬m

kh«ngth¬m

th¬m

kh«ngth¬m

L− îng giaMçi liªn kÕt ®«i thªmMçi vÞ trÝ nèi ®«i exocyclic

7





3.3. Benzen vμ çc hîp chÊt th¬m cã vßng benzen:

B¶ng 6: HÊp thô tö ngo¹i cña benzen mét lÇn thÕ

Nhãm thÕ B− íc chuyÓn

sãng dμi (m¹nh)

B− íc chuyÓn

sãng dμi (cÊm)

Dung m«i

N− ícCyclohexan

Etanol

Etanol

Hexan

Etanol

N− íc

N− íc

N− íc

N− íc

N− íc

N− íc

N− íc

N− íc

N− íc

Etanol

N− íc

Etanol

Hexan

N− ícHexan

Etanol

N− íc

N− íc

Etanol

8





H×nh 7: Phæ tö ngo¹i cña benzen

B¶ng 7: HÊp thô sãng cña mét sè benzen thÕ para X 1-C6 H 4-X 2 trong n− íc H×nh 8: Phæ UV/Vis cña o-, m-, p-,

nitrophenol:a/ trong 10-2 M HClb/ trong 5x10-3 M NaOH

3.4. Çc hîp chÊt cacbonyl : keton, aldehyt no:

B¶ng 8: B− íc chuyÓn n→π * ë hîp chÊt

cacbonyl no

Hîp chÊt λmax

(nm)

εmax Dung m«i

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 dÇu má

Axit acetic 204 41 Etanol

H×nh 9: S¬ ®å n¨ng l− îngcña çc b− íc

chuyÓn ®iÖn tö trong enon liªn hîp, so s¸nh

víi alken vμ cacbonyl no

9





H×nh 10: Phæ cña benzophenon

____ Trong cyclohexan

------ Trong etanol

Dung m«i kÐm Dung m«iph©n cùc ph©n cùc

ChuyÓn dÞch ChuyÓn dÞchbathochrom hypochromλ1*→ λ1 λ2→ λ2*

H×nh 11: DÞch chuyÓn bathochrom vμ hypochrom cña b− íc chuyÓn π →π * vμ

n→π

* cña xeton khi t¨ng ®é ph©n cùc dungm«i (solvatochromy)

4. ø ng dông phæ tö ngo¹i / kh¶ kiÕn

− Ph©n tÝch ®Þnh l− îng, ®Þnh tÝnh vμ cÊu tróc

− X¸c ®Þnh hμm l− îng cån trong m¸u :

EtOH enzim

NAD CH3 CHO

(nicotinamit − adenin − dinucleotid)

Qu¸ tr×nh nμy ®− îc theo dâi b»ng UV (tö ngo¹i ).

− S¾c ký láng hiÖu n¨ng cao (HPLC): detect¬ UV lμ phæ biÕn,

− Nghiªn cøu ®éng häc : §o çc b− íc trung gian.

Ngμy nay cã thÓ dïng laser ®Ó x¸c ®Þnh ®− îc nh÷ng chÊt trung gian cã thêi gian tån

t¹i n«na gi©y, pic« gi©y, thËm chÝ femto gi©y (1 fs = 10−15s).

10





Ch− ¬ng II

Phæ hång ngo¹i vμ phæ Raman

I. Phæ hång ngo¹i

1. Më ®Çu vμ nguyªn lý:

− N¨ng l− îng cña çc dao ®éng ph©n tö hoÆc sù quay ph©n tö n»m trong vïng hång

ngo¹i cña phæ ®iÖn tõ.

− Dao ®éng hoÆc sù quay cña ph©n tö cã thÓ ®o ®− îc b»ng hai çch :

+) Trùc tiÕp b»ng hÊp thô trong phæ hång ngo¹i hoÆc

+) Gi¸n tiÕp b»ng tia t¸n x¹ trong phæ Raman.− §èi víi çc nhμ ho¸ häc th× nh÷ng dao ®éng ph©n tö h÷u dông nhÊt cho viÖc x¸c

®Þnh cÊu tróc ph©n tö n»m trong vïng λ tõ 2,5 ®Õn 16 μm (1μm = 10−4 cm = 104 Ao).

− §¬n vÞ : μm hoÆc th− êng lμ sè sãng ν∗ −⎛ ⎞⎜

λ⎝ ⎠11

cm ⎟ . Kho¶ng hång ngo¹i b×nh

th− êng lμ tõ 4000 cm−1 → 400 cm

−1.

− Sè sãng tû lÖ thuËn víi tÇn sè hoÆc n¨ng l− îng:

ν = c. ν∗ ΔE = h. c. ν∗

h = h»ng sè Planck (6.626.10--34 J.s)

c = vËn tèc ¸nh s¸ng (3.1010 cm/s)

− Çc nhãm chøc cã tÇn sè dao ®éng ®Æc tr− ng trong phæ hång ngo¹i, nhê ®ã ta ph¸t

hiÖn ra chóng trong ph©n tö chÊt khi xem phæ hång ngo¹i.

− Nguyªn t¾c chän : ®Ó cã hÊp thô hång ngo¹i th× cÇn cã sù thay ®æi dipol moment

khi ph©n tö dao ®éng (thay ®æi momen l− ìng cùc).

2. ThiÕt bÞ ®o phæ hång ngo¹i

2.1. ThiÕt bÞ kinh ®iÓn

− Nguån ph¸t hång ngo¹i, chia thμnh 2 chïm s¸ng cã cïng c− êng ®é, 1 chïm ®i qua

dung dÞch ®o. NÕu n¨ng l− îng chïm s¸ng phï hîp víi n¨ng l− îng dao ®éng ph©n tö th× sÏ

cã hÊp thô.

11





− §Ó chØnh phæ : dïng v¹ch ®· biÕt cña polysterol.

− Cã thÓ ®o : d¹ng khÝ, dung dÞch, chÊt láng tinh khiÕt vμ chÊt r¾n.

− Thêi gian ghi phæ : ≈10 phót.

2.2. Phæ hång ngo¹i biÕn ®æi Fourier (FTIR)

− Nguån s¸ng chøa kho¶ng tÇn sè tõ 5000 − 400 cm−1. Toμn bé phæ chØ ®o trong vμi

gi©y, ®é ph©n gi¶i cao mμ c− êng ®é kh«ng bÞ hao hôt , ®é chÝnh x¸c sè sãng cao. Ngμy

nay ng− êi ta ®· ph¸t triÓn thiÕt bÞ s¾c ký ghÐp nèi phæ hång ngo¹i (GC/FTIR). Ph©n ®o¹n

®i ra tõ GC ®− îc ®o FTIR ë pha khÝ.

Nguån s¸ng

MÉu So s¸nh ThiÕt bÞ ®o giao thoa

C©n b»ng ChØnh söa (Laser)

M¹ng hoÆc l¨ng kÝnh Detect¬ MÉu ®o

KhuyÕch ®¹i TÝch sè liÖu

M¸y ghiM¸y tÝnh (biÕn ®æi

Fourier)

ThiÕt bÞ phæ IR th− êng Phæ Mμn h×nh, m¸y in

Phæ hång ngo¹i

biÕn ®æi Fourier

ThiÕt bÞ phæ hång ngo¹i gåm : ThiÕt bÞ ®o phæ hång ngo¹i kinh ®iÓn vμ

thiÕt bÞ cã biÕn ®æi Fourier

12





2.3. ChuÈn bÞ mÉu:

2.3.1. §o trong pha h¬i:

Pha khÝ : èng ®o 10 cm, hai ®Çu cã kÝnh lμm tõ NaCl (cho tia hång ngo¹i truyÒn

qua). 2.3.2. §o trong dung dÞch:

Trong dung dÞch : CCl4, CHCl3 1 → 5%, Cuvette NaCl, Cuvette thø hai chøa dung

m«i ®Ó c©n b»ng.

− NÕu dung m«i hÊp thô > 65% ¸nh s¸ng hång ngo¹i th× kh«ng ghi ®− îc phæ.

CHCl3 vμ CCl4 hÊp thô > 65% ë vïng kh«ng quan träng cho phæ hång ngo¹i, bëi vËy

cã thÓ dïng lμm dung m«i ®o.

2.3.3. §o ë d¹ng láng: ChÊt láng tinh khiÕt : 1 giät nhá Ðp gi÷a 2 tÊm NaCl.

2.3.4. §o ë d¹ng r¾n:

− Pha r¾n : ≈ 1 mg chÊt ®− îc nghiÒn víi 1 giät nujol ( hçn hîp paraphin láng ) trong

cèi m· n·o, cho vμo gi÷a 2 tÊm NaCl.

− NghiÒn ≈ 1 mg chÊt víi 10 − 100 lÇn khèi l− îng KBr tinh khiÕt cho phæ IR, Ðp

thμnh viªn trong suÊt bëi mét m¸y Ðp . ¦u ®iÓm cho phæ tèt h¬n, nh − ng th− êng cã thªm

v¹ch OH ë 3450cm−1 cña h¬i n− íc do KBr lμ chÊt hót Èm m¹nh.

1(cm )

−ν% H×nh 12: Tõ s¾c ®å giao thoa (Interferrogram) ®Õn phæ hång ngo¹i th«ng qua biÕn

®æi Fourier

Di chuyÓn g− ¬ng

InterferogrammLÜnh vùc thêi gian

BiÕn ®æi Fourier

Phæ hång ngo¹i

(lÜnh vùc tÇn sè)

13





− Online − Spektrenkatalog : d÷ liÖu phæ chuÈn do çc h·ng b¸n, dïng ®Ó so s¸nh víiphæ cña chÊt nghiªn cøu.

*) §Þnh l− îng b»ng ph− ¬ng ph¸p phæ hång ngo¹i :

Theo ®Þnh luËt Lambert - Beer : oI

lg .c.d EI λ= ε =

I = c− êng ®é sau khi qua dung dÞch

Io = c− êng ®é tr− íc khi qua dung dÞch

E = ®é hÊp thô (extinction)

ε = hÖ sè hÊp thô

− §Þnh luËt Lambert-Beer Eλ = oI 9l

0g log

I 2=

0 ( xem h×nh 14) ®óng trong tr− êng hîp

dung dÞch lo·ng.

.

.

.

Cx

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0

Eλ

10 20 30C

H×nh 13: §− êng chuÈn ®Ó ®Þnh l− îngν

νmax

100%

20

I0

I

A

H×nh 14: §Þnh l− îng b»ng IR

− §− êng chuÈn: Trong giíi h¹n nång ®é mμ ®Þnh luËt Lambert-Beer cã gi¸ trÞ, ta lËp

®− êng chuÈn cña chÊt cÇn x¸c ®Þnh (quan hÖ gi÷a c vμ Eλ) nh− trong h×nh 13.

− ø ng dông : lÜnh vùc nhùa tæng hîp, kiÓm tra chÊt l− îng d− îc phÈm vμ thuèc b¶o vÖ

thùc vËt.*) Phæ dao ®éng

*) *

o r

1 f 2 c m

ν =π

ν* = sè sãng 11[cm ]−⎛ ⎞

⎜ ⎟λ⎝ ⎠

14





co : tèc ®é ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng

f = h»ng sè lùc (dyn/cm) t− ¬ng ®− ¬ng lùc liªn kÕt (tû lÖ C−C / C=C / C≡C = 1 : 2 : 3)

mr = khèi l− îng khi dao ®éng

*) Sè d¹ng dao ®éng :

§èi víi ph©n tö th¼ng: 3N − 5 (N = sè nguyªn tö trong ph©n tö)

§èi víi ph©n tö gÊp: 3N − 6

OH

H

O+

180o

180o

O

*H H

O

H H*

O

H H*

O

*H H

CS S νs(CS) CS S

dao ®éng ho¸ trÞ

CS S νas(CS) CS S

dao ®éng biÕn d¹ng

δ (SCS)

O

O O

O

O O

O

O O

S¾c ký khÝ (SKK)

Mμn h×nh

M¸y tÝnh

SKK -

H×nh 15: CÊu tróc cña FTIR (víi ®¬n vÞ SKK - Hång ngo¹i)

15





B¶ng 8: VÞ trÝ cña dao ®éng ho¸ trÞ nèi ®«i vμ giao ®éng d·n cña N - H:(s - m¹nh; m - võa; w - yÕu; v - thay ®æi)

16





B¶ng 9: VÞ trÝ cña dao ®éng ho¸ trÞ cña liªn kÕt ba vμ nèi ®«i

liªn hîp: (s - m¹nh; m - võa; w - yÕu; v - thay ®æi)

B¶ng 10: VÞ trÝ cña liªn kÕt ho¸ trÞ cña hydro, c− êng ®é v¹ch:

(s - m¹nh; m - võa; w - yÕu; v - thay ®æi)

17





B¶ng 11: VÞ trÝ cña dao ®éng ho¸ trÞ cña nhãm cacbonyl

(tÊt c¶ çc v¹ch ®Òu m¹nh)

II. Phæ Raman

− HiÖu øng Raman ®· ®− îc Smekal dù ®o¸n vÒ lý thuyÕt vμo n¨m 1923 vμ 5 n¨m sau

hiÖu øng Raman ®− îc chøng minh b»ng thùc nghiÖm.

− Phæ Raman nh×n chung Ýt ®− îc sö dông mét çch th«ng dông. Çc nhμ ho¸ häc h÷u

c¬ Ýt dïng phæ Raman ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc.

− Tuy nhiªn, phæ Raman trong mét sè tr− êng hîp cã thÓ bæ sung rÊt tèt cho phæ hång

ngo¹i. VÝ dô ®o trong dung dÞch n− íc, ®¬n tinh thÓ vμ polime.

− ø ng dông kü thuËt laser, phæ Raman ®· trë nªn ®¬n gi¶n h¬n vμ ®o nhanh h¬n

nhiÒu.

1. HiÖu øng Raman

*) Khi chiÕu vμo dung dÞch cña mét chÊt hoÆc mét chÊt láng mét ¸nh s¸ng ®¬n s¾c

(vÝ dô laser argon : λ = 488 nm = 20.492 cm−1), ta sÏ thÊy nh÷ng hiÖn t− îng sau :

− PhÇn lín ¸nh s¸ng sÏ truyÒn qua dung dÞch hoÆc chÊt láng.

18





− Mét phÇn nhá (≈ 10−4) ¸nh s¸ng sÏ bÞ khuÕch t¸n ®i tÊt c¶ çc h− íng vμ gi÷ nguyªn

tÇn sè ban ®Çu (lÖch h− íng Rayleigh). Nguyªn nh©n : va ch¹m ®μn håi gi÷a l− îng tö ¸nh

s¸ng víi ph©n tö.

− Mét phÇn nhá h¬n n÷a (≈ 10−8) xuÊt hiÖn d¹ng khuÕch t¸n theo tÊt c¶ çc h− íng

nh− ng cã nhiÒu tÇn sè. Nã xuÊt hiÖn do hÊp thô (absorption) vμ ph¸t x¹ l¹i (re-emission)

liªn quan tíi kÝch thÝch dao ®éng hoÆc dËp t¾t dao ®éng. Cã thÓ dïng mét dectect¬ quang

®iÖn tö ®Ó ghi phæ cña ¸nh s¸ng khuÕch t¸n nμy. §©y lμ hiÖu øng Raman.

νo − νRaman = νdao ®éng

νo lμ cña ¸nh s¸ng ban ®Çu.

*) HiÖu øng Raman lμ hÖ qu¶ cña t− ¬ng t¸c gi÷a vËt chÊt vμ ¸nh s¸ng ®iÖn tõ. Phæ

Raman lμ phæ ph¸t x¹ (Emission-spectrum). νRaman cã thÓ nhá h¬n hoÆc lín h¬n νo: v¹ch

Rayleigh-(Rayleigh line). §Æc tr− ng cho mét ph©n tö lμ sù kh¸c nhau gi÷a νRaman vμ νo.

*) Gi¶i thÝch hiÖu øng Raman : Khi ¸nh s¸ng laser gÆp ph©n tö chÊt (vμ n¨ng l− îng

kh«ng ®ñ ®Ó cã b− íc nh¶y ®iÖn tö) th× cã thÓ xuÊt hiÖn va ch¹m ®μn håi (khuÕch t¸n

Rayleigh) ; hoÆc mét phÇn n¨ng l− îng ¸nh s¸ng sÏ ®− îc dïng ®Ó n©ng cao n¨ng l− îng

dao ®éng cña ph©n tö, cã nghÜa lμ ¸nh s¸ng khuÕch t¸n nghÌo n¨ng l− îng h¬n (b− íc sãng

dμi h¬n). Khi ¸nh s¸ng laser gÆp mét ph©n tö ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch dao ®éng th× ¸nh s¸ng

khuyÕch t¸n sÏ giμu n¨ng l− îng h¬n (b− íc sãng ng¾n h¬n) v× mét phÇn n¨ng l− îng cña

ph©n tö sÏ ®− îc chuyÒn sang ¸nh s¸ng khuyÕch t¸n.

λV¹ch anti - Stokes V¹ch Stokes

(ν Reyleigh)

νo

2. Quy t¾c chän

− §Ó cã hiÖu øng Raman cÇn : ®é ph©n cùc cña ph©n tö ph¶i thay ®æi trong khi ph©n

tö dao ®éng. §é ph©n cùc lμ mét ®¹i l− îng cña kh¶ n¨ng biÕn d¹ng ®¸m m©y ®iÖn tö

quanh nguyªn tö hoÆc ph©n tö. VÝ dô ®é ph©n cùc cña I- lín h¬n cña Br- vμ Cl-.

− HÖ qu¶ : §èi víi nh÷ng ph©n tö ®èi xøng th× nh÷ng dao ®éng x¶y ra mét çch ®èi

xøng qua t©m ®èi xøng, sÏ kh«ng cho phæ hång ngo¹i (IR - inactive, v× kh«ng cã sù thay®æi dipol moment : moment l− ìng cùc), nh− ng l¹i cho phæ Raman (Raman active). Ng− îc

l¹i nh÷ng dao ®éng kh«ng ®èi xøng qua t©m sÏ kh«ng cho phæ Raman, mμ l¹i cho phæ IR.

− VÝ dô ë ph©n tö CO2 :

19





C OO C OO C OO C OO C OO C OO

a bdc

Dao ®éng ho¸trÞ ®èi xøng Vs

Dao ®éng ho¸trÞ kh«ng ®èi xøng V as

• Dao ®éng ho¸ trÞ a vμ b kh«ng g©y ra thay ®æi dipol moment → kh«ng xuÊt hiÖn

trong phæ IR. §é ph©n cùc cña a vμ b thay ®æi (kh¸c nhau) → xuÊt hiÖn trong phæ Raman.

• Tr− êng hîp c vμ d th× ng− îc l¹i.

H×nh 16: Phæ IR cña (E) - dicloretylen

H×nh 17: Phæ Laser - Ramann cña (E) - dicloretylen

20





Lo¹i dao

®éng

Dao ®éng

kh«ng ®èi

xøng

IR-Bande

(cm-1)

Dao ®éng

®èi xøng

Raman -

Bande

(cm-1)

Trong IR

B¶ng 12: So s¸nh phæ IR vμ phæ Raman cña (E) - dicloetylen

21





3. Phæ kÕ Raman

− ¸nh s¸ng ®¬n s¾c tõ nguån s¸ng m¹nh cã λ gi÷a vïng IR vμ UV, v× vïng nμy Ýt bÞ

nhiÔu do hÊp thô.

G− ¬ng

G− ¬ngM¹ngG− ¬ngDetect¬

H×nh 18: S¬ ®å cÊu t¹o mét thiÕt bÞ phæ Raman kinh ®iÓn

− ThÕ hÖ m¸y míi dïng nguån laser Nd-YAG cã λ = 1064 nm vμ kü thuËt FT (biÕn

®æi Fourier).

4. ø ng dông

− §Æc biÖt phï hîp ®Ó nghiªn cøu nh÷ng liªn kÕt kh«ng hoÆc Ýt ph©n cùc. VÝ dô :C≡C, C=C, N=N, C−C, O−O, S−S vμ çc hÖ vßng. → X¸c ®Þnh çc hÖ khung ph©n tö.

Ng− îc l¹i nh÷ng ®Ønh IR m¹nh cña nhãm ph©n cùc nh− C=O, O−H chØ xuÊt hiÖn yÕu

trong phæ Raman.

− Lîi : cã thÓ ghi trong n− íc v× dïng cuvett thuû tinh vμ n− íc lμ dung m«i cho rÊt Ýt

v¹ch vμ v¹ch yÕu trong phæ Raman.

− ø ng dông lín nhÊt cña phæ Raman kh«ng ph¶i ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc, m μ ®Ó g¸n çc

dao ®éng trong phæ IR vμ phæ Raman.

22





Ch− ¬ng III

Phæ khèi l− îng

1. §Æt vÊn ®Ò

− MÆc dï ph− ¬ng ph¸p khèi khæ ®· t− ¬ng ®èi cò (1910 Thomson ®· t¸ch ®− îc ®ångvÞ Neon 20 vμ 22). Song, b− íc ngoÆt ®Ó ph− ¬ng ph¸p khèi phæ trë thμnh ph− ¬ng ph¸p

ph©n tÝch quan träng trong Ho¸ h÷u c¬ chØ tõ n¨m 1960.

− Hai thÕ m¹nh ®· ®ãng gãp vμo sù ph¸t triÓn cña ph− ¬ng ph¸p khèi phæ lμ :

• Víi l− îng mÉu nhá nhÊt cã thÓ x¸c ®Þnh ®− îc khèi l− îng t− ¬ng ®èi cña ph©n tö vμ

thËm chÝ thμnh phÇn çc nguyªn tè cña mét hîp chÊt.

• Qua viÖc ph©n m¶nh trong khèi phæ cã thÓ suy ra cÊu tróc hoÆc th«ng tin vÒ ph©n

tö.

− §èi víi çc ph©n tö ph©n cùc, khã bay h¬i, ®Ó tr¸nh ph©n huû ®· cã nh÷ng ph− ¬ngph¸p ion ho¸ nh− : EI (va ch¹m ®iÖn tö), ho¸ häc (CI), tõ tr− êng (field ionisation), FAB

(b¾n ph¸ b»ng nguyªn tö tèc ®é cao), phæ khèi ion thø cÊp (sekunder ion − MS), ESI (m©y

®iÖn tö).

− Cã thÓ x¸c ®Þnh khèi l− îng t− ¬ng ®èi ®Õn 1200 vμ cao h¬n n÷a.

2. ThiÕt bÞ, ghi phæ : H÷u c¬ : MS, v« c¬ : ICP-MS

2.1. Nguyªn lý cña mét khèi phæ kÕ:

23





− Cã 4 vïng chøc n¨ng : • §− a mÉu vμo

• T¹o ra ion

• T¸ch khèi l− îng

• Chøng minh ion

Trong ch©n kh«ng

cao ®Ó tr¸nh va

ch¹m gi÷a çc ion

*) §− a mÉu vμo :

− VÊn ®Ò lμ ®− a mÉu tõ ¸p suÊt th− êng vμo buång ch©n kh«ng cao mμ kh«ng cÇn ng¾t

ch©n kh«ng.

− Cã 2 ph− ¬ng ph¸p : • §− a d¹ng khÝ

• §− a trùc tiÕp

− §− a d¹ng khÝ : dïng cho mÉu láng hoÆc khÝ, b¬m qua xylanh çc chÊt dÔ bay h¬i

cã thÓ qua hÖ s¾c ký khÝ (SKK) hoÆc s¾c ký láng (GC/MS, HPLC/MS, LC/MS).

− §− a trùc tiÕp : dïng cho mÉu d¹ng tinh thÓ, s¬n hoÆc keo. MÉu ®Ó trong mét cèi

b»ng nh«m hoÆc vμng, φ = 1mm, g¾n trªn mét thanh ®èt ®− îc ®− a vμo buång ch©n kh«ng.

Sau khi hót ch©n kh«ng, cèi ®ùng mÉu ®− îc lμm nguéi vμ ®− a vμo buång ion ho¸. ë ®©y

nã ®− îc ®èt nãng tõ tõ ®Õn khi bay h¬i.

− L− îng mÉu cÇn :

• §− a d¹ng khÝ : 0,1 − 1 mg ; qua SKK : 10−9 → 10

−15g.

• §− a trùc tiÕp : 0,001 − 0,1mg.

*) T¹o ion : − Tõ bé phËn ®− a mÉu, mét dßng ph©n tö nhá, cè ®Þnh ®− îc b¾n vμobuång ion ho¸. Dßng ph©n tö nμy va ch¹m vu«ng gãc víi mét dßng ®iÖn tö (n»m gi÷a

catèt nãng ®á vμ anèt). §iÖn thÕ gi÷a catèt vμ anèt thay ®æi gi÷a 0 vμ 300V, cã nghÜa :

n¨ng l− îng cña ®iÖn tö lμ : 0 − 300 eV.

− ë çc phæ khèi ®iÖn thÕ thÊp : 12 − 15 eV.

eM .

−− + ⎯⎯⎯→ M ion radical

− Phæ khèi l− îng b×nh th− êng : 60 − 100 eV

PhÇn lín ghi ë 70 eV.

− Qua va ch¹m gi÷a ®iÖn tö vμ ph©n tö t¹o thμnh ion ph©n tö → M + e → M+.

+ 2e−

(molecular ion)

hoÆc M + e− → M2+ + 3e

−

24





− Nh÷ng phÇn kh«ng bÞ ion ho¸ sÏ bÞ hót ra khái buång ion qua b¬m ch©n kh«ng. Çc

ion ph©n tö t¹o thμnh sÏ ®− îc t¨ng tèc ®é vμ thu gän.

− ViÖc t¨ng tèc ®− îc thùc hiÖn bëi mét ®iÖn thÕ (2 − 10 kV), khi ra khái buång ion

ho¸ tèc ®é ®¹t cao nhÊt.

− ViÖc thu gän thμnh chïm ion ®− îc thùc hiÖn bëi mét ®iÖn tr− êng phô ®Ó khi vμophÇn ph©n tÝch khèi lμ mét dßng ion tËp trung, ®ång nhÊt.

− Tèc ®é cña ion ®− îc tÝnh theo c«ng thøc :

(1)2m.v

z.U2

=

(2)2.z .U

vm

=

z = ®iÖn tÝch ion (= n.e)

m = khèi l− îng ion

v = tèc ®é ion

U = ®iÖn thÕ gia tèc

*) T¸ch khèi :− §− îc thùc hiÖn th«ng qua tõ tr− êng ≈ 1 Tesla.

− Nh÷ng ion cã cïng ®iÖn tÝch : ion nhÑ h¬n bÞ lÖch nhiÒu h¬n.

− B¸n kÝnh lÖch theo c«ng thøc.

(3) B z

mr m

.

.ν

=

B = c− êng ®é tõ tr− êng

Tõ ph−

¬ng tr×nh (1) vμ

(3) ta cã ph−

¬ng tr×nh c¬ b¶n cña khèi phæ lμ

:

(4)2 2mm r .B

z 2.U=

− TØ lÖ khèi l− îng/®iÖn tÝch phô thuéc vμo c− êng ®é tõ tr− êng, b¸n kÝnh lÖch vμ ®iÖn

thÕ gia tèc, tøc lμ phô thuéc vμo cÊu h×nh cña thiÕt bÞ.

− ThiÕt bÞ dïng sector tõ (magnetic sector)

25





Bé ph©n tÝchtÜnh ®iÖn (E)

Bé ph©n tÝchtõ (B)

Khe vμo Khe ra

Nguån ion Thu gom

S¬ ®å thiÕt bÞ khèi phæ héi tô kÐp (double focussed): (xem h×nh trªn)

• Muèn ph©n biÖt ion cã cïng sè khèi nh− ng thμnh phÇn kh¸c nhau nh− : CO, C2H4,

N2 ph¶i dïng khèi phæ ph©n gi¶i cao. ThiÕt bÞ ph©n gi¶i cao cã thªm mét ®iÖn

tr− êng tÜnh ®Æt tr− íc tõ tr− êng (nh− trªn)

− §©y lμ thiÕt bÞ héi tô kÐp (double focussed), cã thÓ x¸c ®Þnh khèi l− îng ion tíi ®é

chÝnh x¸c lμ ppm, vμ nh− thÕ x¸c ®Þnh ®− îc thμnh phÇn nguyªn tö cña ion ph©n tö.

• ThiÕt bÞ ph©n gi¶i cao ®ßi hái khe ion ph¶i hÑp, do ®ã lμm gi¶m ®é nh¹y.

12C 1H 16O 14N CO C2H4 N2

12,000 1,00782 15,9949 14,0031 27,9949 28,0313 28,0061

Khi mét hçn hîp cã nhiÒu chÊt (M1+; M2

+; M3+; ...) trong buång ion ho¸ ta lùa chän

1 ion ph©n tö nμo ®ã (v.d. M1

+

) cho qua khe, t¹o sù va ch¹m ®Ó ion nμy ph©n m¶nhtiÕp (fragmentation) vμ ghi phæ cña ion nμy. §ã lμ kü thuËt MS/MS.

*) Chøng minh ion :

− Khi cho ®iÖn thÕ gia tèc vμ c− êng ®é tõ tr− êng kh«ng ®æi ta sÏ cã ph− ¬ng tr×nh (5) :

(5)m

z = h»ng sè. 2

mr

− Khi cho ®iÖn thÕ gia tèc vμ b¸n kÝnh lÖch kh«ng ®æi ta cã :

m

z = h»ng sè. B

2

Tøc lμ : §Ó x¸c ®Þnhm

z (tr− íc ®©y lμ

m

e) ë mét b¸n kÝnh lÖch cho tr− íc th× chØ cÇn

thay ®æi (quÐt, scan) c− êng ®é tõ tr− êng. Trong tr− êng hîp nμy ta ®Ó mét dông cô thu ion

ë ®Çu ra cña bé phËn ph©n tÝch khèi. §Ó t¨ng dßng ®iÖn ion ta dïng thiÕt bÞ nh©n ®iÖn tö

(electron multiplier).

26





3. Sù ph©n m¶nh cña çc hîp chÊt h÷u c¬

− Pic m¹nh nhÊt cho c− êng ®é t− ¬ng ®èi lμ 100% gäi lμ pic c¬ së (base peak). rel.%

lμ ký hiÖu c− êng ®é t− ¬ng ®èi.

*) Ion ph©n tö (molecular ion).

− Trõ mét sè ngo¹i lÖ, cßn l¹i pic cã khèi l− îng cao nhÊt th− êng lμ pic cña ion ph©n

tö.

− Çc tr− êng hîp ngo¹i lÖ : pic [M+1]+ hoÆc [M+H]

+ do 1 H g¾n vμo ph©n tö (hay

gÆp ®Æc biÖt ë líp chÊt amin, ancol).

− ThØnh tho¶ng pic M+. kh«ng ghi ®− îc, thay vμo ®ã lμ pic [M −R]+.

− §ång vÞ (isotop) : Trong çc hîp chÊt h÷u c¬ cã 3 lo¹i sau :

• Nguyªn tè tinh khiÕt : 19F, 31P, 127I.

• Nguyªn tè víi 1 ®ång vÞ chÝnh (> 98%) : H (1H), C (12C), N (14N), O (O16).

• Nguyªn tè cã 2 ®ång vÞ chÝnh : S (32S, 34S), Cl (35Cl, 37Cl), Br (79Br, 81Br).

VÝ dô : Vïng pic ion ph©n tö cña hîp chÊt C7H6ClNO (M = 155) :

r e l . I n t . ( % )

100%

50

160 m/z150

156

157

158

155

m/z = 155 : + (1)1 35 14 16127 6 1 1 1C H Cl N O

m/z = 156 : + (2)13 1 35 14 16126 1 6 1 1C C H Cl N O1

1

1

1

1

1

+ (3)1 2 35 14 16127 5 1 1 1 1C H H Cl N O

+ (4)1 35 15 16127 6 1 1C H Cl N O

+ (5)1 35 14 17127 6 1 1 1C H Cl N O

m/z = 157 : (6)13 1 35 14 16125 2 6 1 1C C H Cl N O

+ (7)1 2 35 14 16127 4 2 1 1C H H Cl N O

+ (8)1 37 14 1612 7 6 1 1 1C H Cl N O

+ (9)1 35 14 18127 6 1 1C H Cl N O

+ (10)13 1 2 35 14 16126 1 5 1 1 1C C H H Cl N O

27





m/z = 158 : (11)13 1 37 14 16126 1 6 1 1C C H Cl N O1

.............................................

.............................................

Pic cã khèi l− îng cao nhÊt vÒ lý thuyÕt lμ m/z = 173 . Do x¸c

suÊt mét sè ®ång vÞ lμ rÊt nhá nªn chØ cã (1), (2), (8) vμ (11) lμ cã ®ãng gãp chÝnh cho

c− êng ®é pic (xem h×nh bªn).

2 3713 15 187 6( C H Cl N O)

− Quy t¾c nit¬ : Ion ph©n tö cã khèi l− îng ch½n th× sÏ cã sè ch½n nguyªn tö nit¬ (N0,

N2, N4, ... ), khèi l− îng lÎ → sè lÎ nguyªn tö nit¬ (N1, N3, N5, ...).

− N¨ng l− îng ion ho¸ mét chÊt h÷u c¬ ®Ó thu ion ph©n tö th− êng lμ tõ 7 → 14 eV (1

eV = 23,04 kcal mol−1

= 96,3 kJ.mol−1

).

VÝ dô : n-hexan 10,17 eV ax-acetic 10,35

cyclohexan 9,88 eV metyl amin 8,97

etanol 10,48 eV triflormetan 13,84

− X¸c ®Þnh chÝnh x¸c c«ng thøc céng cña ion ph©n tö : cÇn dïng phæ khèi ph©n gi¶i

cao. §é ph©n gi¶i A cña mét khèi phæ kÕ ®− îc tÝnh nh− sau:

mA

m=Δ

− Hai pic kÒ nhau ®− îc cho lμ ®· ph©n gi¶i nÕu chóng kh«ng trïng lªn nhau qu¸10%.

§Ó t¸ch v¹ch cã m/z = 950 khái v¹ch m/z = 951 th× m¸y cÇn cã ®é ph©n gi¶i lμ :

9501

950=

Khèi phæ kÕ cã ®é ph©n gi¶i thÊp th− êng cã A = 1000 − 2000.

− VÒ ®é ph©n gi¶i cao :

Trong çc c«ng thøc (2) → (5) ë trang tr− íc ta cã khèi l− îng nh− sau :

156,017147 (2)

156,020069 (3)

156,010827 (4)

156,018008 (5)

28





§Ó t¸ch ®− îc çc v¹ch nμy cÇn cã ®é ph©n gi¶i nh− sau :

A(2)/(3) =156

533880,002922

=

A(2)/(4) = 156 246840,006320 =

A(2)/(5) =156

1807650,000863

= Ph©n gi¶i

Kh«ng ph©n gi¶i

→ Muèn ghi ®− îc c¶ 4 pic th× thiÕt bÞ khèi phæ cÇn ®é ph©n gi¶i ≈ 181.000. ThiÕt bÞ

khèi phæ ph©n gi¶i cao cÇn thªm mét ®iÖn tr− êng tr− íc tõ tr− êng, nh− vËy çc ion ®− îc

thu gom (focusse) 2 lÇn (double focussed - héi tô kÐp) .

Ph−

¬ng ph¸p ghi phæ*) ChiÕu s¸ng çc kÝnh ¶nh :

Trong mét phæ khèi ph©n gi¶i cao chÊt cÇn nghiªn cøu vμ mét chÊt so s¸nh th− êng lμ

perfluokerosen cïng ®− îc bay h¬i trong mét tõ tr− êng vμ ®iÖn thÕ gia tèc kh«ng ®æi. Phæ

®− îc ghi trªn mét tÊm kÝnh ¶nh. §o ®é s¸ng − tèi (c− êng ®é) cña vÖt ®en (v¹ch) vμ so

s¸nh víi phæ chÊt chuÈn, ta thu ®− îc sè khèi l− îng ph©n gi¶i cao.TiÖn lîi cña ph− ¬ng

ph¸p nμy lμ cïng mét lóc cã thÓ ghi ®− îc tÊt c¶ çc pic víi l− îng mÉu rÊt nhá (khi nghiªn

cøu trao ®æi chÊt, vËt liÖu sinh häc). BÊt tiÖn lμ ph¶i cã thªm thiÕt bÞ ®o ®é s¸ng tèi vμ

kho¶ng çch çc vÖt ®en.

*) Ghi theo quÐt dßng (quÐt tõ tr− êng):

ë ®©y phæ ®− îc ghi b»ng çch: 3 ®¹i l− îng lμ dßng ion, dßng ion tæng, biÕn thiªn tõ

tr− êng ®− îc xö lý theo thêi gian vμ biÓu diÔn th«ng qua m¸y tÝnh.

− Ngμy nay : Çc tÝn hiÖu ®iÖn ®− îc tÝch trong mét m¸y tÝnh trong qu¸ tr×nh ghi, sau

®ã sÏ tÝnh to¸n vμ in ra phæ. Phæ nμy sÏ cho th«ng tin vÒ khèi l− îng vμ c− êng ®é pic ( m/z

vμ rel.%).

29





4. Nh÷ng ph¶n øng c¾t m¶nh chÝnh cña çc ph©n tö h÷u c¬

4.1. Ph©n c¾t ë vÞ trÝ

− Nh÷ng liªn kÕt ë vÞ trÝ α ®èi víi dÞ nguyªn tè (N, O, S...) dÔ bÞ ph©n c¾t, v× ®iÖn tÝch

sinh ra khi ph©n c¾t ®− îc çc dÞ nguyªn tè lμm bÒn v÷ng.

Phæ khèi cña 2-Butanon

S¬ ®å ph©n m¶nh rót gän cña 2-

Butanon

S¬ ®å ph©n m¶nh cña 2-Butanon

Phæ khèi cña 5α- Androstan-3-on-etylen-acetal

30





S¬ ®å ph©n m¶nh cña 5α- Androstan-3-on-etylen-acetal

31





Phæ khèi cña cyclo-hexanonm/z = 55

S¬ ®å ph©n m¶nh cña cyclohexanon

Phæ khèi cña cyclohexanol Phæ khèi cña 2 aminoetanol

4.2. Ph©n c¾t ë vÞ trÝ benzyl vμ allyl*) Ph©n c¾t ë vÞ trÝ benzyl

Phæ khèi cña butylbenzen S¬ ®å ph©n m¶nh cña butylbenzen

32





Phæ khèi cña o-clortoluen

S¬ ®å ph©n m¶nh cña o-clortoluen

− CÆp ion m/z 91/65 vμ m/z 77/51 lμ ®Æc tr− ng cho çc hîp chÊt th¬m thÕ mét lÇn

alkyl

− Ta thÊy ph©n c¾t benzyl m¹nh h¬n ph©n c¾t phenyl.

− m/z = 91 lμ pic c¬ së cña çc hîp chÊt n-ankyl benzen nh− toluen, etylbenzen,

propylbenzen, pentylbenzen, o-, m-, p-xylen.

*) Ph©n c¾t ë vÞ trÝ allyl

Phæ khèi cña 4 metyl-1- hexen

S¬ ®å ph©n m¶nh cña 4 metyl-1hexen

− Ýt thÓ hiÖn h¬n ph©n c¾t benzyl

4.3. Ph©n c¾t çc liªn kÕt kh«ng ho¹t ho¸

− Phæ khèi cña nh÷ng chÊt kh«ng chøa dÞ nguyªn tè (ph©n c¾t α ), kh«ng chøa nhãm

phenyl (ph©n c¾t benzyl) vμ liªn kÕt C=C(ph©n c¾t allyl) th× tu©n theo quy luËt ph©n c¾t

çc liªn kÕt kh«ng ho¹t ho¸.

33





Phæ khèi cña 1-florheptan Phæ khèi cña 1-clorheptan

Phæ khèi cña 1-bromheptan Phæ khèi cña 1-iodmheptan

4.4. Ph¶n øng Retro - Diels - Alder (RDA)

− Çc hÖ vßng 6 chøa mét nèi ®«i cã thÓ bÞ ph¸ vßng t¹o thμ

nh hai m¶nh : cÊu tö"En" vμ "Dien". Th− êng thÊy cÊu tö "dien" mang ®iÖn tÝch trong phæ ; cÊu tö "en" còng

thÊy.

− Vßng 6 cã thÓ kh«ng chøa, chøa 1 hoÆc nhiÒu dÞ nguyªn tè, nã còng cã thÓ lμ mét

phÇn cña hÖ vßng lín.

− Ph¶n øng RDA cã thÓ x¶y ra ë ion ph©n tö, còng cã thÓ x¶y ra ë ph©n m¶nh m μ ë

®ã nèi ®«i ®− îc h×nh thμnh do mét ph©n c¾t kh¸c (vÝ dô ph©n c¾t α). Ph¶n øng RDA lμ

mét qu¸ tr×nh trung hoμ ®iÖn.

34





Phæ khèi cña 1,2,3,4-tetrahydrocarbazol

C¬ chÕ I:

C¬ chÕ II:

(m/z = 143)

− Ph¶n øng RDA ë çc hîp chÊt kh¸c :

Phæ khèi cña 5,7-dihydroxy-4'-

metoxyisoflavanonS¬ ®å ph©n m¶nh cña

5,7-dihydroxy-4'-metoxyisoflavanon

− NhiÒu hîp chÊt thiªn nhiªn nh− indol ancaloit, tetrahydroisochinolin ancaloit,

flavon, isoflavon, rotenoit cã vßng trung t©m cã thÓ t¹o ph¶n øng RDA trong khèi phæ kÕ.Çc m¶nh t¹o thμnh do ph¶n øng RDA sÏ cho çc th«ng tin rÊt h÷u Ých ®Ó gi¶i cÊu tróc

çc chÊt nμy.

4.5. ChuyÓn vÞ Mc Lafferty

− ChuyÓn vÞ Mc Lafferty t− ¬ng tù ph¶n øng Norrish II trong quang ho¸, trong nhiÖt

ph©n ester, trong ph¶n øng Tschugaev,vμ trong ph¶n øng "En".

35





− Cßn gäi lμ ph©n c¾t β cã dÞch chuyÓn H.

− Nh÷ng nhãm cã thÓ tham gia chuyÓn vÞ Mc Lafferty : C=O (axit carboxylic, ester,

andehyt, keton, amit, lactam, lacton) ; C=N (azometin, base Schiff, hydrazon, oxim,

semicarbazon) ; S=O (sulfonester) ; C=C (alkyl aren, alkylheterocyclen, benzyleter,

olefin).C¬ chÕ I :

C¬ chÕ II :

− VÝ dô : CH 3 2 2CH CH COOCH− − − 3

Phæ khèi cña metyl butanoat

S¬ ®å ph©n c¾t m¶nh cña metyl butanoat

ChuyÓn vÞ Mc.Lafferty

Qua ph©n c¾t α

36





Phæ khèi cña butyl benzoat

S¬ ®å ph©n c¾t m¶nh cña butyl benzoat

− §Æc tr− ng cho çc metylester lμ pic ë m/z = 74 (Mc Laffesrty) vμ m/z = 59 (ph©n

c¾t α), cho etyl ester lμ 88 vμ 73.

4.6. Ph¶n øng onium

− Th− êng quan s¸t thÊy ë nh÷ng m¶nh ion cã dÞ nguyªn tè tÝch ®iÖn d− ¬ng nh−

oxonium, amonium, phosphonium, sulphonium.

Phæ khèi cña N-isopropyl- N-

metylbutylaminS¬ ®å ph©n m¶nh cña N-isopropyl- N-

metylbutylamin

Qua ph©n c¾t α Qua ph©n c¾t α

ph¶n øngonium

ChuyÓn vÞ Mc.Lafferty

ph¶n øngonium

37





Phæ khèi cña N-butylacetamit

S¬ ®å ph©n m¶nh cña N-butylacetamit

§iÖn tÝch ë O

Qua ph©n c¾t α

Qua ph©n c¾t α

ph¶n øngonium

4.7. MÊt CO

− Nh÷ng chÊt hoÆc nh÷ng m¶nh ion cã chøa nhãm C=O dÔ bÞ mÊt 28 ®¬n vÞ khèi

(CO).

Phæ khèi cña phenol

(m/z = 65)

S¬ ®å ph©n m¶nh cña phenol

38





Phæ khèi cña Dispiro[4.1.4.1]-dodecan-6,12-

dion

(m/z = 65)

S¬ ®å ph©n m¶nh cña Dispiro[4.1.4.1]-

dodecan-6,12-dion

5. Çc ph¶n øng nhiÖt trong m¸y khèi phæ

5.1. Nh÷ng lo¹i quan träng nhÊt cña ph¶n øng nhiÖt

T¸ch lo¹i nh÷ng m¶nh nhá :

− Decacboxyl ho¸ (−CO2)

− Decacbonyl ho¸ (−CO)

− CH3COOH

− HX (H2O, HCl...)

*) Ph¶n øng retro :Retroaldol :

39





Retro-Diels-Alder

*) Isomer ho¸

*) Dehydro ho¸, hydro ho¸

*) NhiÖt ph©n çc hîp chÊt chøa nit¬ bËc 4

* Dealkyl ho¸

6. Çc ph− ¬ng ph¸p vμ kh¸i niÖm kh¸c6.1. Ho¸ va ch¹m ®iÖn tö (EI)

- Do nh÷ng chÊt dÔ bay h¬i ph©n tö nhá hoÆc Ýt ph©n cùc.

− EI : BÊt lîi lμ hay mÊt ion ph©n tö hoÆc ion ph©n tö c− êng ®é yÕu. 10 − 20% hîpchÊt cã PTL < 300 kh«ng thÊy ion ph©n tö.

Lîi : cã nhiÒu m¶nh ion, cã thÓ so s¸nh phæ víi phæ cña chÊt ®· biÕt, sö dông ng©nhμng phæ.

6.2. Ion ho¸ ho¸ häc (CI)

- Ph− ¬ng ph¸p CI dïng cho çc chÊt khã bay h¬i nh− :− Nh÷ng chÊt ≈ 200 Dalton nh− ng nhiÒu nhãm ph©n cùc

− ChÊt tõ 800 − 25.000 Dalton

− CI : Dïng mét chÊt khÝ (vÝ dô CH4, isobutan, NH3) víi mét ¸p suÊt kho¶ng 102 Pa

®Ó ®− a vμo buång ion ho¸. ChÊt khÝ nμy va ch¹m víi çc ®iÖn tö b¾n ra tõ mét catèt nãng®á víi n¨ng l− îng 300 eV vμ bÞ ion ho¸.

VÝ dô :

4 4CH e CH 2e.+− −+ ⎯⎯→ +

TiÕp theo nã bÞ ph©n m¶nh mét phÇn :

4 4 5CH CH CH CH..+ ++ ⎯⎯→ + 3

2

3 4 2 5CH CH C H H+ ++ ⎯⎯→ +

40





Khi ta cho bèc h¬i chÊt cÇn nghiªn cøu M vμo hçn hîp ion nμy, ta sÏ cã :

5 4M CH MH CH+ ++ ⎯⎯→ +

Ph− ¬ng ph¸p CI cã thÓ ®o ®− îc çc ion ph©n tö vμ do ®ã x¸c ®Þnh ®− îc träng l− îngph©n tö.

− §Çu tiªn, mét chÊt khÝ (vÝ dô hydrocacbon, H2, H2O, NH3, alcol, khÝ tr¬) qua va

ch¹m víi electron sÏ bÞ ion ho¸ (¸p suÊt khÝ ≈ 1 kPa).

− Trong tr− êng hîp lμ khÝ metan sÏ xuÊt hiÖn [CH4]+, cßn dïng khÝ isobutan hoÆc

NH3 sÏ cã [C4H9]+, [NH4]+

− NÕu sö dông chÊt khÝ kh¸c (vÝ dô khÝ tr¬, CO2, N2) th× kh«ng x¶y ra proton ho¸ mμ

x¶y ra trao ®æi ®iÖn tÝch (charge exchange CE) :

[He]+ + M → [M]+ + He

− Çc ph¶n øng kh¸c nh− céng ¸i ®iÖn tö :

M + [X]+ → [MX]+

− Bøt anion :

AB + [X]+ → [B]+ + AX

− Ion ho¸ häc lμ ph− ¬ng ph¸p ªm dÞu bæ sung cho ph− ¬ng ph¸p EI.

Phæ khèi CI cña lysin metyl ester

(KhÝ metan)

Phæ khèi CI cña lysin metyl ester

(KhÝ isopropan)

6.3. Ion ho¸ bôi ®iÖn tö (electrospray ionization ESI)

− Dung dÞch chÊt cÇn ®o ®− îc phun qua mét capila víi tèc ®é 1 → 20 μl/phót vμo

mét buång trong thiÕt bÞ.

41





− SÏ xuÊt hiÖn nh÷ng giät nhá tÝch ®iÖn, khi dung m«i (MeOH/H2O ; CH3CN/H2O)

bèc h¬i, çc giät sÏ nhá h¬n n÷a vμ ®− îc ®− a vμo bé phËn ph©n tÝch trong mét capila.

S¬ ®å ion ho¸ bôi ®iÖn tö (m¸y ®iÖn tö , ESI)

HÖ quang ®iÖn töKapila

Dßng chÊt láng(Dung m«i + mÉu)

Ph©n tÝchkhèi

Phun s− ¬ng

Kim nhän KhÝ kh« B¬m ch©n kh«ng

6.4. B¾n ph¸ b»ng dßng nguyªn tö nhanh (Fast-Atom-Bombardment, FAB)

− Dïng cho nh÷ng ph©n tö khã hoÆc kh«ng bay h¬i.

− Nguyªn lý : Mét dßng nguyªn tö trung tÝnh cã tèc ®é nhanh ®− îc dïng ®Ó b¾n vμo

mét líp chÊt cÇn nghiªn cøu máng trong buång ion ho¸. Qua ®ã xuÊt hiÖn ion cña chÊt

cÇn ph©n tÝch.

− Dßng nguyªn tö kh«ng tÝch ®iÖn, cã tèc ®é cao, th− êng dïng lμ argon (Ar), h·n

h÷u còng dïng xenon (Xe) vμ ®− îc t¹o ra b»ng mét sóng lôc, ion Ar+ ®− îc gia tèc (5 −

10 keV) trong mét buång va ch¹m, khi va ch¹m víi nguyªn tö Ar trung tÝnh sÏ t¹o ra Aro

cã tèc ®é cao.

− Dßng Aro nguyªn tö tèc ®é cao ®− îc h− íng vμo líp chÊt cÇn ph©n tÝch g¾n vμo mét

matrix (th− êng dïng glycerin, thioglycerin hoÆc 3-nitrobenzyl ancol) [1-2 μg chÊt trong

1-2 μl glycerin) trªn mét mòi nhän b»ng ®ång.

− ViÖc chuÈn bÞ mÉu còng phøc t¹p, cÇn sù khÐo lÐo vμ kinh nghiÖm.

− Phæ FAB/MS ®− îc dïng cho çc axit h÷u c¬ (COOH, SO3H, OPO3H) vμ muèi,polypeptit, oligosaclarit, nucleotit, phæ th− êng cho ion ph©n tö d− ¬ng (positive ion) : MH+

; hoÆc ion ph©n tö ©m (negative ion) : [M+H]−. ThØnh tho¶ng còng thÊy ion [M+Na]+,

[M+( glycerin)]+

6.5. Gi¶i hÊp tõ tr − êng (Field-Desorption FD) :

42





Mét sîi kim lo¹i m¶nh (5 μm) sÏ ®− îc cÊy víi mét kim nhá. Mét l− îng nhá chÊt (~ 1

μg) ®− îc hoμ trong dung m«i vμ ®− a lªn sîi kim lo¹i. Sîi kim lo¹i ®Æt trong ®iÖn kÕ 8 kV

vμ bÞ ®èt nãng. V× kim nhá ®− îc cÊy vμo lμ rÊt nhän nªn ë ®Çu kim sÏ cã mËt ®é ®iÖn thÕ

lªn ®Õn 108 Vcm

−1, ®iÒu nμy dÉn tíi : 1 e

− cña chÊt cÇn ®o ®− îc chuyÓn vμo orbital d

trèng cña kim lo¹i lμm kim trªn sîi kim lo¹i xuÊt hiÖn ion ph©n tö d− ¬ng cña chÊt. Qualùc ®Èy Columb, ion ph©n tö nμy sÏ ®− îc gi¶i hÊp. Trong phæ sÏ cã ion M+ vμ cã thÓ

MH+.

− Çc ph− ¬ng ph¸p c¶i tiÕn : Laser-Desorption, phæ khèi ion thø cÊp (sekunder ion

mass spectrometry SIMS) vμ californium plasma desorption.

− V× çc ion ph©n tö chÊt nghiªn cøu ®i khái m«i tr− êng láng hoÆc r¾n trong thêi gian

ng¾n (10−12

s) nªn hÇu nh− kh«ng cã ph©n huû do nhiÖt → thu ®− îc ion ph©n tö.

O+

O+

O+

O+

ion ph©n tö Kim nhá

Sîi kim lo¹i

+ 8kV

+ 8kV

Katèt

Sîi kim lo¹i

S¬ ®å cña ph− ¬ng ph¸p gi¶i hÊp tõ tr− êng (FD)

* / Californium (252Cf )-Plasma desorption :

§ång vÞ phãng x¹ 252Cf ph©n r· thμnh 2 phÇn ch¹y ng− îc chiÒu nhau víi ®éng n¨nglμ

79 vμ 104 MeV, khi gÆp chÊt nghiªn cøu ë trªn tÊm Ni sÏ lμm t¨ng nhiÖt ®é → 10.000oK,

ph©n tö chÊt ë d¹ng plasma sÏ ®− îc gi¶i hÊp ë d¹ng + vμ − vμ t¨ng tèc vμo buång ph©n

tÝch. ThiÕt bÞ MS nμy dïng kü thuËt thêi gian bay (time of flight TOF). Ph− ¬ng ph¸p nμy

cã thÓ x¸c ®Þnh ®− îc chÊt cã ph©n tö l− îng tõ 10.000 → 20.000 Dalton víi ®é chÝnh x¸c

±10 → ± 20 ®¬n vÞ khèi.

43





Çc ph− ¬ng ph¸p ion ho¸ hay ®− îc dïng

ion ho¸ Ph−

¬ngph¸p H¹t ion ho¸ Lo¹i ion TÝn hiÖu phô kho¶ng PTL Ph¶n øng ph©nhuû nhiÖt

(EI) e- M+vμ

çc m¶ng ion

- Cã thÓ 3,,500 cã

(CI) CH5+, NH4

+, Ar+ z.B.mit NH4:

[M+H]+

[M+H4]+

M, Cluster

S¶n phÈm céng

hîp

3,500 cã

(FAB) z.B.Aro , n¨ng

l− îng cao

z.B. [M+H]+

[M+Na]+

[M+K]+

Cluster

z.B. [M+H]+

Céng ch¸t mang

z.B. [2glycerin+H]

3,500 RÊt hiÕm

(ESI) Keine

( elektrostatisch)

- 100,000 Kh«ng

(TSI)Va ch¹m

nhiÑt

Th− êng xuyªn

v/d

CH3CO2NH4

[M+H]+

[M+H4]+

ThØnh tho¶ng céng

dung m«i

3,500 Kh«ng

44





6.6. KÕt nèi çc thiÕt bÞ kh¸c víi m¸y khèi phæ

− GC/MS

Ion ho¸ vμ thu gom

ion trong ch©nKhÝ mang

Ph©n tÝchkhèi

HÖ thèngdetect¬

nguånionSKK MS

FID- detect¬vμ m¸y ghi

ts

MS bèn cÊu tö

tsSKK cho bèn cÊu tö vμ

pic dung m«i (LM)

Tõ phæ khèi cña hçn hîp 4®ång ph©n cña dÉn xuÊt

pyrrolizidin ®· t¸ch phæ cñaA, B (s¶n phÈm chÝnh 95%,M = 223 vμ C, D ®Ó so s¸nh

C − ê n g ® é t − ¬

n g ® è i

CÊu tróc cña ®ång ph©n chÝnh

Phæ khèi cña tõng cÊu tö

45





Tû lÖ ®ång vÞ phãng x¹ cña Clor vμ Brom

46





Tû lÖ ®ång vÞ phãng x¹ cña Clor vμ Brom


Documents

Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ