Phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ

ν : s−1 ta hay dïng sè sãng ν* : cm−1 c vv == 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 dI dx 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.d I = 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 o i i i 1 I log d c I = = ε∑ *) Khi x¸c ®Þnh ®é hÊp thô cho tÊt c¶ c¸c 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 c¸c vïng phæ (tøc c¸c b−íc chuyÓn ®iÖn tö dùa vμo quü ®¹o ph©n tö hay cßn gäi lμ orbital ph©n tö (MO). Tõ c¸c 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∗ n π* E H×nh 3: Orbital ph©n tö vμ c¸c b−íc chuyÓn ®iÖn tö B¶ng 1 lμ c¸c 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 c¸c b−íc chuyÓn ®iÖn tö 3 OO O2 ν0 S0 λr E ε 0 1 2 3 4 ν ' a) b)Phæ Phæ ν0 λr E ε 0 1 2 3 4 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 c¸ch 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 c¸c perfluor ankan nh− perfluorooctan. C¸c 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 A MK 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, mμn 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 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 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: C¸c 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 tÝnh cùc ®¹i hÊp thô cña dien vμ trien ¦u tiªn s - trans (vÝ dô acyclic) 217 nm Mçi gèc cacbon mçi nhãm auxochrom B¶ng 3: HÊp thô UV sãng dμi 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 λmax cña dien vμ 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«ng th¬m kh«ng th¬m th¬m kh«ng th¬m th¬m kh«ng th¬m L−îng gia Mçi liªn kÕt ®«i thªm Mçi vÞ trÝ nèi ®«i exocyclic 7 3.3. Benzen vμ c¸c 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−íc Cyclohexan 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−íc Hexan 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 X1-C6H4-X 2 trong n−íc H×nh 8: Phæ UV/Vis cña o-, m-, p-, nitrophenol: a/ trong 10-2 M HCl b/ trong 5x10-3 M NaOH 3.4. C¸c 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 c¸c 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«i ph©n cùc ph©n cùc ChuyÓn dÞch ChuyÓn dÞch bathochrom hypochrom λ1*→ 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 dung m«i (solvatochromy) 4. øng 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 c¸c 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 c¸c 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 c¸ch : +) 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 c¸c 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) − C¸c 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 ghi M¸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 Interferogramm LÜnh vùc thêi gian BiÕn ®æi Fourier Phæ hång ngo¹i (lÜnh vùc tÇn sè) 13 − Online − Spektrenkatalog : d÷ liÖu phæ chuÈn do c¸c h·ng b¸n, dïng ®Ó so s¸nh víi phæ cña chÊt nghiªn cøu. *) §Þnh l−îng b»ng ph−¬ng ph¸p phæ hång ngo¹i : Theo ®Þnh luËt Lambert - Beer : o I lg .c.d E I 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 logI 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 30 C H×nh 13: §−êng chuÈn ®Ó ®Þnh l−îng ννmax 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. − øng 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 O H H O + 180 o 180 o 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¶ c¸c 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 c¸ch th«ng dông. C¸c 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. − øng 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¶ c¸c 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¶ c¸c 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. λ V¹ch 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 c¸ch ®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 a b dc 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−¬ng M¹ngG−¬ng Detect¬ 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. øng 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 c¸c hÖ vßng. → X¸c ®Þnh c¸c 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. − øng dông lín nhÊt cña phæ Raman kh«ng ph¶i ®Ó x¸c ®Þnh cÊu tróc, mμ ®Ó g¸n c¸c 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 ®ång vÞ 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 c¸c 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 c¸c ph©n tö ph©n cùc, khã bay h¬i, ®Ó tr¸nh ph©n huû ®· cã nh÷ng ph−¬ng ph¸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 c¸c 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 c¸c 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 vμo buång 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 c¸c 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. C¸c 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 vμo phÇn 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.U 2 = (2) 2.z.U v m = 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) Bz mrm . .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 2 mm 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 tÝch tÜnh ®iÖn (E) Bé ph©n tÝch tõ (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¶nh tiÕp (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. 2mr − Khi cho ®iÖn thÕ gia tèc vμ b¸n kÝnh lÖch kh«ng ®æi ta cã : m z = h»ng sè. B2 Tøc lμ : §Ó x¸c ®Þnh m 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 c¸c 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. − C¸c 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 c¸c 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) : re l.I nt .( % ) 100% 50 160 m/z150 156 157 158 155 m/z = 155 : + (1) 1 35 14 1612 7 6 1 1 1C H Cl N O m/z = 156 : + (2) 13 1 35 14 1612 6 1 6 1 1C C H Cl N O1 1 1 1 1 1 + (3) 1 2 35 14 1612 7 5 1 1 1 1C H H Cl N O + (4) 1 35 15 1612 7 6 1 1C H Cl N O + (5) 1 35 14 1712 7 6 1 1 1C H Cl N O m/z = 157 : (6) 13 1 35 14 1612 5 2 6 1 1C C H Cl N O + (7) 1 2 35 14 1612 7 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 1812 7 6 1 1C H Cl N O + (10) 13 1 2 35 14 1612 6 1 5 1 1 1C C H H Cl N O 27 m/z = 158 : (11) 13 1 37 14 1612 6 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 18 7 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