PHUONG PHAP PHO CONG HUONG TU HAT NHAN PHO NMR.pptx
1. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Mở đầu
1
Isidor Isaac Rabi (Nobel 1944)
1938: Proton và notron trong hạt nhân như một nam châm.
Vì thế, trong từ trường ngoài, các momen từ của nguyên tử
hoặc phân tử tạo nên một trạng thái cân bằng . Khi đưa chùm
tia các phân tử qua một từ trường của một sóng vô tuyến, thì
hướng của một số momen từ bị thay đổi. Khi chúng chuyển
về trạng thái ban đầu thì phát ra bức xạ điện từ có tần số đặc
trưng cho nguyên tử hoặc phân tử
2. 2
1946: Edward Mills Purcell (Harvard) và Felix Bloch (Stanford) (Nobel 1952): Phát triển
phương pháp đo chính xác từ hạt nhân và các ứng dụng của chúng.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3. 3
K. Wüthrich (Nobel 2002): xác định cấu trúc 3 chiều của đại phân tử
4. 4
P.C. Lauterbur và P. Mansfield (Nobel 2003): Khám phá liên quan đến hình ảnh cộng
hưởng từ (MRI) nhờ đó mà có hình ảnh các bộ phân bên trong cơ thể sống
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
8. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
8
NMR (nuclear magnetic resonance) là kỹ thuật có giá trị nhất để xác định cấu trúc các
hợp chất hữu cơ. Phương pháp NMR có hạn chế là chỉ áp dụng cho các hạt nhân nguyên
tử với số hiệu nguyên tử (số thứ tự Z) lẻ hoặc số khối (A) lẻ vì các nguyên tử loại này có
spin hạt nhân thì mới có tính chất từ như 1H, 13C, 15N, 19F, 31P…
Các hạt nhân không có tính từ như 2D, 12C, 16O, 32S… không thể hiện trên phổ NMR
Để xác định cấu trúc của HCHC, phương pháp phổ thông dụng nhất là 1H và 13C sau
đó tùy theo loại hợp chất mà có thể sử dụng thêm phổ 15N, 19F, 31P…
9. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phổ NMR
3.1. 1. Tính chất từ của hạt nhân
Nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân và lớp vỏ electron. Hạt nhân nguyên tử với số
thứ tự Z, số khối A có Z proton và A-Z nơtron
Hạt nhân nguyên tử luôn quay quanh trục riêng của nó nên sinh ra momen động
lượng gọi là momen spin hạt nhân, ký hiệu .
Hạt nhân mang điện tích dương quay quanh trục quay làm xuất hiên một từ trường
như một nam châm vĩnh cửu
P
9
10. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Tính từ của hạt nhân nguyên tử được biểu thị định lượng qua momen lưỡng cực từ
P
-momen từ có giá trị tuyệt đối là .
-momen động lượng (momen spin) hay spin hạt nhân có giá trị tuyệt đối là p.
-hằng số tỷ lệ gyromagnetic (hằng số tỷ lệ từ hồi chuyển)
P
10
11. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.1.2. Tính chất của hạt nhân có tính từ trong từ trường ngoài
Ho
Hạt nhân từ khi không có từ trường ngoài
Hạt nhân từ trong từ trường ngoài Ho: khuynh hướng sắp xếp momen từ của hạt
nhân cùng hướng đường sức với từ trường ngoài
11
12. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Một hạt nhân từ có momen từ định hướng dưới một góc so với hướng từ trường
ngoài không đổi . Từ trường này làm cho nam
châm chuyển động tuế sai (chuyển động vòng)
quanh trục từ trường ngoài.
0
H
Tốc độ góc của chuyển động tuế sai (rađian trên giây):
= 2
với tần số góc – số vòng quay trong thời gian một giây
không phụ thuộc vào góc nghiêng và tỷ lệ thuận với
cường độ từ trường ngoài H0 :
(3.4)
Hệ số tỷ lệ là hằng số gyromagnetic
0
H
12
13. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Hiện tượng này không khác gì dạng cộng hưởng, do đó có khái niệm cộng hưởng từ hạt
nhân (NMR).
13
Xét ảnh hưởng của từ trường ngoài có giá trị không lớn H1
vuông góc với H0. H1 có khuynh hướng làm lệch nam châm
vào mặt phẳng xy nhưng tác động này có hiệu lực rất nhỏ
khi H1 quay quanh trục H0 với tốc độ góc (hay tần số góc)
khác với tần số góc của chuyển động tuế sai của nam châm
quanh trục từ trường ngoài H0. Nếu thay đổi rất chậm sự
quay của H1 qua giá trị tần số góc chuyển động tuế sai của
nam châm quanh trục H0 thì khi đạt được giá trị tần số này,
góc sẽ thay đổi rất mạnh tương ứng với sự trao đổi năng
lượng giữa hạt nhân từ chuyển động tuế sai quanh trục từ
trương H0 với từ trường quay H1.
16. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Sự trao đổi năng lượng trên tương ứng với sự hấp thụ hoặc phát ra bức xạ và có thể
ghi nhận bằng thiết bị thực nghiệm để ghi đo các tín hiệu NMR gọi là phương pháp NMR:
Hạt nhân từ cần được đặt trong từ trường không đổi H0, sau đó tác động lên hạt nhân
bức xạ điện từ H1 (sóng rađio) sao cho từ trường H1 của bức xạ này quay quanh trục H0
với tần số góc có giá trị cần thiết gây nên sự cộng hưởng.
Khi hạt nhân quay quanh trục có momen động lượng hạt nhân (momen spin)
Có độ lớn:
P
( 1)
2
h
P I I
h-hằng số planck
I-số lượng tử spin hạt nhân
( 1)
2
h
P I I
Giá trị tuyệt đối của momen từ
16
17. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Hình chiếu của các momen động lượng và momen từ lên trục Z nhận những giá trị
gián đoạn
2
h
Pz m
2
z z
h
P m
Với m-số lượng tử từ nhận các giá trị I, I-1, I-2,….0, đến -I, nghĩa là có (2I+1) khả năng
định hướng khác nhau
VD: Xét trường hợp các hạt nhân từ có I = ½ (1H, 13C, 19F, 31P)
Khi đó giá trị có thể của số lượng tử từ m chỉ là +1/2 và -1/2
và giá trị:
1
2 2
z
h
P
1
2 2
z
h
P
3
2 2
h
P
1
1
2 2
os
3 3
2 2
z
h
P
c
P h
1
cos
3
17
Khả năng thứ hai
18. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.1.3. Tần số cộng hưởng
Thế năng E của hạt nhân từ định hướng dưới góc so với đường sức của từ trường ngoài
H0 được xác định theo phương trình
0 cos
E H
0
E H
Do đó nếu đặt hạt nhân từ I = 1/2 vào từ
trường H0 thì năng lượng của nó sẽ hoặc
tăng hoặc giảm một đại lượng
phụ thuộc vào sự định hướng được phép
của spin hay hạt nhân từ
0
1
3
H
0
1
2
3
E H
0
3
2
H
h
E
( 1)
2
h
P I I
3
4
h
2
0
H
Do:
nên Vậy
18
19. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Với 1H: Ho = 9.4 T, ∆E = 2,65. 10-25 J, T = 300K thì:
Định luật phân bố Boltzmann: k = 1,38.10-23 J.K-1
2
0
H
2
)
( 0
H
H
= 4,00195. 108 Hz hay khoảng 400 MHz
2
)
( 0
H
C
= 1,00685. 108 Hz hay khoảng 100 MHz
Do
Hạt nhân 19F 13C 31P 1H
(rad.T1.s1) 2,518.108 0,6728.108 1,084.108 2,67.108
19
20. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Nguyên lý hoạt động của máy NMR
20
24. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.1.4. Quá trình hồi phục spin
a) Véctơ từ tính M0
Véctơ từ tính Mo được định nghĩa bằng tổng các
véctơ từ của các hạt nhân trong một đơn vị thể tích
Do số hạt nhân ở trạng thái α lớn hơn TT β nên vectơ
M0 cùng hướng với từ trường ngoài H0
24
25. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
b) Quá trình hồi phục spin
Cân bằng nhiệt được xác định thì các hạt nhân từ nằm cân bằng với nhau ở hai trạng thái
α và β theo phân bố Boltzmann.
Khi áp một sóng ngang radio (RF) thì cân bằng bị phá vỡ để chuyển đên một trạng thái
CB mới. Sự quay trở lại TT CB nhiệt ban đầu gọi là quá trình hồi phục spin. Như vậy
thời gian phục hồi là thời gian sống của trạng thái kích thích.
Phân biệt: hồi phục spin dọc (T1) và hồi phục spin ngang (T2)
25
•Hồi phục dọc: Sự quay trở lại giá trị từ tính cân bằng M 0theo trục z. Thời gian tương
ứng gọi là T1 và được gọi là hồi phục spin mạng lưới. Sự hồi phục này liên quan tới sự
trao đổi năng lượng (entanpi trao đổi) do một số hạt nhân từ chuyển trạng thái (từ thấp
đến cao hoặc ngược lại)
26. 26
Tại thời điểm cân bằng, véc tơ từ tính theo trục z trùng với hướng của từ trường ngoài Bo,
thành phần từ tính theo phương xOy bằng 0
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
27. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Thời gian T1 xác định tỷ lệ xung lặp lại được mô tả bằng phương trình dưới đây. Đối
với proton, giá trị T1 vào khoảng từ 0,5 đến vài giây
27
28. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
• Hồi phục ngang: Sau khi mất trạng thái CB, các thành phần từ theo phương ngang sẽ
tăng, tăng đến cực đại và sau đó giảm dần và triệt tiêu tương ứng với khoảng thời gian
T2. Điều này là do tương tác giữa các spin hạt nhân dẫn đến mất sự gắn kết giữa các
momen từ do có sự thay đổi tác động từ trường ngoài. Hiện tượng này còn gọi là hồi
phục spin-spin. Quá trình này không làm thay đổi NL, hồi phục spin-spin đơn thuần
chỉ là quá trình entropi (Không xảy ra quá trình chuyển trạng thái của các hạt nhân từ)
28
30. 30
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
T2<T1: T2 xác định độ rộng (độ phân giải) của tín hiệu, T2 càng nhỏ thì tín hiệu có độ
phân giải càng kém
31. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Phương trình Lorentz
Độ rộng nửa pic
Tại ν = ν1/2 có f(v) = K/2 nên
∆ν = 1/πT2
Vậy
31
32. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.2. Độ chuyển dịch hóa học
3.2.1. Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng
Khi đặt một hạt nhân nguyên tử vào một từ
trường ngoài H0 thì lớp vỏ electron quay
quanh hạt nhân sẽ sinh ra một lưỡng cực từ có
từ trường ngược hướng với từ trường bên
ngoài và cường độ của từ trường đó tỷ lệ với
cường độ từ trường ngoài.
Điều này có nghĩa là electron đã che chắn một phần hạt nhân khỏi từ trường ngoài.
Từ trường tác dụng lên hạt nhân chỉ còn là:
Trong đó: Hc-từ trường hiệu dụng
- hằng số chắn
0 (1 )
c
H H
32
33. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Độ lớn của có thể tính theo công thức Lamb
2
2
4
. ( )
3
e
r p r dr
mc
Trong đó: e-điện tích electron
m-khối lượng electron
c- vận tốc ánh sáng
P(r)- mật độ electron bao quanh hạt nhân
r- khoảng cách từ tâm hạt nhân đến electron
33
34. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Nguyên nhân xuất hiện hằng số chắn
a) Hiệu ứng nghịch từ (diamagnetic)
H0
H
Khi đặt một hạt nhân từ vào trong một từ
trường đồng nhất H0, lớp vỏ electron quanh hạt
nhân cũng quay sinh ra một momen từ H ngược
hướng với từ trường H0 và làm từ trường này yếu
đi. Hiệu ứng chắn này gọi là hiệu ứng nghịch từ.
Hằng số chắn σ phụ thuộc vào đám mây bao
quanh hạt nhân. Nếu lớp e càng dày thì hằng số
chắn càng lớn và ngược lại.
Do đó, nếu nguyên tử hoặc nhóm thế bên cạnh hút e thì làm giảm mật độ e bao
quanh hạt nhân khi đó hằng số chắn nhỏ, độ chuyển dịch lớn và ngược lại
34
35. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
VD:
Nhóm thế X Độ âm điện của X δ (CH3)
F 4,0 4,22
Cl 3,5 3,01
Br 3,2 2,65
I 3,0 2,15
35
36. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
b) Hiệu ứng thuận từ (anisotrop)
Khi đặt phân tử chứa hạt nhân từ vào từ
trường đồng nhất mạnh, từ trường này sẽ gây ra
dòng điện cảm ứng kín trong phân tử, cường độ
của dòng này phụ thuộc vào độ linh động của các
điện tử xung quanh phân tử. Dòng điện kín này
sẽ gây ra một từ trường phụ.
Từ trường phụ này sẽ chia không gian thành
hai phần cho tín hiệu khác nhau.
Phần ở phía trong, từ trường phụ ngược hướng với từ trường ngoài nên từ trường hiệu
dụng He < H0. Ở phía bên ngoài, từ trường phụ cùng hướng với H0 nên He > H0. Do đó
các proton nằm ở khoảng không gian bên ngoài sẽ có hằng số chắn nhỏ hơn. Hiện tượng
này gọi là hiệu ứng thuận từ
H0
H
H
H
H
36
37. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Hiệu ứng anisotrop thể hiện mạnh ở benzen và các hợp chất thơm khác. Proton trong
nhóm chứ andehit cũng hoàn toàn tương tự. Trong các trường hợp này, hằng số chắn nhỏ
nên có độ chuyển dịch hóa học lớn.
δH của nhân thơm: 7-8 ppm
δH của andehit: 9-10 ppm
Ngược lại, ở axetilen thì H có độ chuyển dịch hóa học nhỏ hơn vì nó nằm ở phía
trong nên bị chắn nhiều hơn δH = 2-3 ppm
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Annulen
Hiệu ứng anisotrop cũng thể hiện rất rõ đối với
hệ vòng lớn có tính thơm như 18-annulen. Hệ vòng
này cho hai tín hiệu khác nhau của proton: các
proton ngoài vòng có δH = 9,17 ppm, còn các
proton trong vòng có δH = - 2,96 ppm
37
41. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.2.2. Độ chuyển dịch hóa học
Trong thực tế không thể tìm được môi trường mà hạt nhân không có electron, do đó người
ta sử dụng một chất chuẩn để xác định sự cộng hưởng của các proton khác nhau.
Tetramethylsilan (TMS) được lựa chọn vì một số tính chất đặc trưng sau đây:
+ Tất cả các proton trong hợp chất là tương đương nhau
+ Các proton này bị chắn rất mạnh vì độ âm điện của Si nhỏ hơn nhiều so với C do đó
các proton trong hầu hết các HCHC có hằng số chắn nhỏ hơn: σ(TMS) > σ(R)
+ TMS là chất dễ bay hơi nên dễ dàng loại bỏ ra khỏi hỗn hợp HCHC (Ts = 26oC)
41
42. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Độ dich chuyển hóa học (tần số) của các proton so với chất chuẩn TMS là:
Trong kỹ thuật đo người ta không thể xác định được giá trị tuyệt đối của hằng số chắn σ
và ν nhưng có thể xác định giá trị tương đối so với chất chuẩn TMS
Thực nghiệm cho thấy proton của hầu hết các hợp chất hữu cơ có độ chuyển dịch hóa
học rất nhỏ từ 0 đến 10.10-6 hay từ 0 đến 10ppm. Độ chuyển dịch hóa học không có
thứ nguyên, biểu diễn vào phần triệu – ppm (parts per million).
Quy ước : TMS = 0 42
43. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Độ chuyển dịch hóa học ngoài thang hay dùng, người ta còn dùng thang với chất
chuẩn TMS có độ chuyển dịch hóa học quy ước = 10 ppm 10 ppm
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hóa học
Lớp vỏ electron càng lớn thì hằng số chắn càng lớn và ngược lại. Khi lớp vỏ electron tăng
thì điện từ trường hiệu dụng giảm do đó độ chuyển dịch hóa học càng nhỏ như minh họa
theo hình sau:
43
44. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Độ chuyển dich hóa học sẽ tăng khi độ âm điện của nguyên tố liên kết với proton tăng
VD:
Hợp chất CH3I CH3Br CH3Cl CH3F
(ppm) 2,3 2,7 3,4 4,5
Ngoài ra, độ dịch chuyển hóa học còn phụ thuộc vào tính bất đẳng hướng của sự nhạy
từ của phân tử do electron trong vòng như:
• Proton liên kết trực tiếp với nhân thơm (không bị chắn)
• Proton trong nhóm andehyt (không bị chắn)
• Proton trong nhóm axyle (bị chắn)
44
50. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.3. Đường cong tích phân
Một thiết bị cho phép đo diện tích của các pic. Diện tích này tỷ lệ thuận với số proton
tương ứng trong các pic. Tuy nhiên việc tính toán diện tích thường khó khăn do xuất
hiện đa vạch trên mỗi pic. Để khắc phục người ta sử dụng kỹ thuật tích phân tín hiệu để
vẽ một đường cong bậc thang trên phổ gọi là đường cong tích phân. Chiều cao của các
bậc không cho biết chính xác số proton nhưng cho biết tỷ lệ số proton của các nhóm
tương ứng
Đường cong tích phân (integration) có ý nghĩa quan trọng trong phân tích NMR
Xác định tỷ lệ số proton trong mỗi pic trên phổ
Phân tích định lượng các hợp chất trong hỗn hợp vì chiều cao của bậc thang tỷ
lệ với nồng độ các chất trong hỗn hợp: tỷ lệ nồng độ, hiệu suất phản ứng, độ
chuyển hóa…
50
52. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.4. Tương tác spin-spin
Trong phổ NMR, mỗi tín hiệu có thể bao gồm nhiều pic nhỏ. Hiện tượng này là do
tương tác giữa các hạt nhân gọi là tương tác vô hướng (couplage scalaire)
Phân biệt hai loại tương tác:
Giữa hai loại hạt nhân khác nhau (hétéronucléaire):
VD như giữa 1H và 13C, được ký hiệu là 1J:
Giữa hai hạt nhân cùng loại (homonucléaire): vd như
tương tác giữa các proton, được ký hiệu là nJ với n>1
Tương tác Số liên kết Tên gọi
2J 2 geminal
3J 3 vicinal
4J 4 Khoảng cách xa
52
53. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.4.1. Tương tác giữa hai proton
Xét tương tác giữa hai proton A-X. Trong sự cộng hưởng từ của proton A, do ảnh hưởng
của tương tác từ hạt nhân từ X tùy thời điểm mà có thể làm tăng hoặc làm giảm từ
trường hiệu dụng đối với từ trường bên ngoài do đó tín hiệu của proton A bị tách thành 2
pic. Khoảng cách giữa hai pic gọi là hằng số tương tác (constante de couplage) được
biểu thị bằng Hz (Hertz)
Tương tác giữa hai hạt nhân được đặc trưng bằng hằng số tương tác J nó chỉ phụ thuộc
vào bản chất của các hạt nhân mà không phụ thuộc vào độ mạnh, yếu của từ trường bên
ngoài Ho
Quá trình cũng xảy ra hoàn toàn tương tự đối với proton X
JAX = JXA
53
56. 3.4.1.1. Phổ bậc 1
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Nếu hai hạt nhân A và X có tương tác spin với nhau và νA-νX > 6 JAX thì phổ NMR
gọi là phổ bậc 1. Khi đó người ta biểu diễn hệ hạt nhân bằng các chữ cái cách xa nhau
như AX, AMX, A2X…
JAX
JAX
A B
> J Hê AX
56
57. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Mỗi proton cho một tín hiệu trên phổ, tuy nhiên các hạt nhân tương đương nhau xuất
hiện cùng một vị trí vì chúng có cùng độ dịch chuyển hóa học.
VD
57
62. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Chú ý
Các proton bên cạnh trung tâm bất đối không tương đương nhau (protons diastereotopics)
Do ở bên cạnh trung tâm bất đối nên ở bất cứ cấu dạng nào hai proton Ha và Hb đều không
tương đương nhau
62
63. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Trong phổ 1H NMR , mỗi proton cho một tín hiệu doublet (d)
63
0
1
2
3
4
5
6
PPM
Br
CH3
OH
N
64. 64
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Tín hiệu phổ của các hạt nhân từ không những phụ thuộc vào vị trí, bản chất của các hạt
nhân mà còn phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ…
66. 66
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hai phổ dưới đây là của CH3OH ở hai nhiệt độ khác nhau là -65oC và 40oC. Hiện tượng này
xảy ra là do quá trình trao đổi proton linh động trong các nhóm chức trong rượu, amin, axit
cacboxylic… Ở nhiệt độ thấp quá trình trao đổi xảy ra chậm hơn so với tần số quét của máy
nên chúng ta vẫn quan sat được hiện tượng tương tác spin. Ở nhiệt độ cao quá trình trao đổi
xảy ra nhanh nên không còn tương tác spin-spin.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
71. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
b) Dạng AX2
Hai proton tương đương tương tác với proton A với cùng hằng số tương tác
71
72. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
c) Dạng AX3
Proton A tương tác với 3 proton tương đương X
72
73. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Tương tự đối với dạng AXn, tín hiệu phổ của A gồm các pic mà chiều cao của nó tuân theo
quy tắc tam giác Pascal
1
1 1
1
1
1
1
1
1
2
3 3
4 6 4
1 1
5 10 10 5
singlet (s)
doublet (d)
triplet (t)
quartet (q)
quintet (quin)
sixtet (six)
73
74. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Hình dạng pic của proton A trong phổ 1H-NMR
74
75. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
a) Tương tác geminal
Đó là tương tác giữa hai proton không tương đương liên kết với cùng 1 nguyên tử các
bon. Hằng số tương tác là âm còn độ lớn của nó chịu ảnh hưởng mạnh bởi góc liên kết α
giữa chúng
75
3.4.4.4. Các dạng tương tác spin-spin trong phổ 1H-NMR
76. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Ví dụ: Do nhóm tBu có thể tích lớn nên phân tử không thể tạo cân bằng giữa các cấu dạng
ghế hoặc thuyền, còn trường hợp thứ 2 dạng bicyclo phân tử cứng nhắc
Dạng tương tác géminal cũng thường gặp trong trường hợp trong phân tử có nhóm -
CH2- bên cạnh một trung tâm bất đối
R
Hb
Ha
R1
R3 R2
76
77. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
b) Tương tác vicinal
Đó là tương tác giữa hai proton qua 3 liên kết, hằng số tương tác được ký hiệu là 3J
77
80. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Đường cong Karplus
Hằng số tương tác 3JHH giữa hai proton vicinal phụ thuộc vào góc nhị diện giữa các liên
kết C-H
3J HH = −0,3 − 0,5cos Φ + 9,2cos2 Φ
80
81. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Protons HaxHax HaxHéq HéqHéq
(°) 180 60 60
3J 11,8 3,9 3,9
Trong cấu hình dạng vòng của phân tử
81
82. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
c) Tương tác ở khoảng cách xa
Tương tác giữa hai proton ở cách xa từ 4 liên kết trở lên. Dạng này thường quan sát được
với cấu trúc hình M hoặc W như hình vẽ
Trong một số trường hợp, có thể quan sát được 9J ở các phân tử dạng polien
82
100. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.4.4.6. Hiện tượng trao đổi proton
Các proton liên kết trực tiếp với các nguyên tử có độ âm điện lớn như O, N (rượu, amin,
axít) có thể nhanh chóng trao đổi với các proton (hoặc deuteron) trong dung dịch nên các
proton này có thể không tạo tương tác với các proton bên cạnh
100
Trong phổ của etanol tuyệt đối khan hình dạng của phổ như sau
101. 101
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Trong trường hợp có lẫn nước, quá trình trao đổi proton diễn ra do đó không còn tương
tác spin giữa H trong nhóm OH với các proton bên cạnh
102. 102
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Chú ý: Nếu thêm lượng rất nhỏ CF3COOH vào trong mẫu đo thì tương tác spin của
proton trong nhóm chức cũng mất đi do axit TFA xúc tác cho quá trình trao đổi proton giữa
các phân tử rượu làm cho quá trình xảy ra nhanh hơn
Do sự trao đổi proton nên vị trí tín hiệu của proton trong nhóm chức OH rất linh
động. Vị trí của nó có thể thay đổi tùy theo nồng độ, nhiệt độ thậm chí là không xuất
hiện trên phổ. Quá trình cũng xảy ra tương tự trong amin, axit cacboxylic...
104. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.4.1.2. Phổ bậc cao
Tất cả các loại phổ không thể phân tích theo phổ bậc 1 gọi là phổ bậc cao. Hầu hết
các phổ này có (νA - νB) ≈ JAB. Khi đó người ta ký hiệu các hạt nhân bằng các chữ cái
liên tiếp nhau như AB, A2B, ABC… Việc phân tích phổ này rất phức tạp, trong nhiều
trường hợp không thể phân tích trực tiếp. Loại thường gặp là hệ phổ AB (AB system).
Hình dạng pic của hai hạt nhân này tạo nên hình chóp nhọn (hiệu ứng mái nhà: roof
effect = effet de toit)
104
Hiện tượng này hay gặp trong các hợp chất chứa nối đôi (ethylenic compound) hoặc
trong nhân thơm (aromatic compound)
109. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Các phương pháp hỗ trợ cho phân tích phổ
Đối với phổ bậc cao hoặc là các chất có cấu trúc phức tạp thì việc phân tích phổ gặp nhiều
khó khăn. Để giảm bớt các khó khăn này thì người ta sử dụng một số kỹ thuật riêng trong
quá trình đo. Sau đây là một số phương pháp thông dụng:
Nâng cao tần số máy ghi
Phân tích càng đơn giản nếu như tỷ số ∆ν/J càng lớn (dạng phổ bậc một), tuy nhiên J là
hằng số không phụ thuộc vào cường độ trường ngoài. Giá trị ∆ν càng lớn khi tần số máy
đo càng lớn, khi đó khoảng cách các pic cách xa nhau việc phân tích phổ trở nên dễ dàng
hơn
Thay đổi dung môi
Độ chuyển dịch hóa học của mỗi proton phụ thuộc mạnh vào dung môi khi ghi phổ trong
khi hằng số tương tác J không thay đổi vì thế khi chọn được dung môi thích hợp sẽ giúp
cho việc phân tích phổ thuận lợi và dễ dàng hơn
109
110. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Thay thế các đồng vị (isotop)
Khi thay thế proton bởi đơtơri sẽ làm đơn giản hóa phổ 1H-NMR bởi đơtơri không phải là
hật nhân từ nên chúng không có tương tác với proton bên cạnh điều đó làm cho phổ đơn
giản hơn và việc phân tích phổ trở nên dễ dàng hơn
110
111. Cộng hưởng từ kép
Để ghi phổ NMR người ta phải sử dụng một từ trường cao tần H1. Nếu đưa vào một từ
truòng cao tần khác H2 có cường độ từ trường đủ lớn để làm thay đổi mức NL, tần số ν2
của nó phù hợp hoàn toàn hay gần hoàn toàn với đường cộng hưởng. Qua đây người ta
có thể xác định được các tín hiệu thuộc về proton nào trong phân tử. Hiện tượng này
được gọi là cộng hưởng kép. Dựa vào cường độ từ trường H2, người ta chia thành hai
loại:
H2 mạnh dẫn đến triệt tiêu tương tác spin
H2 yếu dẫn đến spin-tickling
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
111
112. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
a) Triệt tiêu tương tác spin
Hiện tượng này xảy ra đối với hệ phổ bậc 1. Chẳng hạn ta có hệ phổ AXn, nếu tác dụng
một từ trường phụ H2 với tần số bằng tần số của trung tâm đa vạch của hạt nhân A rồi
quan sát tín hiệu ở nhóm hạt nhân X thì thấy tín hiệu của nhóm này mất đi một vạch đơn.
Nguyên nhân của hiện tượng trên là do khi tác dụng từ trường phụ mạnh H2 làm mất đi từ
trường phụ của hạt nhân A tác dụng lên hạt nhân X do đó chỉ còn H2 tác dụng lên hạt nhân
X nó chỉ có một hướng điều chỉnh trong từ trường ngoài và ta chỉ thu được một tín hiệu
trên phổ, sự tương tác spin đã bị triệt tiêu.
112
114. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
b) Spin-tickling
Khi tác dụng một từ trương phụ H2 có tần số phù hợp với tần số bước chuyển năng lượng
nào đó của hệ spin vừa đủ gây nhiễu cho mức NL trên thì các tín hiệu ứng với các bước
chuyển NL của hệ hoặc bị phân tách ra hoặc là thay đổi cường độ.
VD: Trong phổ 1H-NMR của 3-amino propan-2-enal trong hình dưới đây: a là phổ có
tương tác spin, b là phổ mà proton X được bức xạ và phổ c là proton M được bức xạ.
Người ta quan sát được sự thay đổi trên các proton không bị bức xạ. Từ đó người ta có thể
giải thích được dạng pic của A và tính được hằng số tương tác với các proton M và X
114
116. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Sử dụng tác nhân gây chuyển dịch
Đối với các chất phức tạp, nhiều khi các tín hiệu phổ chập vào nhau không phân giải
được. Để phân tách chúng người ta sử dụng phương pháp tạo phức. Thêm một ít muối của
nguyên tố đất hiếm vào trong mẫu đo, nó sẽ tạo phức với chất dẫn đến tách được tín hiệu
trên phổ. Trong nhiều trường hợp phương pháp này có thể phân biệt được các đôi đối
quang (enantiomer). Các chất này được gọi là tác nhân chuyển dịch
VD: Các chất tạo phức, các muối phức chất của Europi (Eu) làm chuyển dịch tín hiệu
cộng hưởng về phía trường thấp. Nó sẽ tạo phức với các trung tâm giầu electron như OH,
NH, CO, CN…
116
117. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
2,2,2-trifluoro,1(9-anthranyl)-ethanol (TFAE)
117
118. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
1H NMR, 300 Hz, CDCl3
A B
Tín hiệu của nhóm C-CH3 trong phổ của mexilentine với sự có mặt của chất tạo phức B
(TFAE) và không có chất tạo phức (A)
118
127. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.5. Phổ 13C - NMR
3.4.1. Đồng vị 13C và phổ 13C-NMR
Do đồng vị 13C chỉ chiếm 1,1% lượng hạt nhân cacbon trong tự nhiên nên so với phổ 1H
thì phương pháp phổ 13C kém nhay hơn nhưng thang độ dich chuyển hóa học lớn hơn lớn
nhiều. Từ năm 1970 các trở ngại đó đã được khắc phục nhờ sử dụng các kỹ thuật điện tử
tiên tiến và máy tính
Ứng dụng điển hình của phương pháp phổ 13C là dựa vào độ dịch chuyển hóa học của các
pic của các nguyên tử C. Để đơn giản, trong phương pháp đo phổ 13C các tương tác giữa
các hạt nhân C-C và C-H được loại bỏ. Mỗi pic trong phổ cacbon la một tín hiệu nhọn và
nét ứng với một nguyên tử cacbon không tương đương.
Độ dịch chuyển hóa học của các nguyên tử C nằm trong khoảng từ 0 đến 220 ppm
127
128. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Cường độ vạch phổ trong phổ xóa tương tác spin 13C tỷ lệ với:
• Số nguyên tử hydro gắn với nguyên tử cacbon
• Số nguyên tử cacbon tương đương
(CH3)3C-OH
3 CH3
C
N C O
1
2
3
4
2
3
1
2
3
4
Dựa vào cường độ các vạch phổ có thể suy đoán sơ bộ vị trí các nguyên tử cacbon trong
phân tử
128
129. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Độ dịch chuyển hóa học của các nhóm chức trong phổ 13C 129
131. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.6. Phương pháp DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization transfer)
Trong phương pháp này, tín hiệu của nhóm -CH, -CH3 nằm ở phía trên, tín hiệu của nhóm –
CH2 quay xuống phía dưới. Nguyên tử C bậc 4 không cho tín hiệu trên phổ
131
135. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
3.7. Phương pháp phổ 2D
Cơ sở của phương pháp phổ 2D-NMR là dựa trên nguyên tắc phổ CHTN biến đổi
Fourier do đó còn gọi 2D-FT-NMR.
Theo phương pháp này, từ trường cao tần H1 không tác dụng liên tục lên hệ hạt
nhân nguyên tử đặt sẵn trong từ trường không đổi Ho. Người ta tác dụng một xung
vuông H1 lên hạt nhân từ theo hướng trục x với độ dài (90o)x. Xung đầu tiên này làm
cho momen từ μ chuyển động quanh trục z sẽ quay theo hướng trục y và hướng song
song với trục y. Sau xung này momen từ μ sẽ tịnh tiến tự do với tốc độ ω trên mặt
phẳng xy. Tại thời điểm t1 momen từ quét được một góc θ = ωt1, giai đoạn này được
gọi là giai đoạn triển khai (preparation) . Tiếp theo tác dụng một xung (90o)x lần hai,
sẽ làm quay momen từ μ xuống phía dưới theo mặt phẳng xz. Xung này tác dụng lên
momen từ μ theo thành phần trên tục x và z tương ứng là sinωt1 và –cosωt1. Giai đoạn
này được gọi là hòa trộn (evolution).
135
136. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
Cuối cùng tác động thêm một xung (90o)x , lúc đó moment từ μ sẽ rời mặt phẳng xz về
trục y. Cường độ của tín hiệu cộng hưởng tỷ lệ với cosωt1. Giai đoạn này gọi là giai đoạn
thu hồi (detection) với thời gian kéo dài t2 và xuất hiện tín hiệu suy giảm cảm ứng tự do
(Free induction decay signal viết tắt FID)
136
137. Phổ cộng hưởng từ nhân 2 chiều là một trong những phương pháp ứng dụng rất tốt trong
phân tích cấu trúc nhằm xác định rõ vị trí các píc tương ứng của các hạt nhân từ. Phương
pháp này có đặc điểm như sau:
Biểu diễn tín hiệu phổ trên cả hai chiều trong hệ tọa độ vuông góc
Thể hiện các tương tác spin giữa các tín hiệu
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)
137
