8B.1. Gán phổ NMR
1. Dữ liệu thực nghiệm
- Phổ MS
- Phổ FTIR
- Phổ 1H NMR
- Phổ 13C NMR
Hình 1: Phổ MS
 |
Hình 1: Phổ MS |
 |
Hình 2: Phổ FTIR |
 |
Hình 3: Phổ 13C NMR |
 |
Hình 4: Phổ 1H NMR |
2. Giải phổ
- Xác định công thức phân tử
Việc đầu tiên là xác định khối lượng phân tử (MW) dựa trên dữ liệu phổ khối (MS). Khối lượng phân tử được xác định dựa trên giá trị m/z của píc ion phân tử, là píc có giá trị m/z lớn nhất trên thang m/z của phổ khối (Xem bài #20 Phổ khối lượng). Giá trị của ion phân tử trên phổ hình 4 là m/z=86, tương ứng với khối lượng phân tử MW=86Da.
- Xác định công thức phân tử
Việc đầu tiên là xác định khối lượng phân tử (MW) dựa trên dữ liệu phổ khối (MS). Khối lượng phân tử được xác định dựa trên giá trị m/z của píc ion phân tử, là píc có giá trị m/z lớn nhất trên thang m/z của phổ khối (Xem bài #20 Phổ khối lượng). Giá trị của ion phân tử trên phổ hình 4 là m/z=86, tương ứng với khối lượng phân tử MW=86Da.
Công việc tiếp theo là xác định công thức phân tử dựa trên giá trị khối lượng phân tử xác định được từ dữ liệu MS. Có thể sử dụng các công cụ tính công thức phân tử hiện rất sẵn trên internet. Hình 5 là kết quả xác định công thức phân tử cho trường hợp số khối nguyên, MW=86Da. Kết quả cho 05 công thức.
 |
Hình 5: Xác định MF theo MW (giá trị nguyên) |
Bước 3: Phân tích dữ liệu FTIR (xem bài #19 Phổ IR). Dễ nhận nhất trên phổ IR hình 2 là vùng giao động của C=O (lân cận 1.700 cm-1) và dấu hiệu giao động alkane (sát dưới 3.000cm-1), không thấy các giao động đặc trưng của OH, NH (vùng trên 3.000cm-1), của C=C (vùng 1.600cm-1) hay C-O (vùng 1.200-1.000cm-1). Kết quả này cho phép loại 2 công thức sau cùng, không chứa O, trong danh sách 05 công thức ở hình 5.
Bước 4: Phân tích dữ liệu 13C NMR. Phổ có 05 tín hiệu, chứng tỏ có 05 cac-bon không tương đương. Kết luận này nếu đúng sẽ giúp khẳng định ngay công thức duy nhất đúng trong bảng hình 5, đó là C5H10O. Với công thức này, độ no của phân tử sẽ là DBE = 5+1-(10/2) = 1, phân tử có 01 nối đôi. Đồng thời, tín hiệu có biên độ thấp ở vùng 210ppm là đặc trưng cho C=O, không có liên kết trực tiếp với H (C bậc 4). Hai điều này phù hợp kết luận phân tích phổ IR, phân tử có 01 nhóm C=O. Còn lại 04 tín hiệu C nằm ở vùng C của hydrocarbon (10-50ppm).
Bước 5: Phân tích dữ liệu 1H NMR. Giá trị tích phân phổ (2+3+2+3 = 10) cho thấy phân tử có 10 nguyên tử H, hoàn toàn phù hợp với công thức C5H10O đã dự đoán ở bước 2 và 4. Tín hiệu ứng với 3H ở gần 2ppm có dạng vạch đơn, cho biết trong phân tử có nhóm -CH3 nằm "cô lập". Giá trị tích phân và đặc trưng tách vạch của ba tín hiệu vạch bội còn lại là đặc thù cho đoạn cấu trúc -CH2-CH2-CH3.
Bước 6: Tổng hợp kết quả, xác định và kiểm nghiệm công thức cấu trúc. Công thức phân tử và các mảnh cấu trúc đã được xác định từ 5 bước trên là: C5H10O, -C=O, -CH3 tách biệt, -CH2-CH2-CH3. Công thức hợp lý sẽ là:
Bước 6: Tổng hợp kết quả, xác định và kiểm nghiệm công thức cấu trúc. Công thức phân tử và các mảnh cấu trúc đã được xác định từ 5 bước trên là: C5H10O, -C=O, -CH3 tách biệt, -CH2-CH2-CH3. Công thức hợp lý sẽ là:
 |
Hình 6: Công thức cấu trúc |
Đọc giả có thể kiểm nghiệm lại cấu trúc này theo dữ liệu phân mảnh trên phổ MS (hình 1), vùng vân tay của phổ IR (hình 2), giá trị độ dịch chuyển của C (hình 3), độ dịch chuyển và hằng số tách vạch J của H (hình 4) theo lý thuyết để xác định cấu trúc trên là đúng 100% !
3. Nhận xét
- Dữ liệu phổ cho ví dụ trên là tương đối đầy đủ đối với một phân tử có cấu trúc tương đối đơn giản. Một kết luận cấu trúc có thể rút ra đồng thời từ những dạng phổ khác nhau, như kết luận có nhóm Carbonyl C=O có thể rút ra từ công thức phân tử khi tính DBE, từ píc đặc thù vùng 1.700cm-1 của phổ IR và cũng có thể rút ra khá chắc chắn từ píc vùng 210ppm của phổ 13C NMR. Vì thế, người có kinh nghiệm có thể không cần đủ bộ phổ như trên vẫn xác định được cấu trúc. Trong những trường hợp như vậy, phổ 1H NMR là ưu tiên số 1, tiếp sau là phổ 13C NMR.
- Với các phân tử phức tạp, để xác định được cấu trúc thường phải có thêm nhiều loại phổ khác, chủ yếu là các dạng phổ NMR khác như: DEPT, COSY, NOESY, HSQC, HMBC, ...
- Kết quả xác định được công thức phân tử từ giá trị MW thực nghiệm thường cho một dãy công thức thoản mãn, nếu MW là giá trị nguyên (MW=86Da trong ví dụ trên cho 05 công thức). Khi có số liệu MS với độ chính xác cao hơn (3-4 số thập phân), chúng ta có thể tìm được 01 công thức duy nhất. Trong ví dụ trên, nếu xác định được MW=86,073Da, chúng ta có thể chỉ ra chính xác, đơn trị công thức thứ 3 trong hình 5, hoặc sử dụng các phần mềm khác để nhận được kết quả tương tự (xem hình 7).
Hình 7: Xác định MF dựa trên số liệu MW có độ chính xác cao
- Dữ liệu phổ cho ví dụ trên là tương đối đầy đủ đối với một phân tử có cấu trúc tương đối đơn giản. Một kết luận cấu trúc có thể rút ra đồng thời từ những dạng phổ khác nhau, như kết luận có nhóm Carbonyl C=O có thể rút ra từ công thức phân tử khi tính DBE, từ píc đặc thù vùng 1.700cm-1 của phổ IR và cũng có thể rút ra khá chắc chắn từ píc vùng 210ppm của phổ 13C NMR. Vì thế, người có kinh nghiệm có thể không cần đủ bộ phổ như trên vẫn xác định được cấu trúc. Trong những trường hợp như vậy, phổ 1H NMR là ưu tiên số 1, tiếp sau là phổ 13C NMR.
- Với các phân tử phức tạp, để xác định được cấu trúc thường phải có thêm nhiều loại phổ khác, chủ yếu là các dạng phổ NMR khác như: DEPT, COSY, NOESY, HSQC, HMBC, ...
- Kết quả xác định được công thức phân tử từ giá trị MW thực nghiệm thường cho một dãy công thức thoản mãn, nếu MW là giá trị nguyên (MW=86Da trong ví dụ trên cho 05 công thức). Khi có số liệu MS với độ chính xác cao hơn (3-4 số thập phân), chúng ta có thể tìm được 01 công thức duy nhất. Trong ví dụ trên, nếu xác định được MW=86,073Da, chúng ta có thể chỉ ra chính xác, đơn trị công thức thứ 3 trong hình 5, hoặc sử dụng các phần mềm khác để nhận được kết quả tương tự (xem hình 7).
 |
Hình 7: Xác định MF dựa trên số liệu MW có độ chính xác cao |
8B.2. Xác định cấu trúc dựa trên dữ liệu phổ 1H và 13C NMR
- Dữ liệu thực nghiệm:
- Công thức phân tử: C4H8O2.
- Dữ liệu 1H NMR
Phổ 1H NMR
- Dữ liệu 13C NMR
Phổ 13C NMR, DM = vết của tín hiệu dung môi
- Giải phổ:
Bước 1: Xác định số liên kết đôi, vòng thơm dựa trên độ no: DBE = 4+1-(8/2) = 1, có 01 nối đôi.
Bước 2: Phân tích phổ 1H NMR: Giá trị tích phân của 03 tín hiệu 1H NMR tính từ phía trái phổ là 2:3:3, tổng là 8, đúng bằng số nguyên tử H trong công thức, suy ra 03 tín hiệu trên tương ứng với CH2, CH3, CH3. Tín hiệu CH3 vùng 2ppm là vạch đơn, chắc chắn là -CH3 "biệt lập" bởi O hay C==O, còn hai vạch bội bốn (q, 4,05ppm) và bội ba (t, 1,18ppm) là rất điển hình của cụm -CH2-CH3.
- Dữ liệu thực nghiệm:
- Công thức phân tử: C4H8O2.
- Dữ liệu 1H NMR
 |
Phổ 1H NMR
|
- Dữ liệu 13C NMR
 |
Phổ 13C NMR, DM = vết của tín hiệu dung môi
|
- Giải phổ:
Bước 1: Xác định số liên kết đôi, vòng thơm dựa trên độ no: DBE = 4+1-(8/2) = 1, có 01 nối đôi.
Bước 2: Phân tích phổ 1H NMR: Giá trị tích phân của 03 tín hiệu 1H NMR tính từ phía trái phổ là 2:3:3, tổng là 8, đúng bằng số nguyên tử H trong công thức, suy ra 03 tín hiệu trên tương ứng với CH2, CH3, CH3. Tín hiệu CH3 vùng 2ppm là vạch đơn, chắc chắn là -CH3 "biệt lập" bởi O hay C==O, còn hai vạch bội bốn (q, 4,05ppm) và bội ba (t, 1,18ppm) là rất điển hình của cụm -CH2-CH3.
Bước 3: Phân tích phổ 13C: Phổ gồm 04 tín hiệu (không kể tín hiệu dung môi), ứng với 04xC trên công thức. Tín hiệu biên độ nhỏ tại vùng 170ppm là đặc trưng cho C=O trong Ketone hoặc Aldehyde, dù vậy phổ 1H không có tín hiệu đặc thù Aldehyde ở vùng 10ppm, nên C=O được giả định là thuộc Kentone R-C=O-R.
Bước 4: Tổng hợp, ghép nối thành công thức cấu trúc: Dễ dàng kết hợp các giả định trên để dựng khung cấu trúc Kentone như sau:
- Nhận xét
- Về bản chất, ví dụ 2 là Xác định đồng phân dựa trên dữ liệu phổ, vì đã biết trước công thức phân tử.
- ...
8B.3. Xác định cấu trúc dựa trên dữ liệu MS, phân tích CHCl, phổ 1H và 13C NMR
- Nhận xét
- Về bản chất, ví dụ 2 là Xác định đồng phân dựa trên dữ liệu phổ, vì đã biết trước công thức phân tử.
- ...
8B.3. Xác định cấu trúc dựa trên dữ liệu MS, phân tích CHCl, phổ 1H và 13C NMR
- Dữ liệu thực nghiệm:
- Dữ liệu phổ khối (MS): píc ion phân tử m/z=92
- Phân tích nguyên tố: 52%C; 38,3% Cl và 9,7% H.
- Phổ 1H NMR: 3,38ppm (2H, d, J=6,13Hz); 1,95ppm (1H, m); 1,01ppm (6H, d, J=6,57Hz)
- Phổ 13C NMR (kèm phổ DEPT): 52,49ppm (CH2); 31,06ppm (CH); 20,08ppm (CH3).
- Giải phổ:
Bước 1: Xác định công thức phân tử. Tổng phần trăm của 3 nguyên tố C, H và Cl là 52 + 38,3 + 9,7 = 100%, chứng tỏ trong phân tử không có dị nguyên tử nào khác ngoài C, H và Cl. Từ giá trị m/z=92, suy ra khối lượng mol phân tử là 92 g/mol. Xác định khối lượng mol và số nguyên tử C trong 01 mol chất nghiên cứu: 92g x 52% = 47,8g, làm tròn thành 48g, từ đó tính ra số nguyên tử C (48/12=4). Kết quả tính tương tự với H và Cl là: 9H và 1Cl. Như vậy, công thức phân tử là C4H9Cl.
Bước 2: Xác định số liên kết đôi, vòng thơm dựa trên độ no. DBE = 4+1-(9+1)/2= 0, không có liên kết đôi hay vòng.
- Dữ liệu thực nghiệm:
- Dữ liệu phổ khối (MS): píc ion phân tử m/z=92
- Phân tích nguyên tố: 52%C; 38,3% Cl và 9,7% H.
- Phổ 1H NMR: 3,38ppm (2H, d, J=6,13Hz); 1,95ppm (1H, m); 1,01ppm (6H, d, J=6,57Hz)
- Phổ 13C NMR (kèm phổ DEPT): 52,49ppm (CH2); 31,06ppm (CH); 20,08ppm (CH3).
- Giải phổ:
Bước 1: Xác định công thức phân tử. Tổng phần trăm của 3 nguyên tố C, H và Cl là 52 + 38,3 + 9,7 = 100%, chứng tỏ trong phân tử không có dị nguyên tử nào khác ngoài C, H và Cl. Từ giá trị m/z=92, suy ra khối lượng mol phân tử là 92 g/mol. Xác định khối lượng mol và số nguyên tử C trong 01 mol chất nghiên cứu: 92g x 52% = 47,8g, làm tròn thành 48g, từ đó tính ra số nguyên tử C (48/12=4). Kết quả tính tương tự với H và Cl là: 9H và 1Cl. Như vậy, công thức phân tử là C4H9Cl.
Bước 2: Xác định số liên kết đôi, vòng thơm dựa trên độ no. DBE = 4+1-(9+1)/2= 0, không có liên kết đôi hay vòng.
Bước 3: Phân tích phổ 1H và 13C NMR: Phổ 13C NMR gồm 03 tín hiệu, trong khi công thức phân tử cho biết phân tử có 04 x C, suy ra có 2 x C tương đương nhau, cho tín hiệu trùng nhau. Trên phổ 1H NMR, tín hiệu ở vùng trường cao 1,1ppm ứng với giá trị tích phân 6H là gợi ý chúng thuộc về 2 gốc Methyl (CH3) tương đương, tín hiệu trùng nhau. Giả thiết này phù hợp với giả thiết trên từ phổ 13C NMR, khẳng định có 02 nhóm -CH3 tương đương nhau. Tín hiệu 1,1ppm có dạng vạch kép (d), chứng tỏ 2 gốc methyl này cùng có liên kết gần với 01 proton của gốc CH, tương ứng với công thức CH3-CH-CH3, trong đó tín hiệu 1H NMR ở 1,95ppm thuộc về CH. Tín hiệu 3,38ppm có dạng vạch kép, tương tác gần với CH và bị kéo về phía trường khá thấp (3,38ppm) khả năng nằm gần với nguyên tố có độ âm điện cao là Cl. Cấu trúc hợp lý cho phần này là CH-CH2-Cl.
Bước 4: Tổng hợp, ghép nối thành công thức cấu trúc
Hình 8: Cấu trúc phân tử
Bước 4: Tổng hợp, ghép nối thành công thức cấu trúc
|
Hình 8: Cấu trúc phân tử
|
- Nhận xét
- Có dữ liệu phân tích thành phần nguyên tố (CHN, CHNO, CHNS, ...), trợ giúp cho bước xác định công thức phân tử. Đây là quy trình cổ điển, rất phổ biến trước đây trong phân tích hữu cơ. Ngày nay, việc xác định công thức phân tử được thực hiện dễ dàng với dữ liệu MS có độ chính xác cao (3-4 số thập phân) và các công cụ phần mềm trợ giúp rất phong phú.
- Dữ liệu phổ DEPT cho phép phân biệt CH-CH2-CH3 hỗ trợ tốt cho việc gán phổ 13C NMR.
- Nhận xét
- Có dữ liệu phân tích thành phần nguyên tố (CHN, CHNO, CHNS, ...), trợ giúp cho bước xác định công thức phân tử. Đây là quy trình cổ điển, rất phổ biến trước đây trong phân tích hữu cơ. Ngày nay, việc xác định công thức phân tử được thực hiện dễ dàng với dữ liệu MS có độ chính xác cao (3-4 số thập phân) và các công cụ phần mềm trợ giúp rất phong phú.
- Dữ liệu phổ DEPT cho phép phân biệt CH-CH2-CH3 hỗ trợ tốt cho việc gán phổ 13C NMR.
8B.4. Xác định cấu trúc dựa trên dữ liệu MS, phân tích CH, phổ IR, 1H và 13C NMR
- Dữ liệu thực nghiệm:
- Dữ liệu MS: ion phân tử m/z=210, ion cơ sở m/z=167.
- Dữ liệu phân tích nguyên tố (CH): 85%C và 6,67%H.
- Dữ liệu IR: Có hấp thụ mạnh ở gần 1.720cm-1.
- Phổ 1H NMR: 7,5-7,0ppm (10H, m); 5,1ppm(1H,s); 2,22ppm (3H,s).
- Phổ 13C DEPT NMR: 206,2ppm (C); 128,7ppm (CH); 30,0ppm (CH3); 138,4ppm (C); 127,2ppm (CH); 129,0ppm (CH); 65,0ppm (CH).
- Dữ liệu thực nghiệm:
- Dữ liệu MS: ion phân tử m/z=210, ion cơ sở m/z=167.
- Dữ liệu phân tích nguyên tố (CH): 85%C và 6,67%H.
- Dữ liệu IR: Có hấp thụ mạnh ở gần 1.720cm-1.
- Phổ 1H NMR: 7,5-7,0ppm (10H, m); 5,1ppm(1H,s); 2,22ppm (3H,s).
- Phổ 13C DEPT NMR: 206,2ppm (C); 128,7ppm (CH); 30,0ppm (CH3); 138,4ppm (C); 127,2ppm (CH); 129,0ppm (CH); 65,0ppm (CH).
- Giải phổ:
- Giải phổ:
Bước 1: Xác định công thức phân tử và số liên kết đôi: Làm tương tự như với ví dụ 2, dễ dàng xác định được: Công thức phân tử C15H14O. Tính độ no DBE= 15+1-(14/2) = 9, phân tử có thể có 02 vòng thơm và 01 nối đôi.
Bước 2: Phân tích FTIR: Có nhóm carbonyl C=O trong phân tử, phù hợp với phân tích DBE.
Bước 3: Phân tích phổ 1H và 13C NMR: Tín hiệu 10H ở vùng 7,5-7,0ppm, chứng tỏ có 02 gốc phenyl thế 01 C, bao gồm 10H, 12C và DBE=8. Trên phổ 13C NMR chỉ có 07 tín hiệu ứng với 15C, chứng tỏ có các (nhiều) C tương đương. Thông thường, mỗi vòng Phenyl thế 01 vị trí sẽ cho 04 tín hiệu 13C NMR, do có các cặp C tương đương. Giả sử có 02 vòng Phenyl tương đương sẽ dẫn đến chỉ có 04 tín hiệu 13C NMR cho 12C của 02 vòng, chỉ còn 03C không tương đương ngoài vòng, cho 03 tín hiệu. Tổng tín hiệu là 4+3=7, phù hợp dữ liệu phổ 13C NMR. Tín hiệu 2.22ppm (3H, s) trên phổ 1H NMR có dạng vạch đơn, tích phân bằng 3H, chắc chắn là CH3 nằm cuối dãy, ngăn cách bởi C bậc 4 hoặc dị nhân. Tín hiệu 5,10ppm (1H, s) là của CH, bị chặn 2 phía bởi C bậc 4 hay dị nhân.
Bước 4: Tổng hợp kết quả: Các phân tích trên cho các nhóm chức, mảnh phân tử như sau
2x -C6H5 + C=O + CH (hệ spin tách biệt) + CH3 (hệ spin tách biệt, cuối mạch). Không khó khăn để dựng khung cấu trúc như sau:
Hình 9: Cấu trúc phân tử
- Nhận xét
- Có thể dễ dàng kiểm chứng ion cơ sở m/z=167 trên phổ MS, là mảnh ion ứng với phân tử đã bị cắt gốc -COCH3.
- Khi phân tích phổ IR thực nghiệm, cũng có thể nhận ra được thêm các liên kết C=C, đặc trưng cho Phenyl, củng cố thêm các phân tích phổ NMR.
Bước 1: Xác định công thức phân tử và số liên kết đôi: Làm tương tự như với ví dụ 2, dễ dàng xác định được: Công thức phân tử C15H14O. Tính độ no DBE= 15+1-(14/2) = 9, phân tử có thể có 02 vòng thơm và 01 nối đôi.
Bước 2: Phân tích FTIR: Có nhóm carbonyl C=O trong phân tử, phù hợp với phân tích DBE.
Bước 3: Phân tích phổ 1H và 13C NMR: Tín hiệu 10H ở vùng 7,5-7,0ppm, chứng tỏ có 02 gốc phenyl thế 01 C, bao gồm 10H, 12C và DBE=8. Trên phổ 13C NMR chỉ có 07 tín hiệu ứng với 15C, chứng tỏ có các (nhiều) C tương đương. Thông thường, mỗi vòng Phenyl thế 01 vị trí sẽ cho 04 tín hiệu 13C NMR, do có các cặp C tương đương. Giả sử có 02 vòng Phenyl tương đương sẽ dẫn đến chỉ có 04 tín hiệu 13C NMR cho 12C của 02 vòng, chỉ còn 03C không tương đương ngoài vòng, cho 03 tín hiệu. Tổng tín hiệu là 4+3=7, phù hợp dữ liệu phổ 13C NMR. Tín hiệu 2.22ppm (3H, s) trên phổ 1H NMR có dạng vạch đơn, tích phân bằng 3H, chắc chắn là CH3 nằm cuối dãy, ngăn cách bởi C bậc 4 hoặc dị nhân. Tín hiệu 5,10ppm (1H, s) là của CH, bị chặn 2 phía bởi C bậc 4 hay dị nhân.
Bước 4: Tổng hợp kết quả: Các phân tích trên cho các nhóm chức, mảnh phân tử như sau
2x -C6H5 + C=O + CH (hệ spin tách biệt) + CH3 (hệ spin tách biệt, cuối mạch). Không khó khăn để dựng khung cấu trúc như sau:
2x -C6H5 + C=O + CH (hệ spin tách biệt) + CH3 (hệ spin tách biệt, cuối mạch). Không khó khăn để dựng khung cấu trúc như sau:
 |
Hình 9: Cấu trúc phân tử |
- Nhận xét
- Có thể dễ dàng kiểm chứng ion cơ sở m/z=167 trên phổ MS, là mảnh ion ứng với phân tử đã bị cắt gốc -COCH3.
- Khi phân tích phổ IR thực nghiệm, cũng có thể nhận ra được thêm các liên kết C=C, đặc trưng cho Phenyl, củng cố thêm các phân tích phổ NMR.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét